半导体基本知识-修改

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1、半导体物理和器件的基础知识（补充材料）陈朝E－mail：cchen@xmu.edu.cn厦门大学物理与机电工程学院2008年10月10日于厦门什么是半导体？半导体材料的基本性质半导体基本概念、性质晶体结构和能带理论简介PN结的形成及其基本性能半导体材料的表征：基本参数及其检测半导体光电材料简介：第一类Ge、Si；第二类GaAs、InP；第三类GaN、ZnO等。目录一、半导体材料的基本性质和能带理论1、什么是半导体？的基本性质：（1）半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间电阻率ρ：单位（Ω·cm）：绝缘体（橡胶）：1010～1022Ω·cm半导体（锗、硅）：10－2～109Ω·cm导体（金属

2、）：10－5Ω·cm超导体（YBaCuO）：接近零0Ω·cm（2）半导体的电阻率随温度的下降而上升（和导体相反）半导体：σ＝σ0exp（-E/KT),σ＝Δneμ,E=ED-EF即：ρ＝1/σ＝σ-10exp（E/KT)导体：ρ＝ρ0T,R=ρL/S这是区别导体、半导体的主要标志。电阻率和温度的关系电阻与温度的关系导体的电阻率随温度的升高而增大。金属半导体的电阻率随温度的升高而急剧地下降。由于半导体中的电子吸收能量后，受激跃迁到导带的数目增多。利用半导体的这种性质可以制成热敏电阻。半导体电阻定律2、半导体材料的基本性质（3）半导体对外界各种作用（光、电、磁、热、力）很敏感利用半导体的这特

3、性，可以制备各种传感器（sensor）。例如：光敏电阻、晶体管、磁场仪、热敏电阻、压力传感器等（4）半导体的各种性能对杂质非常敏感一般半导体的原子密度：1022/cm3,如果含有1013～1016/cm3的杂质,即ppb（亿万分之一10－9）（深能级杂质）—半导体纯（电子纯9N）～ppm（百万分之一10－6）（浅能级杂质）——光谱纯(6N)就对半导体性能有很明显的改变。所以，半导体材料的提纯非常主要，没有达到半导体纯的半导体材料，一般不显现半导体的性能。半导体工程，又称为杂质工程！ppb——半导体纯——≥99.999999999%——≥9N～14N3、半导体的导类型：n型和p型在半导体中

4、电流的载体称为载流子，带负电荷的载流子称为n型载流子，n型载流子是电子；带正负电荷的载流子称为p型载流子，p型载流子是空穴；电子浓度大于空穴浓度的半导体称为n型半导体，电子多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；空穴浓度大于电子浓度的半导体称为p型半导体，空穴多数载流子（简称多子），电子为少数载流子（简称少子）。空穴：形象说法：共价键的空位（类似于水中的气泡）称为空穴；严格定义：满带电子的空位称为空穴高纯、不掺杂的半导体称为本征半导体；同时含有电子和空穴两种载流子的半导体称为补偿半导体，电子浓度和空穴浓度相等的半导体称为完全补偿半导体。本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半

5、导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。SiSiSiSi价电子SiSiSiSi价电子价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。N型半导体和P型半导体掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子

6、半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。动画N型半导体和P型半导体掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素SiSiSiSi在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴动画无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。（1）PN结的形成载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载

7、流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的定向运动。（6）两种类型半导体冶金学接触的界面称为pn结，pn结具有单向导电性5、pn结的形成和基本性质PN结的形成示意图多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－