第6章-半导体和电介质材料new

第六章半导体和电介质材料•半导体材料•铁电、压电、热释电和介电材料6.1导体、半导体和绝缘体材料导体的电阻率10-5~10-4Ω·cm半导体的电阻率10-4~1010Ω·cm绝缘体的电阻率1010~1014Ω·cm6.1.1导体、半导体和绝缘体的区别——能带理论能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。Chapter2ChapterChapterSemiconductor电子的共有化运动：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动，这种现象称为电子的共有化运动。Chapter2ChapterChapterSemiconductor金属中电子的共有化四个原子的能级的分裂八个原子的能级的分裂Chapter2ChapterChapterSemiconductor能级分裂动画当有n个原子相互靠近组成晶体它们的能级便分裂成N个彼此靠得很近的能级－－组成一个能带。Chapter2ChapterChapterSemiconductor能带：电子的共有化运动使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。gCVEEE能带图可简化成:禁带宽度Chapter2ChapterChapterSemiconductorEg电子能量EcEv原子能级分裂为能带的示意图允带{能带原子级能{禁带{禁带原子轨道dps能量EChapter2ChapterChapterSemiconductor允带：允许被电子占据的能带称为允带，原子壳层中的内层允带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带：价带以上能量的最低的允带称为导带。满带：被电子占满的允许带称为满带；空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev，Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。6.1.2导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释导体的能带结构：价带部分填入价带被填满金属金属、绝缘体、半导体的能带特征金属Eg绝缘体半导体Eg价带导带Chapter2ChapterChapterSemiconductor绝缘体的能带结构：价带为满带，禁带较宽ΔEg≈3～6eV半导体的能带结构：价带为满带，禁带宽度ΔEg≈0～2eV载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体的载流子是自由电子；半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。本征半导体在一定温度下，价带电子受到热激发而成为导带电子的过程。价带电子激发前：激发后：空的量子态（空穴）导带电子Chapter2ChapterChapterSemiconductore-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-XYZCBAYZCBAXZCBAXYChapter2ChapterChapterSemiconductorElectronconductioninn-typesemiconductors(andmetals)e-e-e-e-(-)(+)Holeconductioninp-typesemiconductor(+)(-)e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-SemiconductorElectron/HoleConductivity电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：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半导体中的载流子：能够导电的自由粒子电子和空穴共同参与半导体的导电。Chapter2ChapterChapterSemiconductor本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流子数目有限，导电性能不好。N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多数为电子。杂质能级—施主能级P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多数为空穴。杂质能级—受主能级不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同，从而有不同的导电性。本征半导体，n型半导体，p型半导体以硅中掺磷为例：形成一个正电中心P+和一个多余价电子；这个多余价电子受到的束缚很弱，使得它很容易挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动——杂质电离；施主杂质和施主能级Chapter2ChapterChapterSemiconductorⅤ族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或n型杂质。释放电子的过程叫做施主电离；施主杂质为电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心年，称为离化态。导带电子电离施主P+Chapter2ChapterChapterSemiconductor含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子—N型半导体，或电子型半导体。Chapter2ChapterChapterSemiconductorEcEvEDDCDEEE以硅中掺硼为例：形成一个负电中心B-和一个空穴；这个空穴受到的B-束缚很弱，容易挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动——杂质电离；受主杂质和受主能级Chapter2ChapterChapterSemiconductorⅢ族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质或p型杂质。释放电子的过程叫做受主电离；施主杂质为电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心年，称为离化态。价带空穴电离受主B－Chapter2ChapterChapterSemiconductorChapter2ChapterChapterSemiconductor含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。VAAEEEEcEvEA6.1.3导体材料金属：如银、铜、铝等；可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等；导电系数依次银---0.016铜---0.0172金---0.023铝---0.028黄铜---0.067铁丝---0.1-0.15锌---0.06铅---0.21汞---0.958大多数纯金属的导电系数随温度升高而升高。合金：向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导电材料即为导电合金材料。此类导电材料经不同方法的强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬度、耐蚀、耐磨、耐热等综合性能。如铜和铝的合金。将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成的导电材料即为复合导电金属。如铜包铝线、铝包铜线等。此类导电材料有线、棒、板、片、管等各种型材。非金属：如石墨等；可用作耐腐蚀导体和导电填料等。6.1.4半导体材料无机半导体有机半导体元素半导体化合物半导体本征半导体杂质半导体半导体材料（按结构形态）晶态半导体非晶态半导体半导体材料（按化学成份）非晶单晶多晶Chapter1Chapter1Chapter1SemiconductorChapter1Chapter1Chapter1Semiconductor负电阻温度系数是半导体的特有性质之一。1.Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor光电导效应是半导体的特有性质之二。2.Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor整流效应是半导体的特有性质之三。3.Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor光生伏特效应是半导体的特有性质之四。4.Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor光生伏特效应是半导体的特有性质之四。半5.霍耳效应的应用判断半导体的导电类型测定载流子浓度、迁移率、电导率霍尔器件（感受磁场的能力）Chapter2ChapterChapterSemiconductor选用迁移率高的半导体材料，在同样电场作用下，漂移速度大，加磁场后载流子受到的洛伦磁力大，霍耳效应明显。常选用锑化铟、砷化铟、锗作霍尔器件。霍尔元件基本结构•由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。•霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。•霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。四端元件Chapter2ChapterChapterSemiconductor霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件磁铁Chapter2ChapterChapterSemiconductor硅和锗——第一代半导体材料相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石结构，间接带隙半导体材料.不同点：硅锗室温本征电阻率2.3×105Ω·cm50Ω·cm禁带宽度1.12eV0.66eV锗比硅的金属性更为显著硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。硅在太阳能电池上的应用单晶硅多晶硅非晶硅其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。单晶硅棒(直拉法、区熔法)•扩散•注入硅（111）晶面图砷化镓——第二代半导体材料特点：化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型，禁带宽度为1.43eV容易制成半绝缘材料(电阻率107~109Ω·cm)本征载流子浓度低光电特性好耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感用途：光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，发光二极管、场效应晶体管等。分类半绝缘砷化镓低阻砷化镓氮化镓——第三代半导体材料氮化镓及其相关氮化物材料：是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。特点：三种晶体结构：闪锌矿、纤锌矿和岩盐矿宽禁带半导体材料：InN---1.9eV，GaN---3.4eV，AlN---6.2eV用途：晶体管、发光管、激光二极管和光电探测器等器件覆盖可见光及远紫外光的范围，可以制成从红外到紫外的发光管或激光器，实现三基色发光。英国剑桥大学的研究人员发现一种生产发光二极管（LED）的新方法，他们说能在5年中将LED产品的成本降低多达75%。氮化镓可能是继硅之后最重要的半导体材料。它发出灿烂的光，将是下一代能在高温下使用的高频高能量晶体的关键材料。”剑桥大学氮化镓和材料科学中心(CCGN)主任科林汉弗莱斯教授说。氮化镓LED的其他一些特征，也足以让传统节能灯相形见绌。估计价格约2英镑的氮化镓LED，能点亮10万小时，一般说来60年才需要更换。氮化镓LED对环境也更友好，因为它不含水银，废弃部件的处理问题容易解决。氮化镓LED的使用更方便，能即时打开，它不闪烁，光线还可以调节。“世贸天阶”上方的LED屏幕最初的LED光源能够发出来的颜色只是红色，进入到20世纪90年底，LED已经能够发出红、蓝、橙、黄、绿等单色。最终，进入到1998年之后，白光LED光源研