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半导体物理和器件的基础知识半导体物理和器件的基础知识（补充材料）（补充材料）陈 朝Email：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。目录目录一、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）半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间 电阻率：单位（cm）：绝缘体（橡胶）：10101022 cm 半导体（锗、硅）：102109 cm 导体（金属）：105 cm 超导体（YBaCuO）：接近零 0 cm（2）半导体的电阻率随温度的下降而上升（和导体相反）半导体的电阻率随温度的下降而上升（和导体相反）半导体：0 exp（-E/KT),ne,E=ED-EF 即：1/-1 0 exp（E/KT)导体：0 T,R=L/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率和温度的关系电阻率和温度的关系电阻率和温度的关系电阻与温度的关系电阻与温度的关系 导体的电阻率随导体的电阻率随温度的升高而温度的升高而增大增大。金属金属 半导体的电阻率半导体的电阻率随温度的升高而急剧随温度的升高而急剧地地下降下降。由于半导体。由于半导体中的电子吸收能量后，中的电子吸收能量后，受激跃迁到导带的数受激跃迁到导带的数目增多。目增多。利用半导体的这种利用半导体的这种性质可以制成性质可以制成热敏电阻热敏电阻。半导体半导体电阻定律电阻定律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）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）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10131016/cm3的杂质,即ppb（亿万分之一109）（深能级杂质）半导体纯（电子纯电子纯9N9N）ppm（百万分之一106）（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%9N14N3、半导体的导类型：n型和p型在半导体中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。本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。半导体。半导体。半导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）（温度升高或受光照）（温度升高或受光照）（温度升高或受光照）后，后，后，后，即可挣脱原子核的束缚，成即可挣脱原子核的束缚，成即可挣脱原子核的束缚，成即可挣脱原子核的束缚，成为为为为自由电子自由电子自由电子自由电子（带负电），同（带负电），同（带负电），同（带负电），同时共价键中留下一个空位，时共价键中留下一个空位，时共价键中留下一个空位，时共价键中留下一个空位，称为称为称为称为空穴空穴空穴空穴（带正电）（带正电）（带正电）（带正电）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴 温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价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，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当来填补，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）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体电方式，称为电子半导体或或或或N N型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。掺入五价元素掺入五价元素掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）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。形成杂质半导体。形成杂质半导体。形成杂质半导体。在在在在N N 型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是自由电子是自由电子是多数载流子，空穴是少数载流多数载流子，空穴是少数载流多数载流子，空穴是少数载流多数载流子，空穴是少数载流子。子。子。子。动画动画N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或式，称为空穴半导体或式，称为空穴半导体或式，称为空穴半导体或 P P型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。掺入三价元素掺入三价元素掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在在在 P P 型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多空穴是多空穴是多数载流子，自由电子是少数载数载流子，自由电子是少数载数载流子，自由电子是少数载数载流子，自由电子是少数载流子。流子。流子。流子。B硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电子变为电子变为电子变为电子变为负离子负离子负离子负离子空穴空穴动画动画无论无论无论无论N N型或型或型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。（1 1）PNPN结的形成结的形成载流子的两种运动载流子的两种运动扩散运动和漂移运动扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运动。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，载流子有规则的漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的 定向运动。定向运动。（6 6）两种类型半导体）两种类型半导体冶金学接触冶金学接触的界面的界面 称为称为pnpn结，结，pnpn结具有单向导电性结具有单向导电性5、pn结的形成和基本性质PNPN结的形成示意图结的形成示意图多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间电荷区变薄。电荷区变薄。电荷区变薄。电荷区变薄。扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移这一对相反的这一对相反的这一对相反的这一对相反的运动最终达到运动最终达到运动最终达到运动最终达到动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。度固定不变。度固定不变。+动画动画形成空间电荷区形成空间电荷区PN结的单向导电性示意图结的单向导电性示意图 1.PN 1.PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场被内电场被内电场被内电场被削弱，多子削弱，多子削弱，多子削弱，多子的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，形成较大的形成较大的形成较大的形成较大的扩散电流。扩散电流。扩散电流。扩散电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+动画动画+2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 内电场内电场内电场内电场P PN N+动画动画+PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画动画+PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，反向电阻较大，反向电阻较大，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场内电场内电场P PN N+（2）二极管）二极管的单向导电性的单向导电性1.1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负极接负极接负极接负 ）时，）时，）时，）时，二极管处于正向导通状态，二极管二极管处于正向导通状态，二极管二极管处于正向导通状态，二极管二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。正向电阻较小，正向电流较大。正向电阻较小，正向电流较大。正向电阻较小，正向电流较大。2.2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正接正接正接正 ）时，）时，）时，）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向二极管处于反向截止状态，二极管反向二极管处于反向截止状态，二极管反向二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。电阻较大，反向电流很小。电阻较大，反向电流很小。电阻较大，反向电流很小。3.3.3.3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。单向导电性。单向导电性。单向导电性。4.4.4.4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。反向电流愈大。反向电流愈大。反向电流愈大。（3 3）半导体二极管）半导体二极管基本结构基本结构(a)(a)点接触型点接触型点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型面接触型面接触型 结面积小、结面积小、结面积小、结面积小、结电容小、正结电容小、正结电容小、正结电容小、正向电流小。用向电流小。用向电流小。用向电流小。用于检波和变频于检波和变频于检波和变频于检波和变频等高频电路。等高频电路。等高频电路。等高频电路。结面积大、结面积大、结面积大、结面积大、正向电流大、正向电流大、正向电流大、正向电流大、结电容大，用结电容大，用结电容大，用结电容大，用于工频大电流于工频大电流于工频大电流于工频大电流整流电路。整流电路。整流电路。整流电路。(c)(c)平面型平面型平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积可大可小，结结面积可大可小，结结面积可大可小，结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D半导体半导体pn结二极管的伏安特性结二极管的伏安特性硅管硅管硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降导通压降导通压降 外加电压大于死区外加电压大于死区外加电压大于死区外加电压大于死区电压二极管才能导通。电压二极管才能导通。电压二极管才能导通。电压二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。失去单向导电性。失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性特点：非线性特点：非线性硅硅硅硅0 0 0 0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0 0.20.3V.20.3VUI死区电压死区电压死区电压死区电压PN+PN+反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数1.1.最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流 I IOMOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。平均电流。平均电流。2.2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压U URWMRWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压一般是二极管反向击穿电压一般是二极管反向击穿电压一般是二极管反向击穿电压U UBRBR的一半或三分之二。的一半或三分之二。的一半或三分之二。的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.3.反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流I IRMRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，向电流大，说明管子的单向导电性差，向电流大，说明管子的单向导电性差，向电流大，说明管子的单向导电性差，I IRMRM受温度的受温度的受温度的受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。6、能带理论简介（1）能带理论的重要性能带理论的重要性 能带理论是上世纪科学家应用量子力学原理在处理无限晶体的电子能量状态时建立发能带理论是上世纪科学家应用量子力学原理在处理无限晶体的电子能量状态时建立发展的理论，它已成为研究固体性质和应用的主要理论。展的理论，它已成为研究固体性质和应用的主要理论。可以毫不夸张地说，没有能带理可以毫不夸张地说，没有能带理论，就没有半导体的发展，就没有晶体管和论，就没有半导体的发展，就没有晶体管和ICIC，也就没有大型计算机和电脑，没有今天，也就没有大型计算机和电脑，没有今天的各种信息产业和信息设备。的各种信息产业和信息设备。（2 2）固体价电子的共有化运动）固体价电子的共有化运动1.固体能带的形成固体能带的形成 1）电子共有化电子共有化固体具有大量分子、原子或离子有规则固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。电子受到周期性势场的作用。a（3）固体的能带结构固体的能带结构 解定态薛定格方程解定态薛定格方程(略），略），可以得出两点重要结论：可以得出两点重要结论：.电子的能量是量子化的电子的能量是量子化的;.电子的运动有隧道效应。电子的运动有隧道效应。原子的外层电子原子的外层电子(高能级高能级)，势垒穿透概率势垒穿透概率较大，较大，电子可以在整个固体中运动电子可以在整个固体中运动,称为称为共有化电子。共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧原子的内层电子与原子核结合较紧,一般一般不是不是 共有化电子。共有化电子。2）能带能带(energy band)量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级原来孤立原子的每一个能级,变成了变成了N条靠条靠得很近的能级得很近的能级,称为称为能带能带。固体中的电子能级固体中的电子能级有什么特点？有什么特点？能带的宽度记作能带的宽度记作 E，数量级为，数量级为 EeV。若若N1023,则能带中两能级的间距约则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽，E越大。越大。2.点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽，E越大。越大。3.两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图3).能带中电子的排布能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。某一能级上。排布原则：排布原则：.服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子）.服从能量最小原理服从能量最小原理设孤立原子的一个能级设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多能容它最多能容纳纳 2(2 +1)个电子。个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，条能级组成的能带后，能带最多能容纳能带最多能容纳(2 +1)个电子。个电子。电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。有关能带被占据情况的几个名词：有关能带被占据情况的几个名词：1满带（排满电子）满带（排满电子）2价带（能带中一部分能级排满电子）价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带亦称导带 3空带（未排电子）空带（未排电子）亦称导带亦称导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）2、能带，最多容纳、能带，最多容纳 6个电子。个电子。例如，例如，1、能带，最多容纳、能带，最多容纳 2个电子。个电子。(2 +1)2.导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 （conductor insulator）它们的导电性能不同，它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体导体、半导体和绝缘体的能带图 在外电场的作用下，大量共有化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个有一个较宽的禁带较宽的禁带（Eg 约约36 eV?），），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构的能带结构,满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带，但是但是禁带很窄禁带很窄（E g 约约0.12 eV?)。绝缘体绝缘体半导体半导体绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体.半导体的导电机构半导体的导电机构一一.本征半导体本征半导体（semiconductor）本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。之间。介绍两个概念：介绍两个概念：1.电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子2.空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。满带中出现一个空位。例例.半导体半导体 Cd S满满 带带空 带h Eg=2.42eV这相当于产生了一个带正电的粒子这相当于产生了一个带正电的粒子(称为称为“空穴空穴”),把电子抵消了。把电子抵消了。电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴总是成对出现的。空带空带满带满带空穴下面能级上空穴下面能级上的电子可以跃迁的电子可以跃迁到空穴上来到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的满带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也是形成电流是形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。Eg在外电场作用下在外电场作用下,解解 上例中上例中,半导体半导体 Cd S激发电子激发电子,光波的波长最大多长？光波的波长最大多长？为什么半导体的电阻为什么半导体的电阻 随温度升高而降低？随温度升高而降低？4 杂质半导体杂质半导体)n型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、等，掺入少量、等，掺入少量五价的五价的杂质杂质（impurity）元素（如元素（如P、As等）形成电子型半导体等）形成电子型半导体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处能级在禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。极易形成电子导电。该能级称为该能级称为施主施主（donor）能级。能级。n 型半导体型半导体 在在n型半导体中型半导体中 电子电子多数载流子多数载流子空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少数载流子少数载流子)型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等，掺入少量等，掺入少量三价的三价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成空穴型半导体，称形成空穴型半导体，称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。极易产生空穴导电。该能级称该能级称受主受主（acceptor）能级。能级。空空 带带DEa满满 带带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg在在p型半导体中型半导体中 空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子3)n型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物GaAs中掺，六价的中掺，六价的Te替代五价的替代五价的As可形成施主能级，可形成施主能级，成为成为n型型GaAs杂质半导体。杂质半导体。4)型化合物半导体型化合物半导体例如，化合物例如，化合物 GaAs中掺中掺Zn，二价的，二价的Zn替代三价的替代三价的Ga可形成受主能级，可形成受主能级，成为成为p型型GaAs杂质半导体。杂质半导体。5)杂质补偿作用杂质补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），），又有受主杂质（浓度又有受主杂质（浓度na），），两种杂质有补偿作用：两种杂质有补偿作用：若若nd na为为n型（施主）型（施主）若若nd na为为p型（受主）型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作用，可以制成可以制成P-结。结。7、-结的形成、性能和应用一一.-结的形成结的形成在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。补偿作用，该区就成为型半导体。由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在型半导体和在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电型半导体的交界面附近产生了一个电场场,称为内称为内建场建场。内建场大到一定内建场大到一定程度程度,不再有净电不再有净电荷的流动，达到荷的流动，达到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的这种特附近形成的这种特殊结构称为殊结构称为P-N结，结，约约0.1 m厚。厚。P-N结结n型型p型型内建场阻止电子内建场阻止电子和空穴进一步扩和空穴进一步扩散，记作散，记作 。P-N结处存在电势差结处存在电势差Uo。也阻止也阻止 N区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向P区扩散。区扩散。它阻止它阻止 P区区带正电的空穴进带正电的空穴进一步向一步向N区扩散；区扩散；U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线P-N结结考虑到考虑到P-结的存在，半导体中电子结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。附加势能。电子的能带电子的能带出现弯曲现象。出现弯曲现象。空带空带空带空带P-N结结施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带二二.-结的单向导电性（性能）结的单向导电性（性能）.正向偏压正向偏压在在-结结的的p型区接型区接电源正极，电源正极，叫正向偏压。叫正向偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴有利于空穴向向N区运动，电子向区运动，电子向P区运动，区运动，形成正向电流（形成正向电流（m级）。级）。p型型n型型I外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I.反向偏压反向偏压在在-结的型区接电源负极结的型区接电源负极,叫反向偏压。叫反向偏压。阻挡层势垒增阻挡层势垒增大、变宽，大、变宽，不不利于空穴向利于空穴向区运动，也不区运动，也不利于电子向利于电子向P区运动区运动,没有没有正向电流。正向电流。p型型n型型I但是，由于少数但是，由于少数载流子的存在，载流子的存在，会形成很弱的反会形成很弱的反向电流，向电流，当外电场很强当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大-反向击穿。反向击穿。称为漏电流称为漏电流（级）。级）。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30三、三、P-N结的应用结的应用 可以作成具有整流、开关等可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管作用的晶体二极管（diode）。）。1947年年12月月23日，美国贝尔实验室日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的具有放大作用的点接触型点接触型晶体三极管晶体三极管。固定针固定针B探针探针固定针固定针AGe晶片晶片1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。pnp电信号电信号cbVebVcbRe后来，晶体管又从点接触型发展到后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。面接触型。晶体管比真空电子管体积小，重量轻，晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。第二代电子器件。集成电路集成电路 大规模集成电路大规模集成电路 超大规模集成电路超大规模集成电路 下图为下图为INMOS T900 微处理器微处理器:每一个集成块（图中一个长方形部分）每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，约为手指甲大小，它有它有300多万个三极管。多万个三极管。4、半导体材料的表征n纯度：光谱纯（太阳能级）6N（1ppma）以上;电子纯（半导体纯）9N（1ppba）以上。n能带参数：禁带宽度Eg；跃迁类型（直接、间接）n电学参数：导电类型（n型或p型）电阻率（cm）掺杂浓度ND或NA（cm-3)补偿度：(ND-NA）/ND n完整性参数：少子寿命（s)少子扩散长度（M）迁移率：（cm2/(vs)）位错密度（个/cm2)n几何参数：直径（英寸），厚度（毫米）n冶金学参数：晶向（111）、（110）、（100）单晶（s)、多晶(m)、非晶（a）、微晶（）、柱晶 8、半导体材料简介（1）数量：元素半导体：8种：Ge、Si、Sn、C（金刚石）、-Sn、B、P、Se、Te。二元化合物半导体：600多种 三元化合物半导体：400多种：三元和四元固熔体。（2）分类：半导体：更多种；有机半导体：10多种 可按：化学成分、晶态、功能和发展过程来分类半导体与元素周期表半导体与元素周期表类别：l二元化合物半导体：由两种元素组成。l三元化合物半导体：由三种元素组成。l多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：lIVIV族元素化合物半导体：碳化硅（SiC）锗硅（Ge1xSix）；lIII-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等；lII-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、硒化锌（ZnSe）等；lIV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGax-1As即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。CuInGaSe2、CuInGaS2 等。化合物半导体的优势与不足：许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料按化学组分：元素半导体：Ge、Si、Sn、-Sn（灰锡）、P、Se、Te、B等；IIIV半导体：GaAs、InP、GaP、GaNIIVI半导体：ZnS、CdS、ZnSe、CdTe固熔体：2元：Si1xGex 3元：Ga1-xAlxAs、GaAs1-xPx、InxGa1-xAs、HgxCd1-xTe、ZnxCd1-xS 4元：InGaAsP、InGaAlP有机半导体：奈、蒽、聚乙炔、聚苯硫醚、C60 按结晶状况分：单晶、多晶、非晶、微晶、纳米晶 按功能分：电子（微电子、电力电子）、光电、传感、磁性、热电致冷等按发展分：第一代：Ge、Si（晶体管、IC）第二代：GaAs、InP（微波、光电）第三代：GaN、ZnO、SiC、金刚石 第四代：新功能、多功能（有机、纳米）8、结束语半导体是最重要的材料（微电子、电力电子和光电子）；半导体材料的理论基础是能带理论；PN结是半导体器件的最主要结构；半导体的理论、器件和应用的研究已经产生了信息革命，使人类进入信息时代；半导体的研究也必将产生照明革命和能源革命，将从根本上解决人类的能源问题，使人类进入绿色能源时代！所以，我们必须认真学习半导体科学。思考题（1）什么是半导体？（2）半导体有哪些主要特性？（3）试论述PN结是如何形成的？（4）从PN结的IV特性，论述PN的基本性 能和可能的应用。（5）指出半导体材料在元素周期表上位置和 分布，并说明原因。（6）如何表征半导体材料的基本性能？谢谢！