第二章材料的电学性能,目录,2.1导体、绝缘体和半导体的划分,2.2金属的导电性,2.3半导体的电学性能,2.4电介质材料及其介电性能,2.5压电材料及其介电性能,2.8热电材料及其介电性能,2.6热释电材料及其介电性能,2.7铁电材料及其介电性能,2.9超导材料及其超导电性,2.3半导体材料导电性,2.3.1 半导体材料概况,(2) 依据电子参与成键情况本征半导体 所有外层电子都成键；所有结合键上电子都满额掺杂半导体 N型： Si(As,P) P型： Si(B,Al,Ga),(1) 依据化学组元个数，分为元素半导体Si、Ge化合物半导体III-V族 GaAs, InSb, InP 等II-VI族 CdS, CdTe, ZnO等(Ga1xAlx)As, HgCdTeS等,掺杂半导体 N型： Si(As,P)，多余电子 P型： Si(B,Ga)，多余空穴,结构特征：代位式固溶体,2.3.1 半导体材料概况,光学应用激光器等 GaAs, InSb, InP等,(3) 主要用途,微电子技术应用： Si、Ge基半导体为主,信息处理的基础,信息传输的基础，信息存储,信息技术基本环节：产生处理(微电子技术，计算机)传输(激光载体，光纤)存储(光、磁存储，光盘、磁盘),光电信号转换的基础,信息技术中光电转换：光电导,2.3.1 半导体材料概况,半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。20世纪70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进，尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进人信息社会。微电子技术是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半导体技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点，从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发展。,2.3.2 半导体的导电性特征：室温下，半导体的电阻率介于10-2 109cm；半导体：Eg n, 空穴浓度大于电子浓度,设 型半导体单位体积中有 个施主原子，施主能级为 ，具有电离能,导带中的电子浓度 和费米能级为：,3）杂质半导体中的载流子浓度,p型半导体的载流子主要为空穴，仿照上式可得：,受主杂质浓度， 受主能级，电离能，,式中：,对本征半导体，其电导率为：,型半导体电导率为：,4）本征半导体和杂质半导体的电导率,第一项与杂质浓度无关。第二项与施主杂质浓度 有关，因为 ，故在低温时，上式第二项起主要作用；高温时杂质能级上的有关电子已全部离解激发，温度继续升高时，电导率增加是属于本征电导性（即第一项起主要作用）。本征半导体或高温时的杂质半导体的电导率与温度的关系可简写为：,型半导体：,5）杂质半导体的电导率随温度的变化关系,N型半导体电导率随温度的变化,随温度的增加，越来越多的施主杂质电子能进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带。当达到这一温度时，称为施主耗尽。此时电导率为常数（因为温度太低，无本征电子及空穴的导电）。通常选择在施主耗尽即平台温度的范围内工作。,即使是百万分之一量级的掺杂浓度，也可使得载流子浓度提升到 1016/cm3量级的水平，远大于本征载流子浓度，相应地半导体的导电能力得到大幅提高。掺杂特性 然而随着温度的升高，本征载流子的浓度迅速增长，而杂质提供的载流子则基本上不再改变了。因此，高温时，即使是掺杂半导体，由于本征激发将占主导地位，使总体上将表现出本征半导体的特点。从这里我们也可以理解，为什么通常的电子器件不能在高温下使用的原因之一就是在较高温度下本征激发了，导致器件失效。 通常一块半导体材料中往往同时含有两种类型的杂质，这时半导体的性质主要取决于掺杂浓度高的杂质。,杂质半导体特性,1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质)时，主要靠空穴导电。,2.3.7 PN结的导电性,这是构成半导体二极管和三极管的基础。,霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall, 1855-1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。,当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。,2.3.8 霍尔效应及其应用,霍尔效应的本质,霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。,（a）N型半导体试样，若在X方向的电极D、E上通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：,（a）,（b）,（1）,无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg的方向均沿Y轴反方向，在此力的作用下，载流子发生偏移，则在Y方向即试样A、A电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A、A两侧产生一个电位差VH，形成相应的附加电场E霍尔电场，相应的电压VH称为霍尔电压，电极A、A称为霍尔电极。电场的指向取决于试样的导电类型。N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴。对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样则沿Y方向，有,显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与Fg方向相反的横向电场力：,