材料物理性能测试技术讲课-电学特性概要.ppt

晶体能带与原子能级不一定有一一对应关系 Si 单晶： 杂化 分裂成两个各包含 2N 个能级的能带： 价带导带 4N 个价电子恰好填满价带，导带全空 半导体的电学性能 半导体的能带结构及导电性 A-A为第一允带的上限，B-B为第二允带的下限，水平线为可能的电子能级而垂直线为填满电子的能带区域 （a）和（b）的情况对应于能带的重叠，（c）和（d）对应于能带间存在脱节的能隙禁带。此外（a）和（c）的情况表明，电子仅部分地填充第一允带。 金属（a、b、c）和绝缘体（d）的能带特征 在任何物体中电的迁移总是和准自由电子沿外加场方向的定向移动有关，和他们从能带的低能级向未填充高能级的迁移有关，这种迁移的可能性决定于指数因子 ?E为一个电子越过禁带所需要的能量 禁带越宽，这种迁移的概率就越小 金属（a、b、c）和绝缘体（d）的能带特征 如果把具有图（a）（b）（c）能带结构的物质置于电场中，那么电子将沿电场的方向加速，且可能迁移到更高的未填充能级，因为对于他们的迁移不需要增加很大的能量。 由于在电子本身的运动中将经受碰撞，而在非弹性碰撞时他们将转移到低的自由能级，这一转移的能量将以焦耳热的形式散发。 问题是，并不是所有的电子都参与电的迁移，参加形成电流的只是能量接近与费米面的那些电子 外场作用下能保证电子在能量不明显变化的情况下，从一个能级向另一个能级定向迁移的能带称为导带。 图（d）的情况对应于填充第一允带的饱和，而在第一和第二允带间存在禁带。显然，对于这种情况电子在外场作用下不可能迁移到更高的能级。因为对于这样的迁移必须从外场获得比kT大的多（几千电子伏特数量级）的能量，因此在这些材料中不存在导带，也就没有沿外场方向的电子流 金属（a、b、c）和绝缘体（d）的能带特征 可见电子在外场的作用下经过能隙迁移的概率决定于满带与空带之间的禁带宽度，即?E的大小。 如果?EkT，那么电子迁移到下一个允带未填充能级的概率很小，有这种能带结构的材料就是绝缘体 当价电子带（价带）中电子未完全填满或即使填满，但有无电子带（空带）与它相重叠，则电子可以在较小的电场电位差下加速而移向邻近的状态，这就决定了这类物质的高导电性。 半导体的能谱接近与绝缘体的能谱，在绝对零度下第一允带完全填满，而由第一能隙?E分开的第二允带空着，导电性等于零。由于半导体带与带之间能隙大小?E比绝缘体小得多，虽然对于某些半导体在常温下依靠外场的激发电子也不能跃迁到空带，造成电子的迁移，但提高温度却能够使某些数目的电子跃迁到空带中未填充的低能级上，这样跃迁的结果晶体获得了导电能力。 ?n个电子跃迁到上一个空带中就使得下面原来的满带空出?n个电子态，这些空出的态现在可以作为晶体能谱中的“空穴”看待。依靠空穴移到更低能级的电子交换位置，同样决定了电子迁移。 由于半导体中有两种电子迁移的机制，因此往往要研究两种导电类型：电子导电和空穴导电 本征半导体和杂质半导体 半导体的能带结构类似于绝缘体，只因它们的禁带宽度较小（一般在2eV以下），在室温下有一定的电导率 半导体电导率的一个显著特点是对纯度的依赖性较为敏感 假如半导体不存在任何杂质原子，且原子在空间严格遵循周期排列，这时半导体中的载流子只能是从满带激发到导带的电子和满带中留下的空穴 本征半导体的载流子 最常见的是热激发 如果用n和p分别代表导带中电子和满带中空穴的浓度，显然未受到任何杂质或点阵缺陷的影响下，在本征激发的情况下n=p 只有本征激发过程的半导体称为本征半导体 最易发生的本征激发就是使“价带顶”附近的电子跃迁到“导带线”附近，而价带中的空穴则处在价带顶附近 四族元素半导体和化合物半导体 （一）本征半导体 本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体 禁带 价带 导带 EC EV 本征半导体 能带特征： 价带全满、导带全空、禁带中无能级 分类： 四族元素半导体： 化合物半导体： IV-IV 族： III-V 族： （锑化铟） II-VI 族： （硫化镉）， （碲化锌） 宽禁带、大功率半导体材料 物性 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC Si 熔点 2839 2700 2800 1420 禁带宽 2.2 2.9 3.2 1.1 击穿场强 热导率 4.9 4.9 5.0 1.5 SiC与Si的物性比较 本征Si 原子键合与导电机制： 电场 Si 每当一个电子从价带被激发到导带，便在价带中留下一个电子空位， 空穴 导带电子和价带空穴成对出现: 导带电子: 准自由电子、可在电场的作用下定向运动、形成电流 导带电子 价带空穴: 电场 Si 等效载流子 其导电过