半导体材料的简要介绍

自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而减小，这与金属导体恰好相反。

凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。

半导体的导电特性自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为 ，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。 　1.1.1　本征半导体(a)锗Ge (b)硅Si 图1.1.1 锗和硅原子结构 常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。1.本征半导体的原子结构 半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图1.1.1所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。2.本征激发在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构，如图1.1.2所示。 图　1.1.2 本征硅共价键结构 一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，将这种物理现象称作为本征激发。理论和实验表明：在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG（＝1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。在一定温度条件下，产生的“电子—空穴对”和复合的“电子—空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。http://ic.big-bit.com/

一：经典自由电子理论金属电子被束缚能较低,可以在金属中自由移动.所以加了电压就可以导电. 而半导体是以共价键形式存在,原子核对最外层电子的束缚较强,所以电子不可以随意移动.但是由于半导体是体材料,所以有好多的原子就在一起,那么他们的电子壳层就交叠在一起了.如图,那么电子就可以在这些交叠的轨道上运动了,于是也可以导电. 二：量子自由电子理论这其实半导体和金属都是运用薛定谔的方程,再根据边界条件的值求解能量表达.他们的共同点是大都在纳米量级下才能观察到能量的量子化效应.比方说,普通金属在体材料即大块的时刻,有良好的导电导热性能,但是在纳米颗粒情况下就会绝缘. 半导体的量子化可以有量子阱,量子线,量子点等.这些情况下其能级发生分离,不再是连续的. 三：能带理论这也是区别半导体和金属的比较易理解的方式.首先晶体中电子的分布要满足一定的波函数,而波函数也随这晶格周期性的变化.最终得到电子的分布空间是一些带.带和带之间时禁带,即不能存在电子.晶体能够导电是其中的电子在外电场的作用下做定向运动.电子在外电场下做加速运动,于是电子的能量就发生改变.从而电子从能量较低的带跃迁到高的带.半导体,就是能量较低的带里全部填充电子,能量高的带没有电子,因为满所以就好比大家在一起挤着不能动,那么就没有电流.但是有了外力,电子就跃迁,满的地方就空出位置,从而让旁边的电子移动,从而形成电流.金属的较高地方也有电子那么较高的能带上就有电子有空位（空穴）,所以何时都能导电.

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