半导体特性PPT讲稿.ppt

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1、半导体特性第1页，共48页，编辑于2022年，星期五固体材料：超导体固体材料：超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制第2页，共48页，编辑于2022年，星期五按组成分：按组成分：无机半导体：元素、化合物无机半导体：元素、化合物有机半导体有机半导体按结构分按结构分:晶体：单晶体、多晶体晶体：单晶体、多晶体非晶体、无定形非晶体、无定形一、半导体材料的分类一、

2、半导体材料的分类第3页，共48页，编辑于2022年，星期五按功能和应用分按功能和应用分微电子半导体（集成电路）微电子半导体（集成电路）光电半导体（光电半导体（LED、光伏器件）、光伏器件）热电半导体（热电制冷和发电）热电半导体（热电制冷和发电）微波半导体微波半导体气敏半导体（传感器）气敏半导体（传感器）第4页，共48页，编辑于2022年，星期五 1.无机半导体材料无机半导体材料无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导体及固溶体半导体。导体及固溶体半导体。(1)元素半导体晶体元素半导体晶体Si、Ge、Se 等元素等元素第5页，共48页，编辑于2022

3、年，星期五化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体化合物半导体第6页，共48页，编辑于2022年，星期五最常用的半导体材料最常用的半导体材料锗锗硅硅半导体导电性能是由其原子结构决定的。半导体导电性能是由其原子结构决定的。硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力

4、介于导体与绝缘体之间。的束缚力介于导体与绝缘体之间。二、半导体的几个重要特性：二、半导体的几个重要特性：（1）热敏特性热敏特性（2）光敏特性）光敏特性（3）掺杂特性）掺杂特性第7页，共48页，编辑于2022年，星期五+14284Si硅原子结构示意图硅原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图+4硅、锗原子硅、锗原子的简化模型的简化模型第8页，共48页，编辑于2022年，星期五1.半导体的结构半导体的结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体，具具 有有 金金 刚刚 石

5、石 晶晶 体体 结结 构构第9页，共48页，编辑于2022年，星期五半导体的结合和晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS第10页，共48页，编辑于2022年，星期五2.半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni第11页，共48页，编辑于2022年，星期五电子电子：Electron，带负电的导电载流子，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成的后形成的自由电子，对应于导带

6、中占据的自由电子，对应于导带中占据的电子电子空穴空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的电的电子空位，对应于价带中的电子空位子空位第12页，共48页，编辑于2022年，星期五3.半导体的半导体的能带能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带第13页，共48页，编辑于2022年，星期五价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电

7、子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E Eg g g g第14页，共48页，编辑于2022年，星期五半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m*m*第15页，

8、共48页，编辑于2022年，星期五三、三、本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为本征半导体。为本征半导体。价价电电子子共共价价键键高纯半导体，纯度达高纯半导体，纯度达99.999999999（11个个9）第16页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载载流流子子，半半导导体体区区别别于于导导体体的的一一个个重重要特点。要特点。2、本征半导体的结构、本征半导体的结构共价键共价键由于热运动，

9、具有足够能量的价由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子由电子自由电子的产生使共价键中留有一自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴个空位置，称为空穴 本征激发：在室温或光照下价电子获得足够的能量摆脱共价健的束本征激发：在室温或光照下价电子获得足够的能量摆脱共价健的束缚成为自由电子，并在共价健中留下一个空位（空穴）的过程。缚成为自由电子，并在共价健中留下一个空位（空穴）的过程。第17页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4本本征征半半导导体体受受热热或或光光照照第18页，共48页，编辑于2022年，星期

10、五本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4第19页，共48页，编辑于2022年，星期五电子空穴电子空穴成对产生成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4第20页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4第21页，共48页，编辑于2022年，星期五电子空穴电子空穴复合，成复合，成对消失对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4第22页，共48页，编辑于2022年，星期五 一定温度下，电子空穴对的产生与复合达到平衡，使一定温度下，电子空穴对的产生与复合达到平衡，使自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热

11、运动加剧，挣自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，因此脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，因此半导体器件的特性对温度较为敏感。半导体器件的特性对温度较为敏感。在常温在常温(T=300K)下下,Ge:本征激发本征激发电子和空穴成对的出现电子和空穴成对的出现复合复合电子和空穴成对的消失电子和空穴成对的消失Si:第23页，共48页，编辑于2022年，星期五在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U第24页，共48页，编辑于2022年，星期五电电子子运运动动形形成成电电子子电电流流+4+4+4+4+4+4

12、+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下第25页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下第26页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下第27页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下第28页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下第29页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填价电子填补空穴而补空穴而使空

13、穴移使空穴移动，形成动，形成空穴电流空穴电流在在外外电电场场作作用用下下第30页，共48页，编辑于2022年，星期五(1)在半导体中有两种在半导体中有两种载流子载流子这就是半导体和金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别a.电阻率大电阻率大(2)本征半导体的特点本征半导体的特点b.导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大可见：可见：带正电的带正电的空穴空穴带负电的带负电的自由电子自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用第31页，共48页，编辑于2022年，星期五四、四、杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型

14、半导体P 型半导体型半导体 在在本征半导体本征半导体硅或锗中硅或锗中掺入微量掺入微量的其它的其它适当适当元素元素后后所形成的半导体所形成的半导体一、一、N 型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体第32页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷P P第33页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P第34页，共48页，编辑于2022年，星期五多出多出一个一个电子电子出现出现了一了一个正个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4

15、P P第35页，共48页，编辑于2022年，星期五+半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子第36页，共48页，编辑于2022年，星期五N型半导体型半导体磷（磷（P）：施主原子）：施主原子 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电度越高，导电性越强，实现导电性可控。性可控。自由电子：自由电子：多多数载流数载流子子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？空穴：空穴：少少数载流数载流子子掺杂浓度掺杂浓度 电子数电子数第37页，共4

16、8页，编辑于2022年，星期五c.电子是多数载流子，简称多子电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流空穴是少数载流 子，简称少子。子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或 电子型半导体。电子型半导体。f.因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b.N型半导体中型半导体中产生了大量的产生了大量的(自由）电子和正离子自由）电子和正离子。可见：可见：d.np nn=K(T)a.N型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质掺入少量五价杂质 元素形成的。元素形成的。第38页，共

17、48页，编辑于2022年，星期五在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。B B+4+4+4+4+4+4+4+4+4P 型半导体型半导体第39页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B第40页，共48页，编辑于2022年，星期五出出现现了了一一个个空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4第41页，共48页，编辑于2022年，星期五+4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴第42页，共48页，编辑于2022年，星期五-半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子第43页，共48页

18、，编辑于2022年，星期五P型半导体型半导体硼（硼（B）：受主原子）：受主原子空穴：多数载流子空穴：多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，性越强，在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？度的变化相同吗？自由电子：少数载流子自由电子：少数载流子掺杂浓度掺杂浓度 空穴数空穴数第44页，共48页，编辑于2022年，星期五c.空穴是多数载流子空穴是多数载流子

19、,电子是少数载流子。电子是少数载流子。e.因空穴带正电，称这种半导体为因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或 空穴型半导体。空穴型半导体。f.因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价掺入少量的三价 杂质元素形成的。杂质元素形成的。b.P型半导体型半导体产生大量的空穴和负离子产生大量的空穴和负离子。可见：可见：d.np nn=K(T)第45页，共48页，编辑于2022年，星期五杂质半导体的转型：杂质半导体的转型：当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转为型转为P型；型；当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转为型转为 N型；型；第46页，共48页，编辑于2022年，星期五P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型N型型半导体中正负电荷数相等，保持电中性。半导体中正负电荷数相等，保持电中性。第47页，共48页，编辑于2022年，星期五第48页，共48页，编辑于2022年，星期五