半导体及其特性
半导体材料有哪些特性和用途
半导体材料的特性和应用半导体材料是一类具有特定电学特性的材料，其在电导率方面介于导体和绝缘体之间。
半导体材料的电导率受温度、光照等外部条件影响较大，因此在实际应用中具有广泛的用途。
本文将介绍半导体材料的几种主要特性和应用。
特性1. 负导性半导体材料的电导率随温度升高而变化，且通常会随温度的上升而下降，这种负导性是半导体材料的典型特征之一。
2. 光电导性一些半导体材料在受到光照的作用下，电导率会发生变化，产生光电导性，这种特性被广泛应用在光敏元件中。
3. 半导体衍射在晶体结构中，半导体材料由于晶格结构的存在，会产生衍射现象，这种衍射特性对于半导体材料的物理性质研究具有重要意义。
4. 良好的热稳定性相比金属材料，半导体材料具有较好的热稳定性，能够在高温环境下稳定工作，这使得半导体材料在高温应用中得到广泛应用。
应用1. 电子器件半导体材料在电子器件中起着重要作用，例如半导体二极管、晶体管等，这些器件在通信、计算机等领域中得到广泛应用。
2. 光电器件半导体材料具有光电导性，因此在光电器件中得到应用，如太阳能电池、光电探测器等，利用半导体材料的光电性能实现能量转换和信号检测。
3. 激光器半导体材料在激光器件中扮演关键角色，激光二极管利用半导体材料的特性产生激光，广泛应用于通信、医疗等领域。
4. 光伏发电半导体材料的光电导性使其成为光伏发电的基础材料，利用光照能直接转化为电能，广泛应用于可再生能源领域。
结语半导体材料具有独特的特性和广泛的应用领域，其在电子、光电等领域发挥着重要作用。
随着科技的不断发展，半导体材料的研究和应用将会更加深入，并为人类创造出更多的科技奇迹。
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。
半导体基础知识
G
S 图 P 沟道结型场效应管结构图
S 符号
二、工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电
流 ID 的。
耗尽层
D 漏极
*在栅极和源极之间
加反向电压，耗尽层会变
栅极
G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
S 源极
宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。
e
e
图 三极管中的两个 PN 结
c
三极管内部结构要求：
N
b
PP
NN
1. 发射区高掺杂。
2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。
3. 集电结面积大。
e
三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。
三极管中载流子运动过程
c
Rc
IB
I / mA
60
40 死区 20 电压
0 0.4 0.8 U / V
正向特性
2. 反向特性 二极管加反向电压，反 向电流很小； 当电压超过零点几伏后， 反向电流不随电压增加而增
I / mA
–50 –25
0U / V
击穿 – 0.02 电压 U(BR) – 0.04
反向饱 和电流
大，即饱和；
反向特性
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
(完整版)半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。
C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。
无机化合物半导体：四元系等。
二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。
②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。
它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。
半导体材料有哪些特性及应用
半导体材料特性及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的电子结构和导电性质。
半导体材料具有多种独特的特性，使其在电子、光电子、光伏和光通信等领域有广泛的应用。
半导体材料的主要特性1. 能带结构：半导体材料的电子能隙较窄，介于导体和绝缘体之间，使其在一定条件下可导电。
2. 斯特克斯位：半导体材料中的离子实栅靠近导带边缘，使电子在能带中具有很大的有效质量，有利于电子迁移。
3. 自由载流子浓度调控：通过施加外电场或调控杂质，可以有效调控半导体中的自由载流子浓度，实现半导体材料的导电性能调节。
4. 温度特性：半导体材料的电导率和载流子浓度都会随温度的变化而变化，通常表现为负温度系数。
5. 光电效应：半导体材料对光具有敏感性，可以通过光照射产生电子空穴对，实现光电转换及光电控制。
半导体材料的应用电子领域应用•集成电路（IC）：半导体材料在微电子领域中广泛应用，作为IC芯片的基础材料，实现电子元器件、逻辑电路等功能。
•太阳能电池：半导体材料通过光电效应转化光能为电能，广泛应用于太阳能电池板制造。
光电子领域应用•激光器：利用半导体材料的光电效应和电子受激辐射特性，制作激光器用于光通信、医疗等领域。
•LED：利用半导体材料的电子激发辐射特性制造发光二极管，广泛应用于照明、显示等领域。
光伏领域应用•光伏电池：利用半导体材料的光电转换特性，制造光伏电池转化光能为电能，应用于太阳能发电系统。
光通信领域应用•光纤通信：利用半导体激光器和探测器构成的光通信系统，提供高速、远距离的光通信服务。
综上所述，半导体材料由于其特殊的电子结构和性质，在电子、光电子、光伏和光通信领域有着重要而广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体材料的应用前景将更为广阔。
半导体材料基础_基本特性
为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也
称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。k = k'+ hv
间接跃迁
c
若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，则任
何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽
度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
Eenx
=
1
2 r
m* m
13.6 n2 (eV )
iii) 杂质吸收
杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，占据杂质 能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收 称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： a.吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发 态或导带的跃迁； b.中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； c.电离受主到电离施主间的跃迁；
自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。
自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
v) 子带间的跃迁
电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。 在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同 于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律 。
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段）
半导体基础知识
现代电子学中，用的最多的半导 体是硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体。
2、半导体的导电特性
1）热敏性 与温度有关。温度升高，导电能力增强。 2）光敏性 与光照强弱有关。光照强，导电能力增强 3）掺杂性 加入适当杂质，导电能力显著增强。
图 二极管的结构示意图 (a)点接触型
(2) 面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
(c)平面型 图 二极管的结构示意图
2、分类
1）按材料分：硅管和锗管 2）按结构分：点接触和面接触 3）按用途分：检波、整流…… 4）按频率分：高频和低频
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩散运动 (浓度差产生)
阻挡多子扩散
2）内电场的形成及其作用{ 促进少子漂移 漂移运动
P型半导体
、所以扩散和 移这一对相反－ － － － － － 运动最终达到 衡，相当于两－ － － － － － 区之间没有电－ － － － － － 运动，空间电 区的厚度固定－ － － － － － 变。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
半导体的三个特性
反向特性
击穿特性
当反向电压增大到某一数值时，反向 电流急剧增大，称为二极管的击穿现 象。此时二极管失去单向导电性。
在反向电压作用下，随着电压的增大，反向 电流基本保持不变，称为反向饱和电流。反 向伏安特性曲线是一条近似水平的直线。
二极管主要参数及性能指标
最大整流电流IF
最高反向工作电压UR
指二极管长期连续工作时允许通过的最大 正向平均电流值。该值决定了二极管的功 耗和散热设计。
指二极管两端允许施加的最大反向电压。 若超过此值，则反向电流急剧增大，二极 管的单向导电性被破坏。
反向电流IR
最高工作频率fM
指在规定的反向电压下流过二极管的反向 电流。该值越小，说明二极管的单向导电 性越好。
指二极管能正常工作的最高频率。超过此 值时，由于结电容的作用，二极管的性能 将下降。
03
劣环境。
柔性电子器件
基于柔性基板的半导体器件， 可弯曲、折叠，适用于可穿戴
设备等领域。
生物半导体器件
利用生物材料与半导体技术结 合，制造具有生物兼容性的电
子器件。
未来发展趋势预测与挑战
发展趋势
随着人工智能、物联网等技术的快速发展，半导体器件将朝着更高性能、更低功耗、更小体积的方向 发展。同时，柔性电子、生物电子等新兴领域也将为半导体器件带来新的发展机遇。
半导体材料分类与特点
01
02
03
元素半导体
如硅（Si）、锗（Ge）等， 具有独特的 化铟（InP）等，具有优 异的电学、光学和热力学 性质。
有机半导体
如聚乙炔、聚苯胺等，具 有低成本、可弯曲和轻质 等优点。
半导体能带结构与载流子
能带结构
半导体的能带结构包括价带、导带和禁带。价带中的电子被束缚在原子周围， 导带中的电子可以自由移动，禁带则是价带和导带之间的能量间隔。
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半导体及其特性
顾名思义，所谓半导体，就是介于导体与绝缘体之间的一种材料，它的导电能力比导体差得多，而又比绝缘体要好得多。
硅、锗、砷化镓等，都是常用的半导体。
开始，人们对半导体及其优越性没有足够的认识，半导体材料并没有表现出多大的用处。
近几十年来，随着人们发现半导体具有的特殊性能，半导体才逐渐引起全世界的重视，对它的研究和应用发展极快。
现在，从日常生活到现代通讯设备，电子计算机、空间技术等，都离不开半导体。
半导体材料具有如下几个特性：
1．热敏性。
我们知道，温度是影响导体电阻的条件之一，但只有温度变化很大时，才有讨论的实际意义。
半导体材料的电阻随温度的升高而明显变小，有些半导体的温度只要变化百分之几摄氏度，都能观察到它的电阻变化。
我们将半导体材料的电阻对温度变化的敏感性称为半导体的热敏性。
根据半导体的热敏性，我们可以制作热敏电阻，在精密温度的测量、热敏自动控制方面有广泛的应用。
2．光敏性。
用光照射半导体材料时，它的电阻会明显减小，照射光越强，电阻就越小。
我们将半导体材料的电阻对光照反应的敏感性称为光敏性。
光敏性主要被用在自动控制上。
例如，利用光敏电阻加上控制电路，可以做到入夜时路灯自动通电，而太阳一出来，路灯又自动关闭，既方便生活又节省用电。
3．压敏性。
半导体材料受到压力的时候，电阻也会明显减小。
半导体的这种特性称为压敏性，它被广泛用于科学实验的压力测量和自动控制。