第二章材料的导电性能3武汉理工大学出版社.ppt

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1、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,

2、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

3、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

4、；半导体：Eg2eV半导体导电率随温度按指数规律变化 对光照、电/磁场以及自身成分结构具有敏感性在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无运动的电子。但当温度升高或受光照射时，也就是半导体受到热激发时，共价键中的价电子由于从外界获得了能量，其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子。,半导体能带结构示意图,(1)温度敏感性：对于温度非常敏感，本征导电性随温度升高呈指数规律增强(2)杂质敏感性：异常敏感，是所有材料性能中对于杂质(或掺杂)最敏感的性能(3)光照敏感性：受电磁波辐射(波长小于吸收限的所有电磁辐射，包括可见光、甚至近红外线)，导电性大幅度增加，具有光

5、致导电效应(photoconductivity),载流子情况：导带电子n价带空穴p,电导率理论公式：,本征半导体中，价带电子激发到导带中而产生载流子，故 np,掺杂半导体中受掺杂的影响：N型半导体中以导带电子为主要载流子；而P型半导体中以价带空穴为主要载流子,=ph e n e e,2.3.2.半导体的导电性特征,2.3.3.半导体结构与能带特征,晶体结构特征：维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4；掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变；纯度极高 晶体缺陷极低,材料制备 超常规条件与技术 超净室技术 区域熔化提纯技术起源 单晶体生长技术 完全消除晶界 低位错密度晶体生长技术

6、离子注入合金化技术/快速扩散掺杂,半导体材料能带特征,大小随温度升高小幅降低固溶体可以调节掺杂半导体有掺杂能级,能带间隙：Eg EC EV,价带、导带及能带间隙,间接带隙与直接带隙半导体,2.3.4半导体的本征导电1）本征半导体纯净的无结构缺陷半导体单晶，如单晶Si。2）本征激发即在一定的温度下，由于热激发的作用，一部分价电子可以获得超过带隙（Eg）的附加能量而从价带跃迁至导带，这种过程为本征激发;（而不借助掺杂，台阶）3）本征载流子半导体受到热激发，满带中的部分价电子跃迁到空带中，价带中就留下一些空状态，形成自由电子和空穴导带中的电子和价带中的空穴，由热激发产生 价带中的空穴浓度（p）和导带

7、中电子浓度（n）相等 电子和空穴是成对出现的（人与座位）,硅或锗的晶体结构,金刚石型的结构，每个原子的最近邻有四个原子，组成正四面体，每个硅或锗原子最外层有四个价电子。单晶硅或锗中原子与相邻的四个原子通过共价键结合起来。,导带,价带,Eg,由于热运动，电子从键上脱离，留下空穴,E,EF,ns2np2,本征载流子（自由电子和空穴）浓度：,4）本征导体的电导率,本征载流子迁移率单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度,在漂移过程中，载流子不断地互相碰撞，使得大量载流子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度E成正比。自由电子和空穴的定向平均漂移速度分别为,迁移率,电流密度单位面积的电流本征半

8、导体在电场E作用下，空穴载流子将沿E方向作定向漂移运动，产生空穴电流ip；自由电子将逆电场方向作定向漂移运动，产生电子电流 in。总电流密度J为：本征半导体的电阻率：本征电导率：,本征半导体的电学特性,1)本征激发成对产生自由电子和空穴，自由电子浓度与空穴浓度相等；2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度ni 越小；3)温度升高时载流子浓度ni 增大。4)载流子浓度ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导 体的导电能力很微弱。,2.3.5 杂质半导体的导电特性,当纯净的半导体掺入适量的杂质时，也可以提供载流子，其导电性能有很大的改善(增大)，导电机理也有所不同，这种半导体为杂质半导体。两种杂质：施

9、主杂质（denoter)和受主杂质(accepter)施主杂质：向导带提供电子的杂质，A=P,As受主杂质：价带向其提供电子/向价带提供空穴,A=B N 型和 P 型半导体N 型：载流子以导带电子为主，而电子主要由施主提供P 型：载流子以价带空穴为主，而空穴主要由受主提供,N 型半导体，这里的 P 提供电子,1）N 型半导体,五价元素如 P,Si,Si,Si,Si,Si,P,Si,Si,电子,N 型半导体能带示意图,施主能级 ED，对于轻度掺杂，ED 接近导带底部,Eg-Ed 0.01eV，极容易热激发至导带,杂质原子电子成为导电电子所需能量10-2ev,硅原子电子成为导电电子所需能量,常温下

10、，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都可以进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征半导体显著地增多。,P 型半导体，这里 B 提供空穴,2）P 型半导体,三价元素如 B,Si,Si,Si,Si,Si,B,Si,Si,空穴,掺入三价杂质元素（硼，铝，镓，铟）后，三价元素原子只有三个价电子，当其取代点阵中的硅原子并与周围的硅原子形成共价键时，必然缺少一个价电子，形成一个空位置。,P 型半导体能带示意图,受主能级 EA，对于轻度掺杂，EA 接近价带顶部,Many HOLES!Valence Band,Conduction Band,Acceptor Level,“P Type”,EA,Eg

11、,EV,EA-EV 0.04eV，极容易热激发至受主能级,杂质原子接受的电子能量高于价带顶部能量，但十分接近价带。Ea是电子从价带跳到杂质原子能级所需能量，称为受主能级；三价元素原子为受主杂质。在常温下，处于价带中的价电子都可以进入受主 能级。所以每一个 三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产 生一个空穴。,价带中有来自受主提供的大量的空穴，主要载流子，多子导带中有少数由于本征激发的电子，少量载流子，少子,p 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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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：,FE=eEH（2）,其中EH为霍尔电场强度。,FE随电荷积累增多而增大，当达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力e EH与洛仑兹力 相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有（3）设试样的宽度为b，厚度为d，载流

17、子浓度为n，则电流强度Is与的 关系为（4）由（3）、（4）两式可得,即霍尔电压VH（A、A电极之间的电压）与IsB乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。由式（5）可见，只要测出VH（伏）以及知道Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3库仑）。,（5）,霍尔元件就是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件，对于成品的霍尔元件，其RH和d已知，因此在实际应用中式（5）常以如下形式出现：,VH=KHIsB（7）,其中比例系数 KH=称为霍尔元件灵敏度（其值由制造厂家给出），它表示该器件在单位工作电流

18、和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。Is称为控制电流。,KH越大，霍尔电压VH越大，霍尔效应越明显。从应用上讲，KH愈大愈好。KH与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度较高，这也是一般霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的原因。另外，KH还与d成反比，因此霍尔元件一般都很薄。本实验所用的霍尔元件就是用N型半导体硅单晶切薄片制成的。,霍尔效应的应用,（1）测定载流子浓度和迁移率 根据霍尔电压的正负，判断半导体的导电类型。根据霍尔电压的大小，测定载流子浓度和迁移率。（2）霍尔器件 现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作

19、信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等。,汽车中的点火器、计程器、油箱液位控制、自动门、自动窗、反射镜旋转、自动开顶板等，几乎有20-30个霍尔传感器在工作。,应用实例,绝对零度,温度升高光照射,满带电子被激发到空带,参与导电,满带变成部分占满的能带,导带电子:空带多了电子价带空穴:满带少了电子,参与导电,2.3.9半导体导电性的影响因素,通常情况下电导率（电阻率）与温度的关系为：,还有一些半导体，在某些特定的温度附近电阻率变化显著。热敏效应的应用：热敏温度计、电路温度补偿器、无触

20、点开关。,式中，B 材料电导活化能，B 越高，电阻率随温度变化越大。,（1）热敏效应,BaTiO3,“掺杂”,居里点附近,发生相变,电阻率,103106,热敏变色油墨,PTC热敏电阻,热敏温度计,温度补偿器,（2）光敏效应,-光的照射使某些半导体材料的电阻明显下降,“光电导”,-应用：自动控制系统、照明自动化。,（3）压敏效应,电压敏感效应：对某些半导体（如氧化锌陶瓷半导体），通过它的电压和电流之间不存在线性关系，即电阻随电压而变。在某一临界电压（压敏电压）以下电阻值很高，几乎没有电流流过，但当电压超过其压敏电压时，电阻迅速下降，电流急剧增大。,用具有压敏特性的材料可以制成压敏电阻器，用非线性

21、系数来描述压敏电阻器的灵敏性，即：,压敏电阻可用于电子仪器的低压及高压的过电压保护元件、高压稳压、避雷器等,（3）压敏效应,压力敏感效应：,半导体材料，施加压力，发生变形，能带结构也会发生变化，因而，材料的电阻率发生改变。这种由于应力而使电阻率发生改变的现象称为压力敏感效应。,式中，0无应力时电阻率；加应力后电阻率变化量；压阻系数；T施加的应力（拉为正，压为负）。,（4）磁敏效应,磁阻效应 半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电流密度下降，即磁场的存在使半导体的电阻增大，这种现象称为磁阻效应。,设0为无磁场时的电阻率，B为加磁场Bz时的电阻率，则磁阻为（B-0）/0=/0，,表示弱霍尔磁

22、场系数；为霍尔迁移率；为横向磁阻系数,气敏效应：利用陶瓷的表面性质可制成气敏元件，主要由表面效应和体效应两种类型，主要用于防灾报警及检测计量等方面。,湿敏效应：对空气或其他气体、液体和固体物质中水分含量敏感的陶瓷材料。湿敏电阻可将湿度的变化转换成电信号，易于实现湿度指示、记录和控制自动化。,2.3.10 半导体陶瓷及其物理性能,半导体陶瓷：主要由具有较大禁带宽度的氧化物组成，在常温下是绝缘体。通过微量杂质的引入，控制烧结气氛及陶瓷的微观结构，使之受到热激发产生导电载流子，从而成为具有一定性能的半导体。,小结,4.霍尔效应以及应用,6.陶瓷半导体及其分类,1.半导体的晶体结构和能带结构,2.本征半导体的导电性能,3.掺杂半导体的导电特征,半导体的电学性能,5.影响半导体导电性能的因素,