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1、半导体物理和器件的基础知识（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,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：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（YBaCu
2、O）：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：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,电阻与温度的关系,导体的电阻率随温度的升高而增大。,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。,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 利用半导体的这特性，可以制备各种传感器（sensor）。例如：光敏电阻、
3、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9N）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%9N14N,3、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
4、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
5、的两个电子，称为价电子。,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，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,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
6、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,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。,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。,（
7、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,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。,动画,形成空间电荷区,PN结的单向导电性示意图,1.PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，
8、PN结处于导通状态。,动画,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,（2）二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，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。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电
9、阻较大，反向电流很小。,3.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。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,（3）半导体二极管,基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,半导体pn结二极管的伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。
10、,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。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,半导体二极管的主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向工作峰值电压URWM,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UBR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。,3.反向峰值电流IRM,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，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流
11、较小，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。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IC，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。（2）固体价电子的共有化运动,1.固体能带的形成,1）电子共有化,固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。,电子受到周期性势场的作用。,（3）固体的能带结构,解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：,.电子的能量是量子化的;,.电子的运动
12、有隧道效应。,原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子。,原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是 共有化电子。,2）能带(energy band),量子力学计算表明，固体中若有N个原子，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,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,固体中的电子能级有什么特点？,能带的宽度记作E，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,一般规律：,1.越是外层电子，能带越宽，E越大。,2.点阵间距越小，能带越宽，E越大。,3.两个能带有可能重叠。,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0
13、,能带重叠示意图,3).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 某一能级上。,排布原则：,.服从泡里不相容原理（费米子）,.服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl，它最多能容纳 2(2+1)个电子。,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，能带最多能容纳(2+1)个电子。,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：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带,3空带（未排电子）亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、能带，最多容纳 6个电子。,例如，1、能带，最多容纳 2个电子。,(2+1),2.导体、半导体和绝缘体（conduct
14、or insulator）,它们的导电性能不同，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,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 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV?），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,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。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（E g 约0.12 eV?)。,绝缘体,半导体,绝缘体与半导
15、体的击穿,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。,绝缘体,半导体,导体,.半导体的导电机构,一.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,介绍两个概念：,1.电子导电半导体的载流子是电子,2.空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。,例.半导体 Cd S,这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),把电子抵消了。,电子和空穴总是成对出现的。,空带,满带,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。,满带上带正电的空穴向下跃迁也是形
16、成电流,这称为空穴导电。,在外电场作用下,解,上例中,半导体 Cd S激发电子,光波的波长最大多长？,为什么半导体的电阻 随温度升高而降低？,4 杂质半导体,)n型半导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。,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,ED10-2eV，极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,)型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成
17、空穴型半导体，称 p 型半导体。,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，ED10-2eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,3)n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。,4)型化合物半导体,例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。,5)杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：
18、,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，可以制成P-结。,7、-结的形成、性能和应用,一.-结的形成,在一块 n 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，区的空穴向区扩散，在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。,P-N结处存在电势差Uo。,也阻止 N区带负电的电子进一步向P区扩散。,它阻止 P区带正电的空穴进一
19、步向N区扩散；,考虑到P-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附加势能。,电子的能带出现弯曲现象。,二.-结的单向导电性（性能）,.正向偏压,在-结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（m级）。,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。,.反向偏压,在-结的型区接电源负极,叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大
20、-反向击穿。,称为漏电流（级）。,三、P-N结的应用 可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管（diode）。,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。,后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。,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，很快成为第二代电子器件。,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,下图为INMOS T900 微处理器:,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。,4、半导体材料的表征,纯度：光谱纯（太阳能级）6N（1
21、ppma）以上;电子纯（半导体纯）9N（1ppba）以上。能带参数：禁带宽度Eg；跃迁类型（直接、间接）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 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)几何参数：直径（英寸），厚度（毫米）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：
22、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,类别：二元化合物半导体：由两种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。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：IVIV族元素化合物半导体：碳化硅（SiC）锗硅（Ge1xSix）；III-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；II-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；IV-VI族元素化合物
23、半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）,化合物(compound)半导体材料,化合物(compound)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
24、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(compound)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
25、、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！,
