半导体的导电性
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。
半导体的导电性能
3/ 2
m m
* e
* 3/ 4 h
exp g 2k BT
载流子的浓度主要由g/kBT确定 ne随g增大而减小：g(Si)>g(Ge)， ne(Si)<ne(Ge)
ne随T升高而增大
Ge和Si的本征电子浓度随温度的变化（Charles Kittel Introduction to Solic State Physics, P133） 本征半导体中，空穴浓度=电子浓度
m k T ne 2 2 2
* e B
3/ 2
exp C k BT
exp V k BT
不涉及费 米能级
m k T nh 2 2 2
* h B
3/ 2
k BT * * 3/ 2 ne nh 4 mm g k BT exp 2 e h 2
对导带底的电子
2 * 2 me
C K 2m C 2 2 2
3/ 2
C
1/ 2
对价带顶的空穴
2
2
* h
V K V 2m K
1 2m V 2 2 2
* * m m 对导带底，载流子为晶体电子： e
C K C
2 * 2 me
K
2
* m
* 对价带顶，载流子为空穴： mh
V K V
2 * 2 mh
空导带
K
2
禁带
g
满价带
半导体的导电性
当前研究的不足与挑战
半导体导电性的调控机制尚不完全清楚，需要进一步深入研究。
一些高性能的半导体材料和器件仍然依赖进口，需要加强自主创新和知识产权保护。
半导体产业的发展面临着技术、环境、资金等多方面的挑战，需要积极应对。
发展智能制造和绿色制造，提高半导体产业的核心竞争力。
加强基础研究和应用研究，推动半导体材料和器件的创新发展。
实现半导体材料和器件的全链条自主可控，保障国家安全和产业安全。
未来发展的趋势与展望
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影响因素
迁移率与材料的晶体结构、杂质和温度等因素有关。
迁移率
载流子密度是衡量半导体材料中载流子数量的参数，定义为材料的电阻率与电阻率的乘积，即n=ρσ，其中ρ为电阻率。
定义
载流子密度与材料的纯度、晶体结构和掺杂等因素有关。
影响因素
载流子密度
03
半导体导电性的测量与实验技术
四探针电阻测量技术是一种非接触式测量方法，通过施加电流和测量电压来计算电阻率。
温度依赖Hall效应
通过测量不同温度下半导体内部的霍尔电压，研究温度对载流子浓度和迁移率的影响。
Hall效应测量
深能级瞬态谱技术
利用光脉冲激发半导体中的电子，并测量电子在各个时间点的分布情况，从而了解半导体中的缺陷、杂质等特性。
时间分辨深能级瞬态谱技术
通过使用超快激光脉冲，对半导体内部电子的动态行为进行高时间分辨率的测量，研究电子在半导体中的输运过程。
半导体导电性的基本概念
半导体导电主要通过自由电子和空穴两种载流子实现。
在半导体内部，自由电子和空穴的数量受温度、光照等因素影响。
当加电压时，自由电子和空穴的数量增加，从而导致电流增加。
半导体的导电特性
半导体
本征半导体 杂质半导体
P型半导体(空穴型） N型半导体（电子型）
常用半导体材料硅和锗的原子结构
价电子：最外层的电子受原子核的束缚最 小，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素， 半导体材料硅和锗都是四价元素。
Si+14 2 8 4
Ge+32 2 8 18 4
2. 半导体的内部结构及导电方式：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
(1) 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层 的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的 电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。
图 01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧 面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散 到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形 成正向电流。刚扩散 过来的电子就堆积在P 区内紧靠PN结的附近， 形成一定的多子浓度 梯度。
vi
RL vo
vo
t
例3：设二极管的导通电压忽略，已知
vi=10sinwt(V)，E=5V，画vo的波形。
vi 10v
5v
R
t
D
vo
vi
E
vo
5v
t
例4：电路如下图，已知v=10sin(t)(V)，
E=5V，试画出vo的波形
vi
解：
t
vD
t
例5：VA=3V, VB=0V，求VF (二极管的导 通电压忽略)
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示
V
I IS (e VT 1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降 ，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数 ，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有VT=26 mV。
半导体的导电性
第四章半导体的导电性本章主要内容载流子在外加电场作用下的漂移运动半导体的迁移率、电导率和电阻率随温度和杂质浓度的变化规律迁移率的本质-----散射4.1 载流子的漂移运动迁移率1、欧姆定律对于金属，电流I = V(电压）/R（电阻）V-I关系是直线对于半导体，流过不同截面的电流强度不一定相同，“即电流分布不均匀，而欧姆定律不能说明材料内部各处电流的分布情况。
电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流J = ∆I/∆S单位：A/cm2或A/m2欧姆定律微分形式：上式把通过导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强度直接联系了起来。
S故: 半导体导电= 电子导电J = Jn + Jp = (nqu平均自由程：载流子在连续两次散射间自由运动的平均路程平均自由时间：载流子通过平均自由程所需的平均时间τ电场：载流子加速---定向运动；散射：载流子运动方向改变---杂乱无章，各个方向；半导体的主要散射机构：离化杂质散射晶格散射中性杂质散射位错散射(P为散射几率)起因：常温下，浅施主带正电• 双曲线，电离杂质处于一个焦点 • 速度小，作用时间长，偏离角θ大，τ小 • 弹性散射，不改变入射电子能量，只改变运动方向 τ ∝ T3/2/NI 杂质浓度（2）、晶格散射 晶格原子在其平衡位置附近不断进行热振动，且各个 原子的振动不是孤立的。
分析表明：晶格中原子的振动都 是由若干不同的基本波动按波的叠加原理组合而成，这些 基本波动称为格波。
q代表格波波矢， q 的方向即波的传播方向晶格散射：载流子在运动过程中遭受振动的晶格原子的散射， 失去在电场中获得的能量，失去动量。
在能带具有单一极值的半导体中 起主要散射作用的是长波。
即波 长比原子间距大很多倍的格波。
电子热运动速度~105m/s 电子波波长约10-8m 根据动量守恒要求，声子波长 范围应在同一量级，即10-8m,而 晶体中原子间距为10-10m，因而 起主要散射作用的是长波。
第八讲 半导体的导电性
中国矿业大学 材料科 学与工程学院
杂质半导体的电阻率随温度的变化关系
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第三节 半导体的导电性
半导体材料及其能带 导电机制 PN结 半导体电学性能的测试方法 应用领域
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3. 半导体PN结
PN结和肖特基结是几乎所有半导体元器件的基础。
n
p
外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光
受主
n型半导体 p型半导体
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施主杂质
As+45
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量△ED (0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。
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电子能量
施主能级
禁带宽度对应着红外至可见光波段
应用：通过形成一系列功能器件实现光-电、电-光转 换，应用于太阳能电池、发光二极管等领域。
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我国目前的半导体工业
多晶硅生产及光伏产业 集成电路（晶圆）制造产业 发光二极管（LED）及半导体照明产业
特点：
➢ 规模大，产业链齐全； ➢ 资本投入大； ➢ 原料和生产线依赖进口，产品以出口为主。源自A exp Eg kT
实验测得的 ln与 1/T 之间的关系为一直线。
由直线的斜率即可算出禁带宽度。
❖对温度十分敏感：随着温度的升高，电导 率呈指数增大，与金属正好相反
❖对禁带宽度十分敏感：禁带越宽，电导率
越低
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杂质半导体
半导体的性能是由导带中的电子数和价带中的 空穴数决定的
第五章半导体的导电性
• 光学波散射 • 1)对硅、锗等同种原子构成的半导体，作用同声学波，
只有弹性散射，没有电场的作用。而对离子性晶体、 光学波所产生的离子的疏密变化相当于半导体内产生 了正电荷和负电荷的区域------产生了内部的附加势场。
P0
(h l )3/ 2
(k0T )1/ 2
[
exp(
1
h
l
)
] 1
• 晶格中原子偏离平衡位置会产生附加电场，对载流子 也具有散射作用。偏离平衡位置的运动产生了格波， 在晶体中传播，阻碍了载流子的运动。特别是在高温 下，纵向光学波成为电阻的主要来源。为什么？
• 对于硅、锗及III-V族化合物，其原胞结构均由两套 面心立方原子套构而成，基元有2个原子，三维结构每 个波矢q共有6支格波：3支声学波和3支光学波。
个h 而载流子增加同样能量时，称为吸收一个声子。
• 声子生动地描述了格波能量的量子化，并且将电子在 晶体中被格波的散射看做是电子与声子的碰撞。
• 声子是玻色子。按照玻色-爱因斯坦统计，平均粒子数 的温度关系为
nq
exp(
1
h
) 1
k0T
长声学波，声子数最多，作用最大。
电子和声子的碰撞
• 声子的能量为：
5.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
• 本节将采用简单的模型讨论 • 1)电导率、迁移率和散射几率的关系， • 2)杂质浓度和温度的关系。 • 散射几率P如何影响电子的运动，可用迁移率、
电导率表示。 • 迁移率是微观量、电导率是宏观量。
1.平均自由时间和散射几率的关系
2. 漂移速度和迁移率
• 漂移运动：电子在电场力作用下的定向运动。 • 其速度称之为：漂移速度vd。 • 一般考虑平均漂移速度vd。 • 电子导电：J = - n q vd。(q 为正，结论2) ) • n 是导带中的电子密度， vd与外加电场成正比。 • 其线性关系的比例系数定义为：
半导体的导电特性
半导体的导电特性根据物质的导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类，顾名思义半导体的导电能力介于导体绝缘体之间。
硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。
半导体的导电特性热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。
光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。
1．本征半导体本征半导体：完全纯净的、不含其它杂质的半导体通称本征半导体。
用得最多的是硅和锗，图1所示是硅和锗的原子结构图，它们都是四价元素，在原子的最外层轨道上都有四个价电子。
(a) 锗Ge (b) 硅Si图1 硅和锗的原子结构在本征半导体中，每个原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，并且对两个原子所共有，因此称为共价键。
由共价键结构形成的半导体其原子排列都比较整齐，形成晶体结构，因此半导体又称为晶体，如图2所示。
图2 晶体中原子的排列方式本征半导体的导电机理在本正半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓的共价键结构，如图3所示。
图3 硅单晶中的共价键结构在共价键结构的晶体中，每个原子的最外层都有八个价电子，因此都处于比较稳定的状态。
只有当共价键中的电子获得一定能量（环境温度升高或受到光照射）后，价电子方可挣脱原子核的束缚成为自由电子，并且在共价键中留下一个空位，称为空穴。
如图4所示。
图4 空穴和自由电子的形成在一般情况下，本征半导体中自由电子和空穴的数量都比较少，其导电能力很低。
由于本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，因此在一定温度下，它们的产生和复合将达到动态平衡，使自由电子和空穴维持在一定数目上。
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半导体的导电性
1载流子的漂移运动和迁移率
欧姆定律
电流密度
指通过垂直于电流方向的单位面积的电流
漂移速度和迁移率
1.有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向作定向运动构成电
流。
电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。
2.当导体内部电场E恒定时，电子应具有一个恒定不变的平均漂移速度v_d。
电场强度增大时，
电流密度J也相应地增大，因而，平均漂移速度v_d也随着电场强度E的增大而增大，反之亦
然。
3.电子的迁移率μ的大小反映了载流子在外电场的作用下，载流子运动能力的强弱。
半导体的电导率和迁移率
1.半导体的导电作用是电子导电和空穴导电的总和。
2.导电的电子是在导带中，它们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子；而导电的空穴
是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价键间运动时所产生的电流。
3.在相同电场作用下，导带电子平均漂移速度>价带空穴平均漂移速度，就是说，电子迁移率>空
穴迁移率。
2载流子的散射
载流子散射的概念
1.在一定温度下，半导体内部的大量载流子即使没有电场作用，它们也不是静止不动的，而是永
不停息地作着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动。
2.载流子无规则热运动与热振动着的晶格原子、电离了的杂质离子发生碰撞，速度方向发生改
变，即电子波在传播时遭到了散射。
3.自由载流子，实际上只在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平
均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。
4.存在外电场时，一方面载流子受到电场力的作用，作定向漂移运动；另一方面载流子仍不断地
遭到散射，使运动方向不断发生改变。
→运动方向和速度大小不断变化→漂移速度不能无限地积累→加速运动只在两次散射之间存在→平均漂移速度
半导体的主要散射机构
散射原因：周期性势场被破坏而存在附加势场。