武漢理工材料物理學(xué)9

1、第第5章章 導(dǎo)電物理導(dǎo)電物理 本章將介紹金屬材料和半導(dǎo)體材料（也包括本章將介紹金屬材料和半導(dǎo)體材料（也包括半導(dǎo)體陶瓷）的導(dǎo)電機(jī)制，著重從能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體陶瓷）的導(dǎo)電機(jī)制，著重從能帶結(jié)構(gòu)的角度分析材料的導(dǎo)電行為。本章還介紹了的角度分析材料的導(dǎo)電行為。本章還介紹了利用材料的導(dǎo)電物理特性制得的一些功能材利用材料的導(dǎo)電物理特性制得的一些功能材料，例如料，例如p-n結(jié)、晶體管等。結(jié)、晶體管等。本章提要本章提要5.1概述5.2材料的導(dǎo)電性能 5.4半導(dǎo)體物理 5.3金屬電導(dǎo) 5.5 超導(dǎo)物理 2個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)第第5章章 導(dǎo)電物理導(dǎo)電物理 2個(gè)學(xué)時(shí)10個(gè)學(xué)時(shí)5.4半導(dǎo)體物理 5.4.1半導(dǎo)體與p-n結(jié)

2、5.4.2半導(dǎo)體的物理效應(yīng)5.4.3能帶理論在半導(dǎo)體中的應(yīng)用5.4.4半導(dǎo)體陶瓷的缺陷化學(xué)理論基礎(chǔ)2個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)5.4.1半導(dǎo)體與p-n結(jié)5.4.1.1本征半導(dǎo)體與非本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體與非本征半導(dǎo)體 純硅和純鍺屬于本征半導(dǎo)體。這里，純硅和純鍺屬于本征半導(dǎo)體。這里，“本征本征”是具有是具有“原本特征原本特征”的意思。這些半導(dǎo)體的禁的意思。這些半導(dǎo)體的禁帶帶Eg比較小，具有足夠熱能的電子能夠越過(guò)禁比較小，具有足夠熱能的電子能夠越過(guò)禁帶，從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶。被激發(fā)的電子原來(lái)帶，從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶。被激發(fā)的電子原來(lái)占據(jù)的價(jià)帶的能級(jí)上則留下一個(gè)空穴。占據(jù)的價(jià)帶的能級(jí)上則留下一個(gè)空穴。

3、如果一個(gè)電子過(guò)來(lái)填充這個(gè)空穴，那么它如果一個(gè)電子過(guò)來(lái)填充這個(gè)空穴，那么它原來(lái)的能級(jí)上又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴。所以空原來(lái)的能級(jí)上又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴。所以空穴可以攜帶一個(gè)正電荷，空穴的移動(dòng)也會(huì)穴可以攜帶一個(gè)正電荷，空穴的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電流。如果在半導(dǎo)體材料上加上電壓，產(chǎn)生電流。如果在半導(dǎo)體材料上加上電壓，導(dǎo)帶上的電子朝正極移動(dòng)，價(jià)帶上的空穴導(dǎo)帶上的電子朝正極移動(dòng)，價(jià)帶上的空穴則向負(fù)極移動(dòng)則向負(fù)極移動(dòng)圖圖5.4-1在外加電壓作用下在外加電壓作用下,半導(dǎo)體中的電子在半導(dǎo)體中的電子在導(dǎo)帶中移動(dòng)導(dǎo)帶中移動(dòng),空穴則在價(jià)帶中朝相反方向移動(dòng)空穴則在價(jià)帶中朝相反方向移動(dòng) 本征半導(dǎo)體中，通過(guò)控制溫度來(lái)控制載流本征半導(dǎo)體中，通

4、過(guò)控制溫度來(lái)控制載流子的數(shù)量及其導(dǎo)電性。在絕對(duì)零度時(shí)，所子的數(shù)量及其導(dǎo)電性。在絕對(duì)零度時(shí)，所有的電子都處于價(jià)帶，導(dǎo)帶中的所有能級(jí)有的電子都處于價(jià)帶，導(dǎo)帶中的所有能級(jí)都是空的。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子占據(jù)導(dǎo)帶都是空的。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子占據(jù)導(dǎo)帶能級(jí)的可能性也增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也能級(jí)的可能性也增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也隨之增加。半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性與溫度的這隨之增加。半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性與溫度的這種關(guān)系剛好與金屬相反。在金屬中，導(dǎo)電種關(guān)系剛好與金屬相反。在金屬中，導(dǎo)電性是隨著溫度升高而降低的。性是隨著溫度升高而降低的。 在實(shí)際應(yīng)用中，本征半導(dǎo)體由于兩種載流在實(shí)際應(yīng)用中，本征半導(dǎo)體由于兩種載流子的數(shù)量相等，顯示不出

5、它們彼此的特性。子的數(shù)量相等，顯示不出它們彼此的特性。所以不能用來(lái)制作晶體管之類的電子器件。所以不能用來(lái)制作晶體管之類的電子器件。但是本征半導(dǎo)體對(duì)光、射線、溫度的作用但是本征半導(dǎo)體對(duì)光、射線、溫度的作用非常敏感，使半導(dǎo)體的載流子數(shù)量隨之發(fā)非常敏感，使半導(dǎo)體的載流子數(shù)量隨之發(fā)生明顯變化，因此可用來(lái)制作一些探測(cè)器。生明顯變化，因此可用來(lái)制作一些探測(cè)器。 鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體鍺比硅容易提純，所以最初發(fā)明的半導(dǎo)體三極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度三極管是鍺制成的。但是，鍺的禁帶寬度（0.67eV）只有硅的禁帶寬度（）只有硅的禁帶寬度（1.11eV）的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而

6、的大約一半，所以硅的電阻率比鍺大，而且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜且在較寬的禁帶中能夠更加有效地設(shè)置雜質(zhì)能級(jí)，所以后來(lái)硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺質(zhì)能級(jí)，所以后來(lái)硅半導(dǎo)體逐漸取代了鍺半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個(gè)主要原因是在半導(dǎo)體。硅取代鍺的另一個(gè)主要原因是在硅的表面能夠形成一層極薄的硅的表面能夠形成一層極薄的SiO2絕緣膜，絕緣膜，從而能夠制備從而能夠制備MOS型三極管。型三極管。 除了硅和鍺以外，還出現(xiàn)了像砷化鎵除了硅和鍺以外，還出現(xiàn)了像砷化鎵（GaAs）這樣由）這樣由族元素和族元素和族元素組成族元素組成的化合物半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，載的化合物半導(dǎo)體。在化合物半導(dǎo)體中，載流子的移動(dòng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

7、硅和鍺，所以能流子的移動(dòng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅和鍺，所以能夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。夠制備更加高速的大規(guī)模集成電路。 由于溫度會(huì)影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以由于溫度會(huì)影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，所以很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如很難嚴(yán)格控制本征半導(dǎo)體的性能。但是，如果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本果在半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)，可以得到非本征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范于添加的雜質(zhì)原子的數(shù)量，而在一定溫度范圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。圍內(nèi)與溫度關(guān)系不大。5.4.1.2n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 如果在硅

8、或鍺中添加的施主是像銻或磷一樣如果在硅或鍺中添加的施主是像銻或磷一樣的的5價(jià)元素，那么銻或磷中的價(jià)元素，那么銻或磷中的4個(gè)價(jià)電子會(huì)參個(gè)價(jià)電子會(huì)參加共價(jià)鍵結(jié)合。富余的那個(gè)價(jià)電子有可能進(jìn)加共價(jià)鍵結(jié)合。富余的那個(gè)價(jià)電子有可能進(jìn)入導(dǎo)帶，參加導(dǎo)電。向本征半導(dǎo)體提供電子入導(dǎo)帶，參加導(dǎo)電。向本征半導(dǎo)體提供電子作為載流子的雜質(zhì)元素稱為施主。摻入了施作為載流子的雜質(zhì)元素稱為施主。摻入了施主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以負(fù)電荷（電子）作主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以負(fù)電荷（電子）作為載流子，所以稱為為載流子，所以稱為n（negative，表示負(fù)，表示負(fù)電荷的意思）型半導(dǎo)體。電荷的意思）型半導(dǎo)體。n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體施主的富余價(jià)電

9、子所處的雜質(zhì)原子的電子能級(jí)低施主的富余價(jià)電子所處的雜質(zhì)原子的電子能級(jí)低于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。這個(gè)富余價(jià)電子并沒(méi)有被施主于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。這個(gè)富余價(jià)電子并沒(méi)有被施主原子束縛得很緊，只要有一個(gè)很小的能量原子束縛得很緊，只要有一個(gè)很小的能量Ed就可就可以使這個(gè)電子進(jìn)入導(dǎo)帶。施主的這個(gè)價(jià)電子進(jìn)入以使這個(gè)電子進(jìn)入導(dǎo)帶。施主的這個(gè)價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，不會(huì)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。隨著溫度的升導(dǎo)帶后，不會(huì)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。隨著溫度的升高，越來(lái)越多的施主電子越過(guò)禁帶高，越來(lái)越多的施主電子越過(guò)禁帶Ed進(jìn)入導(dǎo)帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，最后所有的施主的電子都進(jìn)入導(dǎo)帶，此時(shí)稱為施最后所有的施主的電子都進(jìn)入導(dǎo)帶，此時(shí)稱為施主耗盡。如果溫度繼續(xù)升高，

10、電導(dǎo)率將維持一個(gè)主耗盡。如果溫度繼續(xù)升高，電導(dǎo)率將維持一個(gè)常量。在更高的溫度下，才會(huì)出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)常量。在更高的溫度下，才會(huì)出現(xiàn)本征半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)電性。生的導(dǎo)電性。圖圖5.4-2n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體a）摻雜）摻雜b）能級(jí)圖）能級(jí)圖如果在硅或鍺中添加的雜質(zhì)是像鎵（如果在硅或鍺中添加的雜質(zhì)是像鎵（Ga）一樣）一樣的的3價(jià)元素，沒(méi)有足夠的電子參與共價(jià)鍵的結(jié)合。價(jià)元素，沒(méi)有足夠的電子參與共價(jià)鍵的結(jié)合。如果價(jià)帶上的其他電子過(guò)來(lái)填充這個(gè)空穴，在如果價(jià)帶上的其他電子過(guò)來(lái)填充這個(gè)空穴，在價(jià)帶上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，參加導(dǎo)電。向價(jià)帶上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，參加導(dǎo)電。向本征半導(dǎo)體提供空穴作為載流子的雜質(zhì)元素稱本征

11、半導(dǎo)體提供空穴作為載流子的雜質(zhì)元素稱為受主。摻入了受主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以正為受主。摻入了受主雜質(zhì)的非本征半導(dǎo)體以正電荷（空穴）作為載流子，所以稱為電荷（空穴）作為載流子，所以稱為p（positive，表示正電荷的意思）型半導(dǎo)體。，表示正電荷的意思）型半導(dǎo)體。價(jià)帶上的電子只有獲得能量?jī)r(jià)帶上的電子只有獲得能量Ea，才能躍遷上去，才能躍遷上去填充受主的空穴而在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴。價(jià)帶上填充受主的空穴而在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴。價(jià)帶上的空穴可以移動(dòng)，傳導(dǎo)電流。的空穴可以移動(dòng)，傳導(dǎo)電流。 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體a）摻雜）摻雜b）能級(jí)圖）能級(jí)圖圖圖5.4-3p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體表表5.4硅與鍺中的施主能級(jí)硅與鍺中的施主能

12、級(jí)Ed(eV)和受主的能和受主的能級(jí)級(jí)Ea(eV)摻雜元素?fù)诫s元素硅硅Ed硅硅Ea鍺鍺Ed鍺鍺EaP0.0450.0120As0.0490.0127Sb0.0390.0096B0.0450.0104Al0.0570.0102Ga0.0650.0108In0.1600.0112圖圖5.4.4半導(dǎo)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和數(shù)量相等，而非本征半導(dǎo)體中的電子載流子和空穴載流子的數(shù)量是不相等的?？昭ㄝd流子的數(shù)量是不

13、相等的。非本征半導(dǎo)體中的由于雜質(zhì)原子而形成的載非本征半導(dǎo)體中的由于雜質(zhì)原子而形成的載流子稱為多數(shù)載流子，雖然摻入的雜質(zhì)原子的流子稱為多數(shù)載流子，雖然摻入的雜質(zhì)原子的數(shù)量與半導(dǎo)體原子數(shù)量相比只是少數(shù)。而本征數(shù)量與半導(dǎo)體原子數(shù)量相比只是少數(shù)。而本征半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)半導(dǎo)體中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的載流子稱為少數(shù)載流子。載流子。 本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的主要區(qū)別本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體的主要區(qū)別化合物半導(dǎo)體通常具有與硅和鍺相似的能帶化合物半導(dǎo)體通常具有與硅和鍺相似的能帶結(jié)構(gòu)。周期表的結(jié)構(gòu)。周期表的族元素和族元素和族元素是典型族元素是典型的例子。的例子。族元素鎵（族元素鎵（Ga）和）

14、和族元素砷族元素砷（As）結(jié)合在一起形成化合物砷化鎵。在砷）結(jié)合在一起形成化合物砷化鎵。在砷化鎵中，每個(gè)原子平均有化鎵中，每個(gè)原子平均有4個(gè)價(jià)電子。鎵的個(gè)價(jià)電子。鎵的4s24p1 能級(jí)與砷的能級(jí)與砷的 4s24p3 的能級(jí)形成的能級(jí)形成2個(gè)個(gè)雜化能帶。每個(gè)能帶能夠容納雜化能帶。每個(gè)能帶能夠容納4N個(gè)電子。價(jià)個(gè)電子。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為1.35eV。砷化鎵。砷化鎵半導(dǎo)體摻雜后也可以形成半導(dǎo)體摻雜后也可以形成p型半導(dǎo)體或型半導(dǎo)體或n型半型半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體的禁帶較大，所以耗盡導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體的禁帶較大，所以耗盡區(qū)平臺(tái)也較寬。而且化合物半導(dǎo)體中載流子區(qū)平臺(tái)也較寬。而

15、且化合物半導(dǎo)體中載流子的移動(dòng)速率較大，所以它的導(dǎo)電性比較好。的移動(dòng)速率較大，所以它的導(dǎo)電性比較好。 離子化合物半導(dǎo)體又稱為缺陷半導(dǎo)體。在離離子化合物半導(dǎo)體又稱為缺陷半導(dǎo)體。在離子化合物半導(dǎo)體中，如果含有多余的陰離子，子化合物半導(dǎo)體中，如果含有多余的陰離子，則為則為p型半導(dǎo)體；含有多余的陽(yáng)離子，則為型半導(dǎo)體；含有多余的陽(yáng)離子，則為n型半導(dǎo)體。許多氧化物和硫化物都有這種半型半導(dǎo)體。許多氧化物和硫化物都有這種半導(dǎo)體性能。導(dǎo)體性能。 圖圖5.4.5n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體ZnO的形成的形成 半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體熱電儀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。利用這一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于

16、利用這一特性可以制成半導(dǎo)體熱電儀，用于火災(zāi)報(bào)警器?；馂?zāi)報(bào)警器。 壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中壓力傳感器。能帶結(jié)構(gòu)和禁帶結(jié)構(gòu)與材料中的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)的原子之間的距離有關(guān)。處于高壓下的半導(dǎo)體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變體材料，其原子間距離變小，禁帶也隨之變小，電導(dǎo)率增大。所以通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的變小，電導(dǎo)率增大。所以通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的變化，就可以測(cè)量壓力。化，就可以測(cè)量壓力。 半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體的應(yīng)用 5.4.1.2p-n結(jié)結(jié) 圖圖5.4.6p-n結(jié)的導(dǎo)電行為結(jié)的導(dǎo)電行為 圖圖5.4.7p-n結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 圖圖5.4.8p-n結(jié)的整流效應(yīng)結(jié)的整流效應(yīng)

17、p-n結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 在在p-n結(jié)處于反向偏壓時(shí)，一般只有很小的結(jié)處于反向偏壓時(shí)，一般只有很小的漏電流，這是由于熱激發(fā)的少量電子和空穴漏電流，這是由于熱激發(fā)的少量電子和空穴引起的。但是，如果反向偏壓太大，通過(guò)引起的。但是，如果反向偏壓太大，通過(guò)p-n結(jié)的絕緣區(qū)的漏電流的載流子將會(huì)被大大結(jié)的絕緣區(qū)的漏電流的載流子將會(huì)被大大加速，從而激發(fā)出其他的載流子，導(dǎo)致在反加速，從而激發(fā)出其他的載流子，導(dǎo)致在反向偏壓下也產(chǎn)生一個(gè)很大的電流。這種現(xiàn)象向偏壓下也產(chǎn)生一個(gè)很大的電流。這種現(xiàn)象稱為稱為p-n結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 可以通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和可以通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體摻雜和p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)結(jié)的結(jié)構(gòu)來(lái)改變來(lái)改變p-n結(jié)的反向許可電壓。當(dāng)電路上結(jié)的反向許可電壓。當(dāng)電路上的電壓超過(guò)反向許可電壓時(shí)