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半导体物理和器件的基础知识（补充材料）陈 朝E－mail：cchen@xmu.edu.cn厦门大学物理与机电工程学院　2008年10月10日于厦门 什么是半导体？ 半导体材料的基本性质 半导体基本概念、性质 晶体结构和能带理论简介 PN结的形成及其基本性能 半导体材料的表征：基本参数及其检测 半导体光电材料简介： 第一类Ge、Si； 第二类GaAs、InP； 第三类 GaN、ZnO等。 一、半导体材料的基本性质和能带理论 1、什么是半导体？的基本性质： （1）半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间 电阻率ρ：单位（Ω·cm）： 绝缘体（橡胶）：1010～1022 Ω·cm 半导体（锗、硅）：10－2～109 Ω·cm 导体（金属）： 10－5 Ω·cm 超导体（YBaCuO）： 接近零 0 Ω·cm （2）半导体的电阻率随温度的下降而上升（和导体相反） 半导体： σ＝σ0 exp（-E/KT), σ＝ Δneμ, E=ED-EF 即： ρ＝1/σ＝ σ-1 0 exp（E/KT) 导体： ρ＝ ρ0 T, R= ρL/S 这是区别导体、半导体的主要标志。 2、半导体材料的基本性质 （3）半导体对外界各种作用（光、电、磁、热、力）很敏感 利用半导体的这特性，可以制备各种传感器（sensor）。 例如：光敏电阻、晶体管、磁场仪、热敏电阻、压力传感器等 （4）半导体的各种性能对杂质非常敏感 一般半导体的原子密度：1022/cm3, 如果含有1013～1016/cm3的杂质, 即ppb（亿万分之一10－9）（深能级杂质）—半导体纯（电子纯9N） ～ppm（百万分之一10－6）（浅能级杂质）—— 光谱纯(6N) 就对半导体性能有很明显的改变。 所以，半导体材料的提纯非常主要，没有达到半导体纯的半导体材料， 一般不显现半导体的性能。 半导体工程，又称为杂质工程！ ppb —— 半导体纯 —— ≥99.999999999% —— ≥9N～14N 3、半导体的导类型：n型和p型 在半导体中电流的载体称为载流子， 带负电荷的载流子称为n型载流子， n型载流子是电子； 带正负电荷的载流子称为p型载流子， p型载流子是空穴； 电子浓度大于空穴浓度的半导体称为n型半导体，电子多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）； 空穴浓度大于电子浓度的半导体称为p型半导体，空穴多数载流子（简称多子），电子为少数载流子（简称少子）。 空穴： 形象说法：共价键的空位（类似于水中的气泡）称为空穴； 严格定义： 满带电子的空位称为空穴 高纯、不掺杂的半导体称为本征半导体； 同时含有电子和空穴两种载流子的半导体称为补偿半导体， 电子浓度和空穴浓度相等的半导体称为完全补偿半导体。 N型半导体和 P 型半导体 N型半导体和 P 型半导体 PN结的形成示意图 PN结的单向导电性示意图 2. PN 结加反向电压（反向偏置） 2. PN 结加反向电压（反向偏置） （2）二极管的单向导电性 （3）半导体二极管 基本结构 半导体pn结二极管的伏安特性 半导体二极管的主要参数 6、能带理论简介 （1）能带理论的重要性 能带理论是上世纪科学家应用量子力学原理在处理无限晶体的电子能量状态时建立发展的理论，它已成为研究固体性质和应用的主要理论。可以毫不夸张地说，没有能带理论，就没有半导体的发展，就没有晶体管和IC，也就没有大型计算机和电脑，没有今天的各种信息产业和信息设备。 （2）固体价电子的共有化运动 导体、半导体和绝缘体的能带图 4、半导体材料的表征 纯度：光谱纯（太阳能级）6N（1ppma）以上; 电子纯（半导体纯）9N（1ppba）以上。 能带参数：禁带宽度Eg； 跃迁类型（直接、间接） 电学参数：导电类型（n型或p型） 电阻率ρ（Ω·cm） 掺杂浓度ND或NA（cm-3) 补偿度： (ND-NA ）/ ND 完整性参数：少子寿命（μs) 少子扩散长度（μM） 迁移率：μ（cm2/(v·s)）