半导体的导电性能(1)
半导体的特性
半导体的特性
半导体主要有以下特性。
1、半导体：导电能力随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化,人们把这一类物质称为半导体。
2、载流子：半导体中存在的两种携带电荷参与导电的“粒子”。
自由电子：带负电荷。
空穴:带正电荷。
特性:在外电场的作用下,两种载流子都可以做定向移动,形成电流。
3、电子技术的核心是半导体半导体之所以得到广泛的应用，是因为人们发现半导体有一下的三个特性。
(1)掺杂性:在纯净的半导体中掺入及其微量的杂质元素,则它的导电能力将大大增强。
(2)热敏性:温度升高,将使半导体的导电能力打发增强。
（3)光敏性：对半导体施加光线照射时，光照越强，导电能力越强。
3.P型半导体和N型半导体(重点)N型半导体:主要靠电子导电的半导体。
即:电子是多数载流子,空穴是少数载流子。
P型半导体:主要靠空穴导电的半导体。
即:空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
PN结:经过特殊的工艺加工,将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起,则在两种半导体的交界面就会出现一
个特殊的接触面，称为PN 结。
半导体材料的导电性
空穴 (b) 偏压情况下
因此有：
Ei q
微电子电路基础
半导体材料的导电性 17
载流子漂移
在导带的电子移动至右边，而动能则相当于其于能带边缘 （如对电子而言为EC）的距离，当一个电子经历一次碰撞，它 将损失部分甚至所有的动能（损失的动能散至晶格中）而掉回 热平衡时的位置。在电子失去一些或全部动能后，它又将开始 向右移动且相同的过程将重复许多次，空穴的传导亦可想象为 类似的方式，不过两者方向相反。 E
q n n p p
所以，电阻率亦为
1
1 q (n n p p )
微电子电路基础
.
苏州科技学院电子与信息工程系
半导体材料的导电性 20
载流子漂移
一般来说，非本征半导体中，由于两种载流子浓度有好几 次方的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的。 如对n型半导体而言，可简化为（因为n>>p）
qE dEc dx
I E N型 电子 V
由于导带底部EC 相当于电子 的电势能，对电势能梯度而 言，可用与EC 平行的本征费 米能级Ei的梯度来代替，即
E 1 dEc q dx 1 dEi q dx
qV
EC EF Ei EV
引入静电势，其负梯度等于 电场 ，即
E d dx
I N型 电子 V
在外加电场的影响下， 载流子的运输会产生电流， 称为漂移电流（drift current）
qV
EC EF Ei EV
空穴 (b) 偏压情况下
苏州科技学院电子与信息工程系
微电子电路基础
半导体材料的导电性 18
载流子漂移
半导体的特性
一、本征半导体的导电特性1.导体、绝缘体和半导体自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。
如金、银、铜、铝、铁等金属材料很容易导电，我们称它们为导休。
导体的电阻率小于10-6cm。
如陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质很难导电，我们称它们为绝缘体。
绝缘体的电阻率大于108cm。
有一类物质，如硅、锗、硒、硼及其一部分化合物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称之为半导体。
半导体的电阻率在10-6～108之间。
众所周知，导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，它们都是很好的电工材料。
我们用导体制成电线，用绝缘体来防止电的浪费和保障安全。
而半导体却在很长时间被人们所不齿，因为它的导电性能不好，绝缘性能又差。
然而它的不公正待遇随着人们对它所产生的愈来愈浓厚的兴趣消失了，它终于登上了大雅之堂！这是为什么呢？这是因为它具有一些可以被人们所利用的奇妙特性。
半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体。
在什么情况下呢？①掺杂：在纯净的半导体中适当地掺入极微量（百万分之一）的杂质，就可以引起其导电能力成百万倍的增加。
②温度：当温度稍有变化，半导体的导电能力就会有显著变化。
如温度稍有增高，半导体的电阻率就会显著减小。
同理光照也会影响半导体的导电能力。
2.本征半导体的原子结构本征半导体——非常纯净且原子排列整齐的半导体。
（纯度约为99.999999999%。
即杂质含量为10的9次方分之一。
）硅原子一14个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在三层电子轨道上。
锗原子一32个带负电的电子围绕带正电的原子核运动，并按一定的规律分布在四层电子轨道上。
由于原子核带正电与电子电量相等，正常情况下原子呈中性。
由于内层电子受核的束缚较大，很少有离开运动轨道的可能。
所以它们和原子核一起组成惯性核。
外层电子受原子核的束缚较小。
叫做价电子。
硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素，其简化图见电子课件。
半导体的特性
半导体的特性
半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间的电导性能的材料。
其特
性包括：
1. 导电性：半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能。
在绝缘
体中，电子无法自由移动，而在导体中，电子可以自由移动。
半导体
的特点是在常温下，其导电性由掺杂与温度控制。
2. 能带结构：半导体的原子排列形成了能带结构，其中包含导带和
价带。
绝缘体的导带与价带之间的能隙非常大，而导体几乎没有能隙。
半导体的能隙介于导体和绝缘体之间，通常为1-3电子伏特。
3. 温度对导电性的影响：与导体不同，半导体的电导性能与温度密
切相关。
随着温度的升高，半导体的电导性能也会增加。
4. 掺杂：通过在半导体晶体中掺入少量的杂质，可以显著地改变其
导电性质。
杂质的掺杂可以分为N型和P型。
N型掺杂引入一个附加
的自由电子，而P型掺杂引入一个附加的空穴。
5. PN结：将N型和P型的半导体材料接触在一起形成PN结。
PN
结具有整流作用，即在正向偏置时，电流可以流动，而在反向偏置时，电流被阻塞。
6. 半导体器件：半导体的特性使其成为制造各种电子器件的理想材料，如二极管、晶体管、场效应管和集成电路等。
总的来说，半导体的特性使其成为现代电子技术的基础，广泛应用于计算机、通信、光电等领域。
半导体的基本特征
半导体的基本特征
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特征。
以下是半导体的基本特征：
1. 导电性能：半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半
导体中，电子和空穴数量相等，因此电导率很低。
但是，通过掺杂或
施加电场等方法，可以增加半导体的导电性能。
2. 能带结构：半导体的能带结构是其特征之一。
半导体的能带结构由
价带和导带组成。
在纯净的半导体中，价带和导带之间存在能隙，电
子必须获得足够的能量才能跃迁到导带中。
3. 温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化。
在低温下，半导
体的电导率很低，但随着温度的升高，电导率会增加。
这是因为温度
升高会增加电子和空穴的数量，从而增加半导体的导电性能。
4. 光电特性：半导体具有光电效应，即当光照射到半导体上时，会产
生电子和空穴。
这种现象被广泛应用于太阳能电池和光电器件等领域。
5. PN结：PN结是半导体器件的基础。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，具有整流和放大等功能。
6. 控制特性：半导体的电性能受到外部电场的控制。
通过施加电场，可以控制半导体中电子和空穴的数量和移动方向，从而实现对半导体器件的控制。
总之，半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，能带结构、温度特性、光电特性、PN结、控制特性等特征。
这些特征使得半导体在电子器件、光电器件、太阳能电池等领域得到广泛应用。
6-1 半导体的导电特性
6-1 半导体二极管半导体元器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。
半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。
6-1-1 半导体的导电特性1. 半导体的导电机理导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。
绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。
（1）本征半导体及特点半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在本征半导体中加入微量的杂质（不同的本征半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。
（2）半导体的共价键结构1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。
硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。
2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。
本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。
由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。
物质的导电是靠物体内带电粒子的移动而实现的，这种粒子称作载流子。
半导体材料的导电性能研究
半导体材料的导电性能研究半导体材料在现代科技中扮演着重要的角色。
由于其特殊的电学性质，它们被广泛应用于电子器件、光电子学、光伏发电等领域。
而这些应用的关键，就是对半导体材料导电性能的深入研究。
本文将探讨半导体材料导电性能研究的方法、原理以及未来发展前景。
一、导电性能的表征方法研究半导体材料的导电性能，需要先对其进行表征。
最常见的表征方法是电导率测量。
通过电导率的测量，可以得到半导体材料的导电特性，包括导电型态（n型或p型）、电子迁移率等。
此外，还可以通过霍尔效应测量来确定导电性能和载流子浓度之间的关系。
二、研究方法与原理1. 电学方法电学方法是研究半导体材料导电性能的主要手段之一。
例如，通过四探针测量方法可以得到材料的电阻率和导电率。
该方法通过四个电极接触样品，测量样品的电阻，从而推导出导电率。
此外，也可以使用交流电学方法，如交流阻抗谱分析等，来研究材料的导电行为。
2. 光学方法光学方法是研究半导体材料导电性能的另一种常用方法。
例如，光电导测量可以通过照射样品并测量导电率来研究材料的导电特性。
光电导测量基于光生载流子的产生和达到平衡的过程。
通过分析载流子的迁移和复合行为，可以得到材料的导电行为。
3. 微观结构表征半导体材料导电性能的研究还需要对其微观结构进行表征。
例如，透射电子显微镜（TEM）可以观察到材料的晶体结构和晶界，从而确定材料导电性能的微观机制。
扫描电子显微镜（SEM）则可以提供材料的表面形貌信息，有助于进一步理解导电性能与表面形貌之间的关系。
三、半导体材料导电性能的调控探究半导体材料导电性能的研究不仅用于理论深入，还可应对实际需要进行导电性能的调控。
例如，通过控制半导体材料的掺杂浓度和掺杂类型，可以调节材料的导电特性。
此外，通过改变材料的形貌、结构、界面等，也可以改善或控制材料的导电行为。
四、未来的发展前景随着科技的不断发展，对半导体材料导电性能的研究也在不断深入。
未来，可以预见以下几个方面的发展：1. 材料设计与合成：通过计算机模拟和材料合成技术，可以设计和制备具有特定导电性能的新材料，满足不同应用领域的需求。
半导体的导电性
通过升高温度，使半导体材料内部的缺陷和杂质激活，从而改变其导电性能。
退火工艺
将半导体材料加热到一定温度并保持一段时间，然后缓慢冷却。这种方法可以消 除材料内部的应力，并提高其导电性能。
外加电场与磁场的影响
外加电场
通过外加电场，可以改变半导体材料内部的载流子分布和运动状态，从而影响其导电性能。
测量方法
电导率的测量通常采用四 探针法，通过四个接触材 料表面的探针来直接测量 电流和电压。
应用
电导率的测量可用于研究 半导体材料的晶体结构、 缺陷和掺杂等微观性质。
电极化率的测量
概述
电极化率是衡量半导体材 料在电场作用下极化程度 的重要参数，它与材料的 介电常数密切相关。
测量方法
电极化率的测量通常采用 电容法，通过在材料两端 施加交变电场并测量电容 的变化来计算电极化率。
载流子的产生与复合
载流子的产生
半导体材料中的原子或分子受到外部能量的激发，会释放出电子和空穴。
载流子的复合
电子和空穴在运动过程中，可能会重新结合在一起，从而消失。这种过程称为 载流子的复合。
03
半导体材料的导电性测量与表征
电导率的测量
01
02
03
概述
电导率是衡量半导体材料 导电性能的重要参数，它 反映了材料中载流子的迁 移率。
日期:
半导体的导电性
汇报人：
目 录
• 半导体导电性概述 • 半导体材料的导电原理 • 半导体材料的导电性测量与表征 • 半导体材料的导电性调控 • 半导体导电性的应用
01
半导体导电性概述
半导体材料定义
• 半导体材料定义：半导体材料是一种在导电性能上处于绝缘体 和导体之间的材料，具有独特的电子和空穴导电性。它们通常 在一定的温度和光照条件下，能显著提高其导电性。
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)
p0
Nv exp(
Ev EF k0T
)
n0 p0
NcNv exp(
Eg k0T
)
一定的半导体材料，一定的温度下， n0p0一定， 适用于本征半导体、杂质半导体。
本征半导体：n0=p0
EF
EC
EV 2
导带
EC EF
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
本征半导体电子空穴成对出现，电子、空穴浓度相 等，它们的浓度称本征载流子浓度ni
2021/3/6
天津理工大学
导带中的电子数：n ETop g(E) fB(E)dE EC
导带中的电子浓度：
n0
n V
2(
2mn*
k
0T
)
3 2
exp(
h2
EC EF k0T
)
=Nc T 3/ 2
n0
Nc exp(
EC EF k0T
)
Nc： 导带的有效状态密度，可以理解为把导带中的所 有状态都集中在导带底，它的状态密度认为是Nc。
(4)过渡区： 温度升高，施主杂质完全电离，同时本征激发不可忽视
2021/3/6
n0=ND+p0
EF
Ei sh 1 ln( N D ) 2ni
EC 导 带
EF Ei
Ev 价 带
本征半导体 ni=n0=p0
天津理工大学
(5)高温本征激发区 温度升高，本征激发的载流子数远大于施主杂质电离的
n0 》ND p0 》ND n0=p0
EC ED Eg
价带
EV
导带
EC
受主能级
价带
Eg EA
EV
n型半导体
p型半导体
电子（空穴）被正电核（负电核）吸引，要真正电离 进入导带，需克服正电核所施的束缚能——电离能
2021/3/6
天津理工大学
电子占据杂质能级的几率是否服从费米分布函数？
f
(E)
1
1 exp( E
EF
)
k0T
回答：不能，能带的能级能容纳自旋方向相反的两个电子 施主能级所束缚的电子是任一自旋方向（半导体物理）
n0=p0 σ= n0qμn+ n0qμp=n0q(μn+μp)
μn——电子迁移率 μp——空穴迁移率
2021/3/6
天津理工大学
对于导带：温度T时，导带内会有多少电子
n ETop g(E) f (E)dE EC
n 导带中的电子数
g(E)
单位能量内的量子态数 （状态密度）
f (E) 温度T时 ，能量为E的量子态
(1) 导带中，所有量子态被电子占据的几率f(E)《 1
(2) 随着E增加，fB(E)下降，所以导带中的电子分布在导带底附近
1 f (E) exp( E EF ) k0T
价带顶附近： EF- E》k0T ——空穴服从波尔兹曼分布
(1) 价带中，所有量子态被空穴占据的几率1-f(E)《 1
(2) 随着E增加，1-f(E)增加，所以价带中的空穴分布在价带顶附近
2021/3/6
天津理工大学
（3）掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数 决定，半导体导电的载流子主要是电子。
导带
施主能级
EC
ED Eg
价带
EV
2021/3/6
天津理工大学
N型半导体特征： (1) 从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主 能级激发到导带的电子数项小得多，可忽略。 电子——多数载流子 空穴——少数载流子 (2) n 》p σ= nqμn
2021/3/6
p 型半导体
天津理工大学
（1）四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂 质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）。在掺杂原子周围，就缺 一个电子，可以看作微弱结合的空穴。
Si Si
Si Si
Si
+
B
Si
Si
（2）量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁 带中紧靠价带处，很容易接受从价带激发来的电子，从 而在价带留下一个空穴，产生空穴导电。这种杂质称受 2主021/杂3/6 质，该能级称为受主能级，EA。
面心立方
2021/3/6
硅晶体的空间排列
共价键结构平面示意图
共价键性质
天津理工大学
共价键上的两个电子同时受两个原子的约束，如果没有 足够的能量，不易脱离轨道，没有自由电子，不导电。
当温度升高或受到光的照射时，有些电子获得足够的能 量，从价带跃迁到导带，成为导带的自由电子，同时价带 出现等数量的空穴，这种激发为本征激发，载流子主要来 源于本征激发的半导体成为本征半导体。
天津理工大学
2.1.4 半导体材料导电特性
一 半导体中的载流子 二 本征半导体 三 非本征半导体 四 半导体中载流子的运动 五 半导体的电学性质
2021/3/6
一 半导体中的载流子
自由电子
导带
h
天津理工大学
Eg
空穴
价带
半导体中电子和空穴总是成对出现的
2021/3/6
在外电场作用下
导带的自由电子在电场力的作 用下会产生定向运动，形成电 流，这称为电子导电。
k0T
天津理工大学
电子费米分布函数
温度T时 ，能量为E的量子态被 一个电子占据的几率
1 f (E)
1
1 exp( EF E )
k0T
空穴费米分布函数
温度T时 ，能量为E的量子态不被 一个
电子占据的几率，（被空占据的几率）
如果： EC-EF 》k0T
f (E) exp(
EF E ) k0T
A exp( E ) k0T
2021/3/6
天津理工大学
N型半导体不同温度下载流子的浓度变化
(1)低温弱电离区： 温度较低，本征激发几乎不发生，少量施主杂质发生电离
nD+ 《 ND
少量电子进入导带 n0=nD+
n0
( NcN D 2
)1/ 2
exp(
ED 2k0T
)
2021/3/6
ED EC ED 施主杂质的电离能
n0
(T )3/ 4
exp(
ED 2k0T
)
T↑,n0 指数增加
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低温弱电离区费米能级表达式：
EF
Ec ED 2
k0T 2
ln( N D ) 2NC
Nc T 3/ 2
T ↑,
EF 复杂, ND>2NC，
EF
Ec ED 2
ND ↑， EF ↑
EECF 导 带
ED Ei
2021/3/6
n型半导体电子占据施主能级的几率：
1 fD(E) 1 1 exp( ED EF )
2
k0T
P型半导体空穴占据受主能级的几率：
2021/3/6
fA( E )
1
1
1 exp( EF
EA
)
2
k0T
天津理工大学
引入： ND——施主杂质浓度 NA——受主杂质浓度
(1)施主能级的电子浓度nD——没有电离的施主浓度 nD = ND fD(E)
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 穴向下跃迁也是形成电流, 这称为空穴导电。
2021/3/6
天津理工大学
导带 Eg
价带
天津理工大学
半导体的导电
导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果
载流子：电荷的定向移动形成电流，电荷的 自由粒子称为载流子。
自由电子 — 带负电 半导体中有两种导电的载流子
EF
EC
EV 2
EC 导 带
EF Ei
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
非本征半导体（n型）
n
0
ni (n0 p0 )1/ 2
NcNv
exp(
Eg
)
2k0T
本 征
区耗 尽 区
非 本
n0
( NcN D 2
)1/ 2
exp(
ED 2k0T
)
征
区
1/T
低温区： n0=nD+, 相同温度下，非本征半导体电子浓度
天津理工大学
（3）掺受主的半导体的空穴数主要有受主数决定， 半导体导电的载流子主要是空穴。
导带
EC
p型半导体中
空穴……多数载流子 电子……少数载流子
p 》n σ= pqμp
受主能级
价带
Eg EA
EV
2021/3/6
1.什么是传统机械按键设计？
天津理工大学
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
Ev 价 带
Ei
EC EV 2
天津理工大学
(2)中间电离区：
n0=nD+
EF
Ec ED 2
k0T ln( N D ) 2 2NC
T ↑, ND<NC， ND ↑， EF ↑
EF
Ec ED 2
EECF 导 带
ED Ei
Ev 价 带
2021/3/6
天津理工大学
(3)强电离区： 温度升高，大部分施主杂质发生电离
(2)受主能级的空穴浓度pA——没有电离的受主浓度 pA = NA fA(E)
(3) 电离施主浓度——进入导带中的电子 nD+ =ND -nD
(4) 电离受主浓度 pA- = NA- pA
2021/3/6
天津理工大学
nD = ND fD(E)
1
fD(E) 1 1 exp( ED EF )