第八講 半導體的導電性

1、中國礦業(yè)大學 材料科學與工程學院第二章 材料的電學性能 顧修全本章內(nèi)容金屬的導電性合金的導電性半導體的導電性材料的介電性材料的超導電性半導體的電學性能半導體的特點及應(yīng)用n 電子和空穴同時作為載流子，并且載流子濃度 和導電類型能通過摻雜進行控制；n 禁帶寬度對應(yīng)著紅外至可見光波段應(yīng)用：形成pn結(jié)、晶體管、MIS場效應(yīng)晶體管等基本 元件，應(yīng)用于集成電路工業(yè)。應(yīng)用：通過形成一系列功能器件實現(xiàn)光-電、電-光轉(zhuǎn) 換，應(yīng)用于太陽能電池、發(fā)光二極管等領(lǐng)域。我國目前的半導體工業(yè) 多晶硅生產(chǎn)及光伏產(chǎn)業(yè) 集成電路（晶圓）制造產(chǎn)業(yè) 發(fā)光二極管（LED）及半導體照明產(chǎn)業(yè)特點： 規(guī)模大，產(chǎn)業(yè)鏈齊全； 資本投入大； 原料

2、和生產(chǎn)線依賴進口，產(chǎn)品以出口為主。第三節(jié) 半導體的導電性 半導體材料及其能帶 導電機制 PN結(jié) 半導體電學性能的測試方法 應(yīng)用領(lǐng)域 1. 半導體材料及其能帶導帶和價帶重疊絕緣體的禁帶一般大于 5 eV半導體的禁帶一般小于 3 eV半導體材料的導電性n 定義：n 分類：電阻率為（10-3 109 cm）或禁帶寬度（0.2 3.5 eV）的一類材料。u 晶體半導體u 非晶半導體u 有機半導體 元素半導體 Si，Ge 化合物半導體 GaN，InGaN，GaAs，Cu2O，ZnO，TiO2等金剛石、硅和鍺的對比金剛石、硅和鍺的對比三者均為金剛石結(jié)構(gòu)；禁帶寬度分別為 5.4 eV、 1.2 eV和 0.

3、7 eV。在硅和鍺中，一些電子在一般溫度下就能受到熱激發(fā)，越過禁帶占據(jù)一些導電的能級。而當施加電場作用時，占據(jù)導帶的電子就能引起電導。為半導體。只有在0 K時，硅和鍺才變得和金剛石一樣，為絕緣體。硅和鍺是兩類十分重要的元素半導體元素半導體鍺鍺v 鍺是一種稀散元素，在地殼中分布很分散，沒有集中的礦藏。v 煤中含有微量的鍺，煤燃燒后鍺以 GeO2 富集在煙道灰里，但含量也不高。v 將 GeO2 收集、氯化、還原、提純后可以得到金屬鍺。工藝流程長，不利于大批量生產(chǎn)。所以應(yīng)用極為有限。硅硅v 硅資源十分豐富，僅次于氧列第二位v 硅的制備原料主要是石英砂。 具有良好的熱導率和高溫力學性能、優(yōu)異的半導體性

4、質(zhì)，可以穩(wěn)定地制備大直徑無位錯的單晶單晶。世界上幾乎所有的集成電路都是單晶硅制成的，而且集成電路用硅占單晶硅整個用量的 80 % 以上。此外，絕大多數(shù)的電力電子器件 (可控硅、整流器等)、功率晶體管都是單晶硅制成的。硅是一種天然的電子元器件材料硅是一種天然的電子元器件材料化合物半導體化合物半導體一般是由圍繞周期表中IV族對稱位置的元素組成的。GaAs 砷化鎵具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。也就是和硅、鍺具有相似的結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點：工作溫度較高，承受的電壓較大，可以在更高的頻率下工作，有較好的抗輻射能力等 缺點：提純和制備 GaAs 單晶比硅困難得多，GaAs 的壽命也比較短。 GaAs目前只用于 一些特殊的場合，

5、如航空、航天領(lǐng)域等。砷化鎵GaAs多結(jié)太陽能電池40 %化合物半導體化合物半導體化合物半導體的優(yōu)點是具有范圍較寬的禁帶和遷移率，可以滿足不同場合的特殊要求在一些化合物半導體中，應(yīng)用了非化學計量原理來產(chǎn)生雜質(zhì)能級，此時組分的控制特別重要由于純度的限制，化合物半導體發(fā)展較為緩慢。事實上，就整個半導體工業(yè)來說，材料工藝的限制一直是器件發(fā)展步伐緩慢的原因。盡管理論已經(jīng)非常成熟。半導體材料的制備體單晶材料（如Si片）外延薄膜（如GaAs、GaN薄膜）直拉法、區(qū)熔法等化學氣相沉積法、分子束外延法等第三節(jié) 半導體的導電性 半導體材料及其能帶 導電機制 PN結(jié) 半導體電學性能的測試方法 應(yīng)用領(lǐng)域 2. 導電機

6、制本征半導體雜質(zhì)半導體P型半導體N型半導體本征半導體本征半導體“純凈”的半導體單晶體，即沒有雜質(zhì)和缺陷。本征激發(fā)的過程導帶導帶價帶價帶n 0 K時，導帶中無電子，價帶無空穴；n 一定溫度下，一部分價帶中的電子獲 得大于Eg的能量，躍遷到導帶中去；n 在外電場作用下，自由電子和空穴都 能導電，統(tǒng)稱為載流子。禁帶寬度可以用實驗方法測定在溫度 T 時，被激發(fā)到導帶中的電子載流子的濃度 ne 與禁帶寬度 Eg 有關(guān)，kTENng0eexp當 Eg kT 時，半導體的電導率 可以表示為kTENeg0exp于是，本征半導體的電導率可以寫成kTEAgexp實驗測得的 ln與 1/T 之間的關(guān)系為一直線。由直

7、線的斜率即可算出禁帶寬度。v對溫度十分敏感：隨著溫度的升高，電導率呈指數(shù)增大，與金屬正好相反v對禁帶寬度十分敏感：禁帶越寬，電導率越低半導體的性能是由導帶中的電子數(shù)和價帶中的空穴數(shù)決定的 電子和空穴可以借助于熱、電、磁等形式的能量激發(fā)產(chǎn)生，稱為本征激發(fā)；相應(yīng)形成本征半導體電子和空穴也可以借助于引進雜質(zhì)元素而激發(fā)，稱為非本征激發(fā)；相應(yīng)形成非本征半導體 (雜質(zhì)半導體)雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體v半導體中的載流子是電子和空穴，這兩種載流子都可以通過引進雜質(zhì)的方法而獲得v如果雜質(zhì)的引進導致了電子的產(chǎn)生，則相應(yīng)形成的雜質(zhì)半導體稱為 n 型半導體v如果雜質(zhì)的引進導致了空穴的產(chǎn)生，則相應(yīng)形成的

8、雜質(zhì)半導體稱為 p 型半導體v雜質(zhì)半導體都是固溶體n型半導體p型半導體雜質(zhì)中的電子容易脫離其原子的束縛而成為導電電子如V族雜質(zhì)雜質(zhì)中能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴如III族雜質(zhì)施主受主對Si和Ge來說As+4As+5摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量ED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。這個電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級施主能級位于離導帶很近的禁帶施主能級上的電子吸收少量的能量ED后可以躍遷到導帶施主能級施主能級電子能量電子能量電子濃度分布電子濃度分布空穴濃度分布空穴濃度分布施

9、主雜質(zhì)電離使導帶施主雜質(zhì)電離使導帶 電子濃度增加電子濃度增加 摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量EA 漂移正向偏壓使耗盡區(qū)變窄Un型型p型型耗盡層耗盡層耗盡層pn結(jié)二極管的整流效應(yīng)PN結(jié)的特征：正向?qū)?，反向截止。?yīng)用于邏輯運算電路之中。與PN結(jié)直接相關(guān)的半導體器件太陽能電池二極管發(fā)光二極管光探測器與PN結(jié)間接相關(guān)的半導體器件晶體管：可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、 信號調(diào)制 的一種固體半導體器件u 雙極性晶體管（三極管）u 場效應(yīng)晶體管（MOS晶體管）第三節(jié) 半導體的導電性 半導體材料及其能帶 導電機制 PN結(jié) 半導體電學性能的測試方法 應(yīng)用領(lǐng)域 u

10、四探針法u 霍爾效應(yīng)法u 擴展電阻法u 伏安法（I-V）u 電容-電壓法（C-V）4. 半導體電學性能的測試方法四探針法IUC23基本原理：基本原理：以小電流使樣品內(nèi)部產(chǎn)生壓降，測量其它兩根探針的電壓，然后計算材料的電阻率。其中，C 為探針系數(shù)23U令 I = C ，則優(yōu)點： 不需要制備合金電極 迅速、便捷、不破壞樣品 精度較高材料學院A305室測量范圍電阻率：10-4 103cm方塊電阻： 10-4 104 電阻：10-4 105 可測半導體材料尺寸直徑： 15130 mm長（或高）度： 400 mm霍爾效應(yīng)法bIBVAA 實驗上稱 為霍耳系數(shù)，與材料有關(guān)。k18791879年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載

11、流導體放在年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載流導體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。象稱之為霍耳現(xiàn)象。*實驗結(jié)果載流子的正負決定 的正負 AAVbIBkVAA 0 AAV0q0q0 AAVBIqF AA+ bh優(yōu)點：優(yōu)點： 測試速度快，精度高測試速度快，精度高 不僅測試電阻，而且還不僅測試電阻，而且還 可得到遷移率、載流子可得到遷移率、載流子 濃度等信息。濃度等信息。第三節(jié) 半導體的導電性 半導體材料及其能帶 導電機制 PN結(jié) 半導體電學性能的測

12、試方法 應(yīng)用領(lǐng)域 5. 應(yīng)用領(lǐng)域u 微電子領(lǐng)域u 電力/電子器件領(lǐng)域u 光電子領(lǐng)域u 基底材料u 探測/傳感器領(lǐng)域如二極管、晶體管等器件如功率器件、微波器件等如太陽能電池、發(fā)光二極管等如Si單晶片、GaAs單晶片等如氣敏、壓敏、光敏傳感器等半導體照明（LED)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)注：出射波長通過改變MQW的參數(shù)得以調(diào)節(jié)。超晶格超晶格超晶格發(fā)光二極管的核心作用：使注入的電子和空穴在特定區(qū)域復(fù)合，從而增強作用：使注入的電子和空穴在特定區(qū)域復(fù)合，從而增強 發(fā)光效率。發(fā)光效率。正向偏壓使 pn 結(jié)形成一個增益區(qū)：導帶主要是電子，價帶主要是空穴，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)大量的導帶電子和價帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外