半导体及其基本特性-PKU
电工电子技术-半导体的基本特性
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电三极 管和光敏电阻等。
掺杂性：是指半导体的导电能力因掺入微量杂质而发 生很大变化的特性。利用这种特性可制成二极管、三极管 和场效应管等。
9.1质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很 难导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、 橡胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等。
半导体材料的物理特性和应用
半导体材料的物理特性和应用半导体是现代电子技术中最为重要的材料之一，广泛应用于MOSFET、LED、太阳能电池等领域。
在半导体产业方面，我国的技术水平与国际差距逐渐缩小，成为全球半导体市场的重要力量。
本文将重点讨论半导体材料的物理特性和应用。
1.半导体材料的基本特性半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料，其导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半导体中，电子处于价带中，能带上方存在空位，称为导带。
当外界电场或其它物理量的作用下，电子可以跃迁到导带中形成导电，这就是半导体导电的机制。
半导体材料的导电性能受控于载流子浓度的大小。
在半导体中，有两种载流子：电子和空穴。
杂质掺杂可以使半导体中的载流子浓度增加，从而影响材料的导电性。
因此，掺杂是半导体材料制备中非常重要的一个环节。
常见的掺杂元素有硼、磷、氮等。
硼掺杂的半导体为p型半导体，磷、氮掺杂的半导体为n型半导体。
2.半导体器件的应用随着半导体技术的不断进步，半导体器件的种类和功能也越来越多样化。
下面主要介绍三种半导体器件的应用。
（1）MOSFET金属-氧化物-半导体场效应晶体管，即MOSFET，是一种非常重要的半导体器件。
MOSFET具有低功耗、体积小等优势，被广泛应用于数字电路中。
在CPU、存储器、显示器等电子设备中，MOSFET作为关键器件应用非常广泛。
（2）LED发光二极管，即LED，是一种发光器件，通过电子与空穴复合，发射出光线。
LED具有节能、寿命长、环保等特点，被广泛应用于广告牌、交通灯、室内照明等领域。
随着技术的不断发展，LED的颜色、亮度也在不断提高。
（3）太阳能电池太阳能电池是将光能转换成电能的一种器件，主要适用于人迹罕至、自然条件恶劣的环境。
太阳能电池的基底材料之一就是单晶硅，因为单晶硅纯度高，杂质少，电性稳定。
目前，太阳能电池已经成为可再生能源领域中的重要代表，并被广泛应用于宇航领域、家庭用电系统等。
综上所述，半导体材料的物理特性和应用涉及到物理学、化学、材料科学、电子学等多个领域。
高二物理竞赛半导体及其基本特性课件(共15张PPT)
第一章 半导体中的电子状态
半导体的晶 格结构
半导体的 能带
半导体中的 电子运动
晶体，晶格，原 胞，单胞，基本
晶体结构
能带理论，
原子能级与能带，
固体的能带图，
半导体的能带填充
群速度，
加速度，
导 体: 106~104(cm)-1
不同材料的电导率
不同材料的电导率
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
1.基元、格点和晶格
任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同。
导 体: 106~104(cm)-1
第一章 半导体中的电子状态
石墨烯, MoS2, etc.
一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。
一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。
格点可以代表基元重心的位置，也可以代表基元中任意的点子。
(a) (b) (c) 在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
石墨烯, MoS2, etc.
所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
半导体知识点总结
半导体知识点总结半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子性质，因此在现代电子技术中具有重要的应用。
本文将对半导体的基本概念、特性、原理以及应用进行详细的介绍和总结。
一、半导体的基本概念1、半导体材料半导体材料是一类电阻率介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些特殊的电子能带结构。
常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)、GaAs等。
2、半导体的掺杂半导体材料经过掺杂后，可以改变其电子结构和导电性质。
常见的掺杂有N型和P型两种类型，分别通过掺入杂质原子，引入额外的自由电子或空穴来改变半导体的导电性质。
3、半导体的结构半导体晶体结构通常是由大量的晶格排列组成，具有一定的晶格参数和对称性。
在半导体器件中，常见的晶体结构有晶体管、二极管、MOS器件等。
二、半导体的特性1、能带结构半导体的能带结构是其特有的性质，它决定了半导体的导电性质。
半导体的能带结构通常包括价带和导带，其中价带中填充电子的能级较低，而导带中电子的能级较高，两者之间的能隙称为禁带宽度。
2、电子迁移和载流子在外加电场的作用下，半导体中的自由电子和空穴可以在晶体内迁移，并形成电流。
这些移动的载流子是半导体器件工作的基础。
3、半导体的导电性半导体的导电性是由自由电子和空穴共同贡献的，通过掺杂和外加电场的调制，可以改变半导体的导电性。
三、半导体的原理1、P-N结P-N结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
P-N结具有整流、放大、开关等功能，是二极管、光电二极管等器件的基础。
2、场效应器件场效应器件是一类利用外加电场控制半导体导电性质的器件，包括MOS场效应管、JFET场效应管等。
场效应器件具有高输入电阻、低功耗等优点，在数字电路和模拟电路中得到广泛应用。
3、半导体光电器件半导体光电器件是一类利用光电效应将光能转化为电能的器件，包括光电二极管、光电导电器件等。
光电器件在光通信、光探测、光伏等领域有着重要的应用。
半导体物理归纳总结高中
半导体物理归纳总结高中半导体物理是高中物理中的重要内容之一，是学生们理解电子学和光电子学等深入领域的基础。
本文将对半导体物理的主要概念和原理进行归纳总结，帮助高中学生们更好地理解和应用这一知识。
一、半导体的基本特性半导体是一类电导率介于导体和绝缘体之间的固体材料。
其电导率随温度的变化而变化，体现了其特殊的电学性质。
半导体具有以下几个基本特性：1.1 带隙半导体的带隙是指其原子结构中包含的能带之间的能量差。
带隙越小，半导体中的电子越容易被激发到导带中，电导率越高。
常见的半导体材料如硅、锗等具有较小的带隙，因而被广泛应用。
1.2 频带理论频带理论是解释半导体电导率的重要理论基础。
在这一理论中，半导体的电子结构被描述为能带的形式，其中包含价带和导带。
价带中的电子处于低能态，不易被激发，而导带中的电子具有较高的能量，可以参与导电。
1.3 掺杂掺杂是指在半导体材料中加入少量的杂质，从而改变其电学性质。
掺杂可以使半导体呈现n型或p型的性质，分别对应电子主导的导电和空穴主导的导电。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子元件，广泛应用于各类电子设备中。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管和集成电路等。
以下对其中几种常见的器件进行介绍：2.1 二极管二极管是由p型和n型半导体材料构成的器件，其具有单向导电性。
在导通状态下，电流可以从p区域流向n区域，而在反向偏置时，电流几乎无法通过。
二极管广泛应用于电源、信号调理、光电转换等领域。
2.2 晶体管晶体管是一种用于放大、开关、调制等功能的半导体器件，由n-p-n或p-n-p三层结构构成。
晶体管的工作原理基于控制栅极电压来改变集电极和发射极间的电流。
它的小体积、低功耗和高可靠性使其成为现代电子技术中不可或缺的元件。
2.3 集成电路集成电路是将数百万个晶体管和其他电子元件集成在一块芯片上的器件，是现代电子技术的重要组成部分。
集成电路的制造工艺和设计技术不断发展，使其性能和功能大幅提升。
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）
半导体的基本特征
半导体的基本特征半导体是一种具有特殊电性质的材料，其具备一些独特的特征。
本文将介绍半导体的基本特征，包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
一、导电性半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。
它的导电性来源于其晶格中的原子或离子。
在晶格中，半导体的原子或离子排列紧密，但并非十分紧密，因此其导电性比金属导体差。
半导体在常温下，其电子处于能带中，无法自由移动。
只有在施加外界电场或加热的情况下，电子才能克服能带间隙的能量差，从而跃迁到导带中，实现电导。
二、能带结构半导体的能带结构是其导电性的重要依据。
能带是指电子能量的分布区域，包括价带和导带。
价带是指电子处于低能态的能带，其电子难以自由移动；而导带是指电子处于高能态的能带，电子能够自由移动。
半导体的能带结构中，导带与价带之间存在一段能量间隙，称为禁带。
禁带宽度决定了半导体的导电特性，禁带宽度较小的半导体更易导电。
三、载流子在半导体中，载流子是指能够携带电荷的粒子，包括自由电子和空穴。
自由电子是指从价带跃迁到导带中的电子，它们带有负电荷，能够自由移动。
而空穴是指在价带中留下的缺电子的位置，它们带有正电荷，也能够自由移动。
半导体的导电性与载流子的数量和移动性息息相关。
四、禁带宽度禁带宽度是半导体的一个重要参数，它决定了半导体的导电性能。
禁带宽度越小，半导体的导电性越好。
当外界电场或加热作用下，电子能够克服禁带宽度的能量差，跃迁到导带中，形成自由电子。
因此，禁带宽度的大小直接影响了半导体的导电特性。
五、掺杂掺杂是指在半导体中加入少量的杂质元素，以改变其导电性能。
掺杂分为N型和P型两种。
N型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的电子数目增加，导电性变强。
而P型半导体是指通过掺杂杂质元素，使半导体中的空穴数目增加，导电性变强。
通过N型和P型半导体的结合，可以形成PN结，进一步扩展了半导体材料的应用。
半导体的基本特征包括导电性、能带结构、载流子、禁带宽度以及掺杂等方面。
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、半导体的定义与基本特性半导体，顾名思义，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它具有独特的电学特性，使得其在现代电子技术中扮演着至关重要的角色。
半导体的导电性可以通过控制杂质的掺入浓度和外界条件（如温度、光照等）来调节。
这种特性使得半导体能够实现对电流和电压的精确控制，从而成为制造各种电子器件的理想材料。
常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及化合物半导体如砷化镓（GaAs）等。
其中，硅是目前应用最为广泛的半导体材料，因为它在地球上储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的晶体结构半导体材料通常具有晶体结构。
以硅为例，其晶体结构为金刚石结构。
在这种结构中，每个硅原子与周围四个硅原子形成共价键，构成一个稳定的晶格。
晶体结构的完整性对于半导体的性能有着重要影响。
晶体中的缺陷和杂质会干扰电子的运动，从而影响半导体器件的性能和可靠性。
三、半导体中的载流子在半导体中，存在两种主要的载流子：电子和空穴。
电子是带负电荷的粒子，其运动形成电流。
而空穴则是电子离开原子后留下的空位，可以看作是带正电荷的“准粒子”，空穴的运动也能产生电流。
半导体的导电性取决于载流子的浓度和迁移率。
载流子浓度可以通过掺杂来改变，而迁移率则受到晶体结构、温度等因素的影响。
四、半导体的掺杂为了改变半导体的电学性质，通常会进行掺杂操作。
掺杂是指在纯净的半导体中掺入少量杂质原子。
常见的掺杂类型有两种：施主掺杂和受主掺杂。
施主杂质（如磷）能够提供多余的电子，增加电子浓度，使半导体成为 N 型半导体。
受主杂质（如硼）能够接受电子，形成空穴，使半导体成为P 型半导体。
通过控制掺杂的类型和浓度，可以制造出具有不同电学性能的半导体材料，为制造各种电子器件奠定基础。
五、半导体器件基于半导体材料的特性，人们制造出了各种各样的半导体器件。
1、二极管二极管是最简单的半导体器件之一，它由一个 P 型半导体和一个 N 型半导体组成。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
北京大学 微电子学研究所
方程的形式1 2x, t
s 0
方程的形式2 E 1 xdx
s0 s
电荷 密度
(x)
可动的 －载流子（n,p) 固定的 －电离的施主、受主
特例：
均匀Si中， 无外加偏 压时，
方程RHS ＝0，
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
北京大学 微电子学研究所
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
北京大学 微电子学研究所
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p ni
重点
• 半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
• 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
• 能带、导带、价带、禁带 • 掺杂、施主、受主 • 输运、漂移、扩散、产生、复合
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
北京大学 微电子学研究所
杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态
施主能级
受主能级
北京大学 微电子学研究所
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
北京大学 微电子学研究所
9. 载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 J Deift qnvd qnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
迁移率
单位电场作用下载流子获得平均速度
反映了载流子在电场作用下输运能力
q
m
影响迁移率的因素
电阻率
1
qnn qpp
北京大学 微电子学研究所
本征半导体：n=p=ni
北京大学 微电子学研究所
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
北京大学 微电子学研究所
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
北京大学 微电子学研究所
8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半导 体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这 些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消
失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合
公式 np ni2 不成立
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
北京大学 微电子学研究所
6. 非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
北京大学 微电子学研究所
多子：多数载流子
北京大学 微电子学研究所
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与 真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的 等效粒子
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
北京大学 微电子学研究所
4.半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
北京大学 微电子学研究所
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
北京大学 微电子学研究所
载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动
扩散电流
电子扩散电流： J n,diff
qDn
dn dx
空穴扩散电流：
J p,diff
半导体及其基本特性
北京大学
北京大学 微电子学研究所
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
北京大学 微电子学研究所
1. 半导体的结构
漂移项
扩散项
北京大学 微电子学研究所
爱因斯坦关系
Dn
kBT q
n
Dp
kBT q
p
波耳兹曼关系
n nieq( f )/ kT p nieq( f )/ kT
费米势
f
EF q
方程形式2
Jn qnnn
J p qn pp
电子和空穴的准费米势：
n
kT q
ln
n ni
北京大学
p
微
电
子
学
kT ln q 研究所
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
北京大学 微电子学研究所
过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 过剩载流子的复合机制：
直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
北京大学 微电子学研究所
描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
量子态和能级 固体的能带结构
原子能级
能带
北京大学 微电子学研究所
共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态
原子能级
反成键态
成键态
北京大学 微电子学研究所
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
静电势为 常数
q
ND
N
A
p
n
北京大学 微电子学研究所
电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n t
1 q
jn
G
R
空穴
p t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 q
jp
G
R
热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2
北京大学 微电子学研究所
电流密度方程
载流子的输运方程
方程形式1
在漂移－扩散模型中
jn qnn E qDnn
jp q p p E qDpp
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
北京大学 微电子学研究所
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
北京大学 微电子学研究所
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子