材料科学与技术 第三章 材料的物性 02

第三章材料的物性第一节材料的电性质一、欧姆定律二、固体电子能带结构三、金属的电阻四、半导体四、半导体半导体:本征半导体和非本征半导体（杂质半导体）四族元素半导体和化合物半导体（一）本征半导体本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体禁带价带导带ECEV本征半导体gE能带特征：价带全满、导带全空、禁带中无能级eVEg3~2.0分类：四族元素半导体：:SieVEg1.1:GeeVEg7.0化合物半导体：IV-IV族：III-V族：SiC,GaAsInSb（锑化铟）II-VI族：CdSZnTe（硫化镉），（碲化锌）宽禁带、大功率半导体材料61036105.2610351037105.27100.27107.27100.1物性3C-SiC4H-SiC6H-SiCSi熔点2839270028001420禁带宽2.22.93.21.1击穿场强热导率4.94.95.01.5CoeVcmV/CcmWo/610361036105.25103SiC与Si的物性比较本征Si原子键合与导电机制：电场Si每当一个电子从价带被激发到导带，便在价带中留下一个电子空位，空穴导带电子和价带空穴成对出现:导带电子:准自由电子、可在电场的作用下定向运动、形成电流导带电子价带空穴:电场Si等效载流子其导电过程实质上是电场的作用下价电子向空穴的跳跃过程等效于带正电的空穴沿与价电子相反方向的运动空穴带正电量：e本征半导体导电：导带电子和价带空穴的共同贡献电导率：hemene:,nm导带电子和价带空穴的数密度。导带电子导带电子和价带空穴的迁移率。:,hehe通常：本征半导体:nm)(hehenemene材料SiGeGaPGaAsInSbCdSZnTe11,m)/(,2Vsme)/(,2VsmheVEg,11.1410414.005.067.025.235.117.040.226.22.2610410238.005.085.07.703.003.018.0002.045.007.001.0本征半导体基本参数（二）非本征半导体—杂质半导体实际使用的半导体都是杂质半导体杂质半导体：对本征半导体掺杂、实现改变其电性或获得某种功能杂质半导体分类：N型半导体和P型半导体（掺杂种类不同）1、N型半导体5价P原子束缚电子5价原子以替位式参入本征Si或Ge中掺杂原子：P,As,Sb未键合电子受杂质原子的束缚很弱结合能：eV1.0Si单晶eVEg1.104.0044.0049.0SbPAsvEcEdEN型半导体能带结构5价杂质原子掺入相当在导带底引入施主杂质能级杂质能级上的束缚电子很易被（热和电）激发到导带5价杂质原子向导带提供电子5价杂质原子：施主杂质室温下施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子或空穴数kTEe/N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子ene2、P型半导体3价原子以替位式参入本征Si或Ge中掺杂原子：Al,B,Ga3价原子的周围共价键缺一个电子、周围价电子很容易被激发到这个电子空缺上结合能：eV1.03价B原子空位缺电子的位置可看作与杂质原子结合微弱的空穴。价电子向空位跳跃的过程等效与空位向价带的运动3价杂质原子：受主杂质接受来自价带的电子P型半导体能带结构3价杂质原子掺入相当在价带顶引入受主杂质能级价带电子很易被（热和电）激发到受主能级上Si单晶eVEg1.1BAlGa045.0057.0065.0vEcEaE室温下受主激发在价带中产生的空穴数远大于本征激发的电子或空穴数P型半导体：电子使少数载流子；空穴是多数载流子Pme等效于空穴被激发到价带中3、半导体掺杂工艺掺杂：将微量的施主或受主杂质加入本征半导体中、使之成为N或P型半导体的过程掺杂物：被掺入的物质掺杂工艺方法：扩散法和离子注入法（1）扩散法：气相法和预沉积、高温热处理法a、气相法：置硅片于1000—1100oC的扩散炉中，扩散炉中充满掺杂原子气体。控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：温度、时间、气相中掺杂原子浓度（2）离子注入法：b、预沉积、高温热处理法：Si基板预沉积杂质层热处理Si基板扩散层比气相法更易精确控制掺杂控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：预沉积层厚度（温度、时间）50~100kV电压加速杂质离子轰击Si基板轰击深度：取决于杂质原子的质量、基板的晶格损伤可在适当的温度下退火处理消除可在室温下进行、能精确控制掺杂浓度和深度、适于集成电路制作加速电压、及基板的表面状态五、绝缘体禁带宽度大、常温下价电子不能被激发到导带、电导率低绝缘材料的主要性能指标：电阻率、介电系数、介质损失和介电强度（一）体电阻率和面电阻率体电阻率：表征载流子在材料体内输运时的能耗特征面电阻率：表征载流子在材料表面或界面输运时的能耗特征测量方法：欧姆定律1、体电阻率A电极试样AdIVRVVV//:d:A试样厚度电极面积电极被蒸镀在试样上AdIVRVVV//dARdIVAVVV/)/()(2、面电阻率A电极试样（1）平行电极LbIVRSSS//:b:L电极间距，电极长度bLRSS/)./(qs（2）对环状电极A芯电极环电极试样)2/(/21rdrIVRrrSSS)/ln()2/()2/(/1221rrdrrIVRSrrSSS)/ln(/2)/ln(/21212DDRrrRSSS:1D:2D芯电极直径环电极内径绝缘材料：陶瓷、高分子聚合物制作或合成过程引入的杂质会降低材料电阻率影响聚合物电阻率的因素：未反应的单体、残留的引发剂、辅助剂及吸附的水分等潮湿空气中吸附的表面水分会使表面电阻率大幅度降低（二）电介质隔断或减弱电场的性质介电性：金属能完全隔断电场、金属的介电性最强：绝缘体只能减弱体内的电场：0E'0EEE电介质：用于把带电体隔离、并能长期经受强电场作用的绝缘材料电介质介电性的起因：电介质在外电场中的极化电介质极化机制：（1）、分子的极化；（3)、空间电荷极化。（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；1、电介质极化(1)、分子的极化电介质由分子组成、在外电场的作用下分子中电荷分布发生变化，—极化分子极化包括：电子位移极化、离子位移极化，及有极分子（具有电偶极矩）的取向极化。A、电子位移极化外电场的作用下、原子中的电子相对原子核发生位移：||电子轨道位移0E原子正、负电中心不再重合电子轨道位移：原子中的所有电子都发生、但价电子显著、内层电子不显著电子质量小、对电场反应快电子位移极化建立时间：se1510可以跟随光频变化电场原子玻尔模型电子平均极化率：3034Re:R原子或离子半径B、离子位移极化离子在外电场的作用下偏离平衡位置、相当于一感生偶极矩E结合键被拉长据经典弹性振动理论离子位移极化率：0341nai:a:n晶格常数；电子层斥力指数离子晶体11~7:nC、有极分子的取向极化离子质量远大于电子质量，离子极化建立时间比电子的长离子极化建立时间：si131210~10:有极分子电介质在电场的作用下除电子、离子的位移极化外，有极分子将沿电场方向有序化。取向极化：有极分子电介质主要极化方式无电场无电场时有极分子的取向杂乱无章，宏观上电介质对外不显电性+-E0有电场有外电场时在外电场力矩作用下，偶极子（有极分子）转向电场的方向，场强越强偶极子的取向与电场越一致。分子的热运动会破坏分子排列有序化温度不太高、外电场不太强时，平衡状态下有极分子的取向极化率：kT3200:0分子的固有偶极矩，:kBoltzman常数取向极化的建立时间：s9210~10较长D、分子极化总结非（无）极性分子03304134naRied极化率：kTnaRied341342003300极化率：（诱导）偶极矩：EEied)(有极分子偶极矩：EEie)(0(2)、（电子、离子）弛豫极化弛豫极化—松弛极化弛豫—松弛：需要时间的过程所有极化都需要时间、都是弛豫的。电子、离子的弛豫极化：极化建立时间较长、不同于电子、离子位移极化的一种极化材料中弱联系（受束缚较弱）的电子、离子在电场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒极化建立时间比位移极化大得多。弛豫极化往往是不可逆的