半导体基础知识(实验)

半导体基础知识1.什么是半导体？如果将物质按电流流过的难易程度分类，就可分为导体、半导体和绝缘体。

当物体两端加上电压后，能够使电流动的物质叫导体；不能流动的物质叫绝缘体；能够进行流动、不流动控制的物质就叫做半导体。

半导体有时仅加电压不产生电流，但是在加电压的状态下同时加热或者有光照，就会有电流流动。

这种不同的电学性质来源于物质能带结构上的不同。

通常用电导率表示物质中电流动的难易程度，这是物质固有的物理量。

电导率的单位是S/m或者1/(Ω⋅ m)。

S读作西门子，S与Ω互为倒数的关系。

S可以用电压的单位V和电流的单位A表示为S=A/V。

室温下的电导率，对于导体来说大约在105S/m以上，对于半导体来说大约在105～10-10S/m范围之间，而绝缘体一般在10-10S/m以下。

金属是典型的导体，也可以用电流流动的难易程度来表示物质的电学性质，即用电导率的倒数---电阻率进行描述。

半导体与金属一样能使电流动，不过一个重要的不同之处在于其电导率（或者电阻率）对温度的依赖关系不同。

当温度升高时，金属的电阻变大，电流减少；而半导体的电阻变小，电流增大。

导体半导体2.半导体中的载流子半导体的性质为什么不同于导体或绝缘体呢？这是因为载流子的数量不同。

载流子的数量决定了物质的电导率和热导率。

如果载流子数量大，电导率就高。

那么，载流子的数量又是由什么决定呢？这就是物质的能带结构（见PPT课件）。

载流子时电荷的载体（电荷的输运者），也就是能够移动的电荷粒子，电荷粒子的移动可以产生电流，电子、正离子、负离子等都是载流子。

具有无数载流子的物质是导体，几乎没有载流子的物质是绝缘体，可以改变载流子数量的物质是半导体。

在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴都是载流子。

所谓空穴，就是价带中由于电子的确实而留下来的空位。

实际上，在电场力的作用下，价带中的电子也在移动着，这可以看作是正的电荷粒子在移动，空穴的命名就源于此。

所谓电场，就是当存在电荷时，周围空间的电分布发生形变的状态，通常用矢量表示这种形变的程度。

电场的大小就是电场的强弱，它表示对静止的单位电荷的作用力。

3.半导体的能带结构能带用来表征原子的状态。

什么事原子的电子状态？我们以Si原子为例来说明。

Si原子是具有14个正电荷的原子核以及在以原子核为中心的圆形轨道上运动的14个电子构成的，14就是硅的原子序数。

电子的轨道由原子决定，距离原子核远的轨道电位能高。

一个电子轨道对应一种能量值（能级）。

当原子处于鼓励状态时，能级可以用一根线表示；当原子相互靠近以集团状态存在是，能级就变成其数量与原子数相同的一束线；当原子处于结晶状态的晶体中时，能级就变成了带状。

由大量能级密集形成的带就叫做能带。

能带中电子按能量从低到高的顺序一次占据能级。

在存在电子的能带中，能量最高的带叫做价带，价带之上空着的能带叫做导带。

价带与导带之间不存在能级的能量范围就叫做禁带。

禁带的能量宽度就叫做带隙。

前面曾经提到过半导体与金属在电导率与温度的依赖关系方面有所不同，在导体中，无数个脱离原子束缚的自由电子成为载流子。

但是构成晶格的原子不断地作热振动，这种热振动妨碍电子的顺畅移动。

虽然载流子数量很多，但是由于道路不畅通（晶格原子的热振动相当于道路的凹凸不平），限制了输运的电荷量。

当温度上升时，晶格原子的热振动更加激烈，使得电子的移动更加缓慢，输运的电荷量更少，所以当温度上升时，导体的电阻值变大。

在半导体中，从价带跃迁到导带的电子以及价带中生成的空穴都是载流子。

由于带隙窄，所以价带中的一部分电子在常温下只要有较高的热运动能量就能够跃迁到导带。

但是跃迁到导带的电子数目少，载流子数量并不多，晶格原子的热振动影响不大，也就是说，道路是畅通的。

由于载流子数量少，所以输运的电荷量受到限制。

当温度上升时，由于能够从价带跃迁到导带的电子数量增多，载流子数量增多了，输运的电荷量也就增加了，所以半导体的电阻值随着温度的上升而变小。

当光照射到半导体上时，半导体的状态也会发生变化，载流子的数量大量增加，导致流过大电流，这是由于光能比热能大得多。

波长为1000nm的红外线的光子能量由1.24eV，比硅的1.12eV带隙还要大。

4.半导体的分类由于半导体的带隙窄，传导性很容易发生大的变化，这是半导体具有的非凡的能力之源。

但是，如果不能控制传导性，也是无用的。

而有效地控制方法就是向半导体中掺入微量的替位型杂质。

以共价键晶体硅为例，靶不含杂质的纯粹半导体物质叫做本证半导体（I型半导体）。

一个晶格原子具有4个价电子。

现在给这种本证半导体添加杂质。

添加的杂质有两种，即施主和受主。

施主杂质比晶格原子多1个价电子，即有5个价电子；受主杂质比晶格原子少1个价电子，即有3个价电子，把掺入这些杂质的半导体叫做杂质半导体（掺杂半导体）。

掺入施主杂质产生剩余共价键电子的杂质半导体叫做N性半导体；掺入受主杂质导致共价键电子不足的杂质半导体叫做P型半导体。

N型半导体与P型半导体有什么不同？在本证半导体中掺入杂质后，在禁带中就产生了能够接纳电子的能级，它叫杂质能级。

施主杂质产生的叫做施主能级，受主杂质产生的叫做受主能级。

施主能级位于靠近导带底部的下方，不能参与晶格原子共价键的施主电子很容易被激发到导带，成为自由电子。

自由电子的数量随着施主的惨杂量而增加，因而比空穴数目多，这是的自由电子就叫做多数载流子。

受主能级位于靠近价带顶部的上方，由于价带中的电子与受主复合使价带中产生了空穴。

空穴的数量随着受主的惨杂粮而增加，因而多于自由电子，这是的空穴就叫做多数载流子。

多数载流子的数量愈多，其导电能力愈强。

用费米能级表征和区分各种N 性和P 型导电类型。

费米能级就是电子占据几率为1/2的能级，费米能级具有如下性质：（1）在绝对零度，费米能级以上的能级不存在电子，而费米能级以下的能级全部被电子填满；（2）在本征半导体中，费米能级基本上处于禁带中央；在P 型半导体中，靠近价带顶部；在N 型半导体中，靠近导带底部。

（3）当任一系统处于热平衡状态时，系统中各处的费米能级时相等的。

还有，费米能级与真空能级之差就是功函数。

真空能级是表示电子能量的基准，是电子完全处于自由状态时的能量值。

5. 半导体的电导率σ与温度的关系半导体电导率随温度的变化关系如图1中)/1(~ln T σ曲线所示，这里可分为三个区域：（1） 杂质部分电离的低温区。

在这区域内不仅由于杂质电离产生的载流子随温度升高而增加，而且迁移率在低温下主要取决于杂质散射，它也随温度升高而增加。

因此，在这温度区域内电导率σ随着温度的升高而增加。

（2） 杂质电离饱和的温度区。

在这区域内杂质已全部电离，但本征激发尚不明显，所以载流子浓度基本上不变，这时，P 型半导体中空穴浓度p 、电离杂质浓度p s 与受主杂质浓度N A 相等，即A s N P P ==。

这时晶格散射起主要作用，迁移率μ随温度升高而下降，导致电导率σ随温度升高而下降。

在300K 温度下，P 型硅的电导率取决于晶格散射的空穴迁移率)/(480)(2300s V cm LP ⋅=μ，通过电导率的测量可以求得受主杂质浓度N A 和p s 。

在杂质电离饱和区内其他温度的漂移迁移率T LP )(μ与300)(LP μ有下列关系：300300)()(σσμμT LP T LP = 因此，通过杂质电离饱和区的电导率随温度的变化曲线，可以求得LP μ随温度的变化。

作T LP ln ln -μ图，可以更清楚地看出晶格散射迁移率μ与温度成x LP AT -=μ的关系。

（3）产生本证激发的高温区。

一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子（同时产生出一个空穴），这就是本征激发。

这是一种热学本征激发，所需要的平均能量就是禁带宽度。

本征激发还有其它一些形式。

如果是光照使得价电子获得足够的能量、挣脱共价键而成为自由电子，这是光学本征激发（竖直跃迁）；这种本征激发所需 要的平均能量要大于热学本征激发的能量——禁带宽度。

如果是电场加速作用使得价电子受到高能量电子的碰撞、发生电离而成为自由电子，这是碰撞电离本征激发；这种本征激发所需要的平均能量大约为禁带宽度的1.5倍。

在本征激发区域中，由于本征激发产生的载流子随温度上升而急剧地增加，是电导率增加的这一因素远超过迁移率μ随温度升高而下降的作用，因而电导率随温度的上升急剧增大。

根据电中性条件，空穴浓度n P n N P S A +=+=电子密度n 和空穴密度P 分别满足关系)1/()()1/()(+-=++=b p q n b bp q p s LP s LP μσμσ 其中，LPLn b μμ=，根据Morin 的结果，Ln μ和LP μ与温度具有以下关系 )./(105.2)./(100.423.2826.29s V cm T s V cm T LP Ln --⨯=⨯=μμ A s N P =，本实验中参考值为12104⨯=A N 。

禁带宽度为)/exp()/exp(33KT E ATn p KT E AT n p g g -=⋅-=⋅ 两边取对数T K E KT E npT g g1)ln(3⋅-=-=- 作出)1()ln(3T npT --关系曲线，用最小二乘法可以确定斜率)(KE g ，即可求出禁带宽度。