半导体材料导论2-1全解.ppt

第二章：基本原理 材料学院 徐桂英 第二章：基本原理 * 半导体材料 在第一章中介绍的半导体材料的特征，只是根据它的主要性质来论述的，实际上这种论述并不是十分严格的。 例如当一些半导体材料的掺杂浓度很高时，其电导率也可以高出某些金属材料。 但作为第一步，使大家对半导体材料有一个初步的概念，这种介绍是必要的。 只有认识了半导体的微观结构以及这种微观结构与物性的关系，才能从根本上了解半导体的性质与性能及其与金属、绝缘体的区别，也才能理解半导体材料应用的根据。 为此要阐述半导体的能带结构、化学键、晶体结构等。这要求具备固体物理、固体化学、量子力学等近代科学理论，这就远远地超出了本课程的范围。 本课程试图深入浅出地对一些原理进行介绍，以便获得必要的概念。有了这些知识与概念才能对本课程以下各章节的内容有较深入的理解，并能了解它们之间的联系。 2.1 导电现象 2.1.1 为什么半导体的导电性不如金属 所有材料的导电率（s）可用下式表达： s = nem (2-1) 其中： n为载流子浓度，单位为个/cm3; e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s； 电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。 我们先看看室温下半导体和金属导电的差别原因： (2-1)式中的迁移率的差别：而半导体材料的迁移率一般都高于金属， 例如金属铜的室温电子迁移率为30 cm2/V.s，而硅为1500(cm2/V.s)，锑化铟则为78000cm2/V.s。 载流子浓度：金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（2-1）式看，只能是载流子浓度的差别。 在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的金属铜的载流子浓度为8.5×1022/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106~1020/cm3范围内，与金属相差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。而绝缘体因其载流子浓度接近于零，所以不导电。 既然金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加载流子，也无法束缚住载流子，所以金属的导电率难以在大范围内进行调节，掺入杂质和升温会在一定程度上能降低迁移率，使电导率降低一些。 而半导体的载流子浓度可通过升温、掺入杂质、幅照予以大幅度地增加，使其电导率发生显著变化。 为什么金属的价电子会全部解离，半导体的价电子只局部解离，而绝缘体又不解离？这些将在能带结构等章节中加以说明。 早在1879年霍尔(E.H.Hall）就发现：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。 图2.1 霍尔效应原理 负电荷 正电荷 + d H I — x （a）负电荷载流子 + d H I — x （b）正电荷载流子 2.1.1 存在两种载流子的证明 从这个电位差的正反，就可以知道载流子是带正电或负电。其原理是洛仑茨力作用的结果，也就是当电流通过磁场时，不管载流子是正还是负，只要电流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，这就使得载流子的分配偏在同一方向，如图2.1所示。 负电荷 正电荷 + d H I — x （a）负电荷载流子 + d H I — x （b）正电荷载流子 显然，载流子的电荷不同，它的霍尔电动势也不相同。可见，霍尔电动势的方向取决于载流子带的电荷是正还是负。 用此法测量金属时，证明绝大多数的金属都是靠带负电荷的载流子--电子进行导电的。 图2.1 霍尔效应原理 负电荷 正电荷 + d H I — x （a）负电荷载流子 + d H I — x （b）正电荷载流子 图2.1 霍尔效应原理 测量半导体时发现，一种材料既可以靠带负电荷的电子进行导电，又可以靠带正电荷的载流子进行导电。这种带正电荷的载流子称为空穴。 那么空穴的本性是什么？为什么半导体能产生空穴？这要在下面的关于能带结构和化学键的两节中加以说明。 既然半导体中可以存在两种载流子，那么式（2-1)可以写成 s = neme + pemp (2-2) 其中n为电子浓度； p为空 穴浓度；me,mp分别为电子与空穴的迁 移率。 如果np ，则，s = neme， 反之，若pn, s = pemp。 2.2 能带结构 我们首先看看单个原子的情况。 大家都知道原子是由原子核及其周围的电子构成的，外围的电子数等于原子核内的质子数。 这些电子都有自己的能量，根据现代量子力学的理论，这些能量是量子化的，即有一定的数值，而且是不连续的，这些彼此不连续而有一定数值的能量称为能级。 一个电子的能量只能从一个