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第8章 半导体材料 半导体技术发展简介 半导体产业的发展导致了电子工业革命 半导体器件的新的设计：半导体异质结、超晶格、量子阱材料，将进一步改变人类的生活方式 1. 首次报道半导体 8.1.1 基本理论 当大量原子结合成晶体时（如，1019个原子大约可形成1mm3的晶体), 由于相邻原子电子云相互交叠，对应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定能量宽度的能带。 (二)、半导体的导电机理 当半导体价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于ΔEg，电子可以从价带跃迁到导带上自由运动，传导电子的负电荷。同时在价带中留下一个空的能级位置--空穴,在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。 8.2 半导体材料的分类 按其功能及应用： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波半导体材料、敏感半导体材料等； 按材料种类：无机半导体、有机半导体； 按化学组成：元素半导体、化合物半导体； 按结构：晶态和非晶态半导体 8.2.1 元素半导体材料 硅在整个半导体材料占绝对优势。目前，90％以上的半导体器件和电路都是用Si来制作的。 硅材料的发展趋势： （1）提高硅的纯度,杂质含量＜10-9； （2）单晶硅的直径越做越大； （3）发展多晶硅。 元素半导体材料分为本征半导体和杂质半导体 （1）本征半导体 非常纯且缺陷极少的半导体称为本征半导体。本征半导体中导电的电子—空穴对是由热激活导致其共价键破裂而产生的。 本征半导体的导电能力与载流子密度和温度有关。 实践中利用半导体对温度的敏感性而制作出热敏感电阻。 在半导体中，可通过引入杂质产生载流子。掺入杂质后所产生的额外能级处于禁带中间，并对实际半导体的性能起决定性作用。 根据对导电性的影响，杂质态可分为施主杂质和受主杂质，相应地两者所产生的额外能级分别为施主能级和受主能级，并最终引出两种杂质半导体，即n型半导体和P型半导体。 n型半导体:如Si、Ge中加入P、Sb、Bi、As等 P型半导体: 如Si、Ge中加入B、Al、In、Ga等 p-n结及晶体管 p-n结是构成各种半导体器件的基础，其最重要的特性是单向导电性。在同一半导体样品中，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了偶电层结构，称为P－N结。 P-n结的形成 由于P区的多数载流子是空穴， N区多数载流子是电子，这就使 交界面两侧明显地存在着两种 载流子的浓度差。 扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为P-N结。 当给pN结加正向电压或正向偏置，由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流。而且随着正向电压的增大而增大。 ?当给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽， PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 p-n结的应用 用作高效率的半导体整流器，在p－n结的基础上发展了晶体管技术。还可以利用n区与p区之间产生的电势差－光电伏特效应发展效率较高的半导体光电池。 晶体管的类型 按所用半导体材料 根据用途：整流二极管、开关二极管、稳压二极管、检波二极管等。 按照管芯结构: 点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。 整流二极管－利用二极管的单向导电性