功能材料PPT系列：半导体材料.

半导体材料安徽师范大学化学与材料科学学院CollegeofChemistryandMaterialsScience主讲：材料化学教研室刘守华[e-mail],18755351608课件制作：刘守华什么是半导体？顾名思义：导电性介于导体和绝缘体之间的材料。典型电阻率范围：10-4～1010欧姆•厘米。什么又是导体？什么又是绝缘体？能带理论能级分裂能带随原子逐渐靠近，能级从外向内逐级分裂，靠的越进，分裂的越厉害；当N个原子形成晶体后，每个简并能级都分裂成N个相距很近的准连续能级，组成一个能带；分裂后的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。导电的条件有被电子部分占满的能带——导带满带中的电子不具备导电能力，通常原子中的内层都是被电子占满的满带，因而内层电子对导电没有贡献。导体半导体绝缘体金属中有不完全被电子占据的能带，所以是良导体；若仅有满带和相邻的空带，则要看禁带宽度：Eg2ev，半导体Eg3ev，绝缘体半导体的导电机理EgEcEvEghnp＝导电机理：能带间电子跃迁，将满带和空带均转化成未满带。空穴(p)：电子空位，等效正电子；载流子：电子、空穴且电子和空穴成对出现，即电子－空穴的产生与复合复合(释放能量)产生(吸收能量)共价键e-+h+将其看作可逆反应，△H≈Eg室温时，电子和空穴的浓度就是该可逆反应到达平衡后的平衡浓度EgEcEvEgh半导体的分类本征半导体元素半导体杂质半导体按成分本征半导体化合物半导体杂质半导体本征激发和本征半导体电子由价带(Ｖ)到导带(Ｃ)的激发，叫做本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体。本征半导体的特点：没有杂质和缺陷载流子及其浓度：iinpnp＝EgEcEvEghiinpnp电子浓度空穴浓度固有电子浓度固有空穴浓度常见半导体在室温的固有电子浓度和Eg半导体ni(cm-3)Eg(ev)锗2.4×10130.67硒1.45×10101.12砷化镓1.79×1061.42以硒为例，ni=1.45×1010cm-3，到底有多大？典型本征半导体：硒键型和结构共价键金刚石结构a(T=300K)＝5.43Å硒之原子密度(cm-3)Z=?顶点：8×1/8＝1面心：6×1/2＝3体内：4原子密度：1+3+48＝223383884.9910(5.4310)cmacm10-3103223121.4510cm1.4510cm4.99103.4410iinncm1原子密度小结：本征半导体的载流子浓度有限，故其导电能力也不是很好；为了提高其电导率，必须对其进行有效的掺杂。非本征激发和杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中．把电子从杂质能级激发到导带上或把电子从价带激发到杂质能级上，从而在导带中产生电子或在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。满足该激发方式的半导体叫杂质半导体。解析：“或”与“和”与本征激发的区别？思考：杂质半导体中有没有本征激发？？ＶＣ杂质能级杂质能级同一温度下，同一基质的半导体(不管n、p还是本征)，当反应达平衡时，恒有：复合(释放能量)产生(吸收能量)共价键e-+h+2..iiinpnpCn群体作用定律(mass-actionlaw)施主掺杂以五价的元素(As)少量取代四价的原子(Si)杂质是电子的给予者，故称施主(donor)施主能级位于：导带底△EDEg，最易发生的激发为：施主能级到导带的激发，形成导电电子，常温下，施主全部电离。由于室温下，施主全部电离，导带中的电子浓度大量增加，价带中的空穴就很容易遇到电子而复合，使p大量减少；电导率主要由电子贡献，故又称此种半导体为n型半导体、电子型半导体或施主型半导体。电子为多数载流子，又称多子(majoritycarrier)；空穴则称少数载流子，又称少子(minoritycarrier)。注：载流子浓度约等于多子浓度，且等于掺杂浓度，少子浓度可忽略不计。受主掺杂以三价的元素(B)少量取代四价的原子(Si)，杂质是电子的接受者，故称受主(acceptor)受主能级位于：价带顶△EAEg，最易发生的激发为：价带到受主能级的激发，并在价带中形成空穴，常温下受主全部“借”电子饱和成键。同理由于价带中的空穴浓度大量增加，导带中的电子就很容易遇到空穴而复合，使n大量减少；电导率主要由空穴贡献，故又称此种半导体为P型半导体、空穴型半导体或受主型半导体。空穴为多数载流子，又称多子(majoritycarrier)；电子则称少数载流子，又称少子(minoritycarrier)。注：载流子浓度约等于多子浓度，且等于掺杂浓度，少子浓度可忽略不计。本征型：iinp且和温度相关施主型(掺杂浓度较本征载流子浓度高106)：66.10;.10iinnpn受主型(掺杂浓度较本征载流子浓度高106)：66.10;.10iinnpn若施主和受主同时掺杂？补偿：不同类型的掺杂互相中和的现象。计算示例：在硒晶片中，均匀掺杂浓度为1016cm-3的As，计算：a)掺杂原子和硒原子的比例是多少？b)在室温时，电子和空穴的浓度各为多少？c)载流子浓度和未掺杂的硒的载流子浓度之比是多少？掺杂原子和硒原子的比例是多少？已知：As原子密度＝1016cm-3硒原子密度＝4.99.1022cm-3(见上个计算示例)1672210210()4.9910As摩尔浓度硒在室温时，电子和空穴的浓度各为多少？3ncm16掺杂浓度＝10243163.((2.11010inpnpcmcm10-3210-321.4510cm)1.4510cm)可见，多子和少子相差12个数量级载流子浓度和未掺杂的硒的载流子浓度之比掺杂后，因少子浓度太低，可以忽略，故3cm16载流子浓度掺杂浓度＝103cm10iii载流子浓度＝n+p=2n=21.4510掺杂前：掺杂后和掺杂前载流子浓度之比：3533.410cmcm16101021.4510可见：摩尔浓度仅为2×10-7的掺杂，就可以将载流子浓度提高3×105以上比：半导体元件的功能导电电信号与光信号的转换导电：电流产生漂移电流：在E下，载流子定向移动产生电流；扩散电流：载流子浓度分布不均，载流子由高浓度区域向低浓度区域流动，产生电流。载流子电荷运动方向电流电子－－+空穴+++P-N结及其整流效应P-N结：P型和N型半导体的接触面载流子的空间不均匀性：P区：空穴N区：电子载流子扩散：e:NPv:PN二极管的整流效应正向导通逆向截止实际上，逆向电流不为零，保持较小的电流。加顺向电压：则和自建电场方向相反，使自建电势部分抵消，位障降低，原有平衡被破坏，使多子扩散更容易通过自建电场，形成扩散电流；加逆向电压：则位障增大，多子更难通过空乏区，仅有少子可以克服自建电场，形成漂移电流，因此逆向时电流也不为零，而是保持较弱的值。