半导体材料电学性能.ppt

《半导体材料电学性能.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2.3半导体材料的导电性1半导体的电学性能介于导体和绝缘体之间，所以称为“半导体”。半导体材料可分为晶体半导体，非晶半导体和有机半导体。晶体半导体材料分单质半导体（如Si和Ge）和化合物半导体（如GaAs，CdSe）2一、本征半导体本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。1、本征半导体的结构特点（1）硅、锗原子的结构GeSi3在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构（1）硅、锗原子的结构4共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原

2、子（2）硅、锗原子的共价键结构5共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4（2）硅、锗原子的共价键结构6在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。（1）载流子：自由电子和空穴2、本征半导体的导电机理7+4+4+4+4自由电

3、子空穴束缚电子可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。（1）载流子：自由电子和空穴在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。8电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动，这种作定向运动电子和空穴（载流子）参与导电，形成本征半导体中的电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。（2）导电情况+4+4+4+4（一）本征载流子的浓度目前所应用的半导体器件和设备98%是由Si制作的。高纯单晶Si片在室温下载流子浓度为1010m-3-1.

4、5×1011m-3，相当于电阻率几万Ω.cm。而在500℃时，其载流子浓度为1017m-3相当于0.6Ω.cm。Si片在9个9以上才会显示出优良的半导体特性。也就是每十亿个Si原子允许有一个杂质存在。由此可见半导体材料的应用是建立在高村度高完整性的基础上（一）本征载流子的浓度半导体Si和Ge的本证热平衡载流子的体积密度为1.5×1016m-3和2.5×1019m-3。与半导体材料中数量级为1028m-3的原子体积密度相比，相差甚远。因此，与金属材料相比，半导体中可参与导电的载流子体积密度甚低，因而成为导电性的限制因素。所以，对半导体材料导电性的讨论，首要关

5、注对象是载流子的体积密度（一）本征载流子的浓度导带底电子状态密度：⑴利用导带的状态密度NC(E)和电子分布函数f(E)可以得到E～E+ΔE范围内的电子数为：根据费米-迪拉克统计，在热平衡情况下，一个能量为E的量子态被电子占据的几率为：⑵由于函数f(E)随着能量的增加而迅速减小，因此可以把积分范围由导带底EC一直延伸到无穷并不会引起明显误差，故倒带电子浓度为：⑶（一）本征载流子的浓度对于E-EF>>kT的能级⑷将式(1)和(4)带入(3)中，令（一）本征载流子的浓度则有半导体导带电子密度：⑸令⑹（一）本征载流子的浓度类似处理可以得到价带空穴体积密度价带顶电子

6、状态密度：一个量子态不被占据就是空着，所以能量为E的量子态未被电子占据的几率是：上式给出比EF低得多的那些量子态被空穴占据的几率（一）本征载流子的浓度令价带中空穴的体积密度为：⑺（一）本征载流子的浓度从前面电子和空穴的浓度表达式可以看出，电子和空穴浓度都是费米能及EF的函数。在一定温度下，由于杂质含量和种类不同，费米能级位置也不同，因此电子和空穴浓度可以有很大差别。上式表明，载流子浓度的成积np与EF无关，只依赖与温度和半导体本身的性质。在非简并条件下，当温度一定时，对于同种半导体材料，不管含杂质情况如何，电子和空穴浓度乘积都相同。（一）本征载流子的浓度从

7、前面电子和空穴的浓度表达式还可以看出，只要知道费米能级EF就可以得到导带电子和价带空穴的浓度。在本征半导体中：⑻将⑻带入⑺或⑹，得到：（一）本征载流子的浓度（一）本征载流子的浓度本征载流子的浓度表达式：式中，n和p分别为自由电子和空穴的浓度；K1为常数，其数值为4.82*1015K-2/3；T为热力学温度；k为波尔兹曼常数；Eg为禁带宽度。由上式可知，本征载流子n和p的浓度与温度T和禁带宽度Eg有关。随着温度T的增加，n和p显著增大；Eg小的，n和p大，而Eg大，n和p小。（一）本征载流子的浓度（一）本征载流子的浓度半导体材料电导率理论公式式中n,p为半导

8、体中电子和空穴的体积密度；μe,μh分别为电子和空穴的迁移率22二