1、材料物理2023-2-1523.1 导电性和能带理论1 单质的导电性单质的导电性金属能三维导电，是电的良导体；许多非金属单金属能三维导电，是电的良导体；许多非金属单质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间的是半导体，例如的是半导体，例如Si、Ge等。等。思考思考：单质中最好的导体是什么？Ag、Cu、Au、Al等是最好的导电材料。等是最好的导电材料。金属的纯度以及温度等因素对金属的导电性能影响相当重要。第三章第三章 电导物理电导物理2023-2-1531 单质的电导率 表 单质的电导率(MSm-1)2023-2-1543.2 固体能带理论以分子轨道理论
2、为基础。以钠为例，两个3s原子轨道可以组合形成两个分子轨道：一个能量较低的成键分子轨道和一个能量较高的反键分子轨道。当原子数目n很大时，分子轨道数也很多，这些分子轨道的能级之间相差极小，形成了具有一定上限和下限的能带，由于3s原子轨道之间的相互作用，形成3s能带。设有1mol Na原子，按泡利不相容原理可以容纳2NA个电子，而1mol Na原子只有NA个电子，只能充满3s能带较低的一半分子轨道，其他一半是空的。此时，3s能带是未满的能带，简称未满带。图 1mol钠原子的3s轨道能带2023-2-155能量最低原理：电子优先占用能量最低的轨道，能量最低原理：电子优先占用能量最低的轨道，填满低能量
3、轨道后，再填其余能量最低的轨道。填满低能量轨道后，再填其余能量最低的轨道。保里不相容原理：在同一个原子内不可能出现四保里不相容原理：在同一个原子内不可能出现四个量子数完全一样的电子。或句话说，每个轨道个量子数完全一样的电子。或句话说，每个轨道最多只能填两个电子而且自旋方向必须相反。最多只能填两个电子而且自旋方向必须相反。洪特规则：电子在能量相同的简并轨道上填充时，洪特规则：电子在能量相同的简并轨道上填充时，尽量分占不同的轨道，且自旋方向相同。此状态尽量分占不同的轨道，且自旋方向相同。此状态能量很低，有时甚至舍低能量轨道而就洪特规则。能量很低，有时甚至舍低能量轨道而就洪特规则。核外电子排布三原则
4、核外电子排布三原则2023-2-1563.2 固体能带理论一一.电子共有化电子共有化晶体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。晶体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。电子受到周期性势场的作用。a按量子力学须解定态薛定格方程。按量子力学须解定态薛定格方程。2023-2-157原子核电子高能级低能级孤立原子的能级 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级电子优先抢占低能级2023-2-158 解定态薛定格方程解定态薛定格方程(略），略），可以得出两点重可以得出两点重要结论：要结
5、论：1.电子的能量是分立的能级电子的能量是分立的能级;2.电子的运动有隧道效应。电子的运动有隧道效应。原子的外层电子原子的外层电子(高能级高能级)，势垒穿透概率较大，势垒穿透概率较大，电子可以在整个晶体中运动电子可以在整个晶体中运动,称为共有化电子。称为共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是一般不是 共有化电子。共有化电子。2023-2-159二二.能带能带(energy band)量子力学计算表明，晶体中若有量子力学计算表明，晶体中若有N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，在晶体中变
6、原来孤立原子的每一个能级，在晶体中变成了成了N条靠得很近的能级，称为能带。条靠得很近的能级，称为能带。2023-2-1510能带的宽度记作能带的宽度记作 E，数量级为，数量级为 EeV。若若N1023,则能带中两能级的间距约则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽，E越大。越大。2.点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽，E越大。越大。3.两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。2023-2-1511离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图2023-2-1512三三.能带中电子的排布能带中电子的排
7、布 晶体中的一个电子只能处在某个能带中的晶体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。某一能级上。排布原则：排布原则：1.服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子）2.服从能量最小原理服从能量最小原理设孤立原子的一个能级设孤立原子的一个能级 Enl ，它，它最多能容最多能容纳纳 2(2 +1)个电子。个电子。l这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，条能级组成的能带后，能带最多能容纳能带最多能容纳 2N(2l+1)个电子。个电子。2023-2-1513轨道角度分布图+xyzzx+zx_y+_spxpypz+_xzy+_xz+y+_z+ydxydxzdyzddx
8、y22-z22023-2-1514 电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。有关能带被占据情况的几个名词：有关能带被占据情况的几个名词：1满带（排满电子）满带（排满电子）2价带（能带中一部分能级排满电子）价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带亦称导带 3空带（未排电子）空带（未排电子）亦称导带亦称导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）2、3能带，最多容纳能带，最多容纳 6N个电子。个电子。例如，例如，1、2能带，最多容纳能带，最多容纳 2N个电子。个电子。2N(2l+1)2023-2-1515如，如，NaNa的的3s3s1 1形成形成3s3s能带：能带：(*3s
9、)3s)(3s)(3s)能量较低的能量较低的3s3s能带充满电子，称满带；能带充满电子，称满带；*3s3s能带没有电子，为空带，又称导带能带没有电子，为空带，又称导带,在满带和导在满带和导带之间有禁带。带之间有禁带。2023-2-1516满带、禁带、空带之间有三种情况：满带、禁带、空带之间有三种情况：满、导带间无禁带，电子可进入导带，此即导体导电；满、导带间无禁带，电子可进入导带，此即导体导电；满、导带间禁带很宽（满、导带间禁带很宽（480kJ mol480kJ mol-1-1），电子不能激发进入导带，），电子不能激发进入导带，此即绝缘体；此即绝缘体；禁带宽度较窄（禁带宽度较窄（96-290k
10、J mol96-290kJ mol-1-1）电子可在小能量下激发电子可在小能量下激发到导带，通常不导电。此即半导体。到导带，通常不导电。此即半导体。2023-2-1517在半导体中，满带中一个电子被激发到导带，则导带中有在半导体中，满带中一个电子被激发到导带，则导带中有一个负电荷（电子），满带中有一个正电荷（空穴）。一个负电荷（电子），满带中有一个正电荷（空穴）。在电场中：在电场中：电子电子正极；正极；空穴空穴负极负极 这就是半导体导电。这就是半导体导电。2023-2-1518离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图2023-2-1519 它们的导电性能不同，它们的导电性
11、能不同，是因为它们的能带是因为它们的能带结构不同。结构不同。固体按导电性能的高低可以分为固体按导电性能的高低可以分为导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体2023-2-1520导体导体导体导体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 Eg Eg Eg2023-2-1521满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带：空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带(一般被占满)未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙2023-2-1522导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体
12、：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子2023-2-1523在外电场的作用下，大量共有化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，是因为其共有化电子很容易从低能级跃从能级图上来看，是因为其共有化电子很容易从低能级跃迁到高能级上去。迁到高能级上去。E导体：导体：在外电场的作用下，共有化电子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。受外电场的能量，所以形不成电流。绝缘体绝缘体:2023-2-1524从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁从能级图上来看，是
13、因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（带（Eg 约约36 eV），共有化电子很难从低能级（满带），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。跃迁到高能级（空带）上去。其满带与空带之间也是禁带，但是其满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（禁带很窄（E g 约约0.12 eV )。半导体半导体:绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。跃迁到上面的空带中的。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体2023-2-1525能带理论的应用金属晶体中存在这种未满的能带是金属能导电的根本原
14、因。绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多。2023-2-1526空能级电子占用能级a 导体 空带禁带满带b 半导体空带禁带满带c 绝缘体图 导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图满带空带2023-2-1527硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电2023-2-1528导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg=1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半
15、导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁2023-2-1529)2exp(TkEnpnBgi4/32/32)()/2(2heBmmhTk电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数kB 为玻耳兹曼常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量本征载流子浓度例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m=9.1110-31 kg，me=0.068m=6.1910-32 kg mh=0.56m=5.110-31 kg Eg=1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-32023-2-1530非本征半导体材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多
16、余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量ED(0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。AsAs+施主杂质2023-2-1531施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带 电子浓度增加 施主能级被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量 ED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。2023-2-1532非本征半导体材料：p型第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 EA 漂移Un型p型耗尽层耗尽层pn2023-2-1538
17、少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2023-2-15392.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变
18、窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 2023-2-1540(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子
19、浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。2023-2-1541 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。2023-2-15423.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据
20、理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆2023-2-15433.p-n结能带图及载流子的分布结能带图及载流子的分布（1）p-n结能带图结能带图 EC EfnEVEC Ef pEV-EF qVDqVDx空间电荷区空间电荷区2023-2-1544空间电荷区内电势由空间电荷区内电势由 np区不断下降，区不断下降，空间电荷区内电势能由空间电荷区内电势能由np区不断升高，区不断升高，p区能
21、带相对向上移，区能带相对向上移，n区能带向下移，至费米能区能带向下移，至费米能级相等，级相等，n-p结达平衡状态，没有净电流通过。结达平衡状态，没有净电流通过。势垒高度：势垒高度：qVD=EFnEFpxV(x)VD-xpxnx qVDqVDxqV(x)0 xn-xp2023-2-1545多数载流子：多数载流子：n型半导体中的电子和型半导体中的电子和p型半导体中的空穴型半导体中的空穴.少数载流子：少数载流子：p型半导体中的电子和型半导体中的电子和n型半导体中的空穴型半导体中的空穴.空间电荷区：电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。空间电荷区：电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。表面空间电荷层：
22、表面与内层产生电子授受关系，在表面表面空间电荷层：表面与内层产生电子授受关系，在表面 附近形成表面空间电荷层。附近形成表面空间电荷层。电子耗尽层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。电子耗尽层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。电子积累层：空间电荷层少数载流子浓度比内部少。电子积累层：空间电荷层少数载流子浓度比内部少。反型层：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。反型层：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。2023-2-154 半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为
23、流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。2023-2-1547BJT的结构的结构NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。）基区要制造得很薄且浓度很低。-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极2023-2-15482.氧化物中缺陷能级氧
24、化物中缺陷能级 杂质缺陷杂质缺陷 不同于被取代离子价态的杂质不同于被取代离子价态的杂质 组分缺陷组分缺陷 引起非计量配比的化合物：引起非计量配比的化合物：还原气氛引起氧空位；还原气氛引起氧空位；阳离子空位；阳离子空位；间隙离子。间隙离子。2023-2-1549（1）价控半导体陶瓷杂质能级的形成价控半导体陶瓷杂质能级的形成例如：例如：BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁带间形成杂质能级，实现半导化。添加带间形成杂质能级，实现半导化。添加 La的的BaTiO3原料在空气中烧成原料在空气中烧成,用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成用不同于晶
25、格离子价态的杂质取代晶格离子，形成局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂杂质离子应具有和被取代离子几乎相同的尺寸；杂质离子本身有固定的价态。质离子本身有固定的价态。1）价控半导体陶瓷：）价控半导体陶瓷：2）杂质离子需满足的条件）杂质离子需满足的条件2023-2-1550反应式如下反应式如下:Ba2+Ti 4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti 4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+缺陷反应：缺陷反应：La2O3=LaBa +2e +2Oo+O21/2(g)添加添加 Nb实现实现B
26、aTiO3的半导化，反应式如下：的半导化，反应式如下：Ba2+Ti 4+O2-3+yNb5+=Ba2+Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)O2-3+yBa2+缺陷反应：缺陷反应：Nb2O5=2LaTi+2e +4Oo+O21/2(g)氧化镍中加入氧化锂，空气中烧结，氧化镍中加入氧化锂，空气中烧结，反应式如下：反应式如下：X/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+xNi2+1-2xNi2+x)O2-缺陷反应：缺陷反应：Li2O+O21/2(g)=2LiNi +2h +2Oo 2023-2-1551 -EgEcEvEAEA-价电子价电子2LiNi 2h 3）杂质能带）杂质能带 +E
27、gEcEvEDED+LaBa 弱束缚电弱束缚电子和自由子和自由电子电子2023-2-1552化学计量配比的化合物分子式：化学计量配比的化合物分子式：MO有阳离子空位的氧化物分子式：有阳离子空位的氧化物分子式：M 1-xO形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛引起。引起。平衡状态，缺陷反应如下：平衡状态，缺陷反应如下：O21/2(g)=VM+2Oo VM=VM +h VM =VM+h 出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价。出现此类缺陷的阳离子往往具有正二价和正三价。（2）组分缺陷组分缺陷1）阳离子空位及缺陷能级）阳离子空位及缺陷能级20
28、23-2-1553阳离子空位形成的缺陷能级阳离子空位形成的缺陷能级受主能级受主能级 VM VM VM 2023-2-1554化学计量配比的化合物分子式：化学计量配比的化合物分子式：MO2有氧空位的氧化物的分子式：有氧空位的氧化物的分子式：MO2-x 形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和形成非化学计量配比的化合物的原因：由温度和气氛引起。气氛引起。平衡状态，反应如下：平衡状态，反应如下：Ti4+O2=x/2 O2(g)+Ti4+1-2 xTi3+2xO2-2-xx缺陷反应：缺陷反应：2Oo=Vo+2e+O1/2(g)出现此类缺陷的阳离子往往具有较高的化学价。出现此类缺陷的阳离子往往具有较高
29、的化学价。2）阴离子空位及缺陷能级）阴离子空位及缺陷能级2023-2-1555氧离子空位形成的缺陷能级氧离子空位形成的缺陷能级 Vo Vo _ _ _ Vo 施主能级施主能级2023-2-1556化学计量配比的化合物分子式：化学计量配比的化合物分子式：MO有间隙离子的分子式：有间隙离子的分子式：M1+xO形成非化学计量配比的化合物的原因：由气氛引起。形成非化学计量配比的化合物的原因：由气氛引起。平衡状态，缺陷反应：平衡状态，缺陷反应：ZnO=Zni+/2 O2(g)Zni=Zni+e Zni =Zni+e 出现此类缺陷的阳离子往往具有较低的化学价。出现此类缺陷的阳离子往往具有较低的化学价。3）
30、间隙离子缺陷）间隙离子缺陷 2023-2-1557 Mi Mi 形成氧离子空位的缺陷能级形成氧离子空位的缺陷能级施主能级施主能级_ _ _ Mi 2023-2-15585.金属与半导体的接触金属与半导体的接触（1）金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数Eo(EF)mWm金属中的电子势井金属中的电子势井Eo表示真空中静止电子能量。表示真空中静止电子能量。金属功函数定义：金属功函数定义：Wm=Eo-(EF)m该式表示一个起始能量等于费该式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。出到真空中所需要的最小能量。其大小表示电子在金属中束缚其大
31、小表示电子在金属中束缚的强弱，并与表面状态有关。的强弱，并与表面状态有关。铯的功函数最低，铯的功函数最低，1.93eV，铂的最高，铂的最高5.36eV.2023-2-1559半导体的功函数：半导体的功函数：为电子的亲和能，它表示要使半导体为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。导带底部的电子逸出体外所需要的最小能量。半导体的功函数：半导体的功函数：Ws=Eo-(EF)s=s+En式中式中 En=Ec-(EF)s 表示导带底部和费米能级的能量差。表示导带底部和费米能级的能量差。(EF)sEvEc sWsEnEo2023-2-1560（2）整流接触整流接触 SWmW
32、SEFEFnmEo Wm Ws2023-2-1561n半导体半导体EF 金属金属耗尽层耗尽层Wm-SWm-WS=eV DEn=形成正的空间电荷区，其电场的方向由体内指形成正的空间电荷区，其电场的方向由体内指向表面，形成表面势垒，其内的电子浓度比体内向表面，形成表面势垒，其内的电子浓度比体内小的多，称为高阻层。小的多，称为高阻层。2023-2-1562 Wm Ws S-WmWS-Wm EfnEn=反阻挡层或积累层反阻挡层或积累层2023-2-1563(3)欧姆接触欧姆接触也称为非整流接触。也称为非整流接触。定义：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部定义：它不产生明显的附加阻抗，而且不会使
33、半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想欧的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流通过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器有电流通过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流件本身的压降，这种接触不影响器件的电流-电压特性。电压特性。重要性：在超高频和大功率器件中，欧姆接触时设计和制重要性：在超高频和大功率器件中，欧姆接触时设计和制造中的关键问题之一。造中的关键问题之一。实现的办法：对于实现的办法：对于Si、Ge、GaAs
34、等重要的半导体材料，等重要的半导体材料，一般表面态密度很高。势垒的形成与金属的功函数关系不一般表面态密度很高。势垒的形成与金属的功函数关系不大，不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，大，不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，在实际生产中，主要利用隧道效应的原理来实现。在实际生产中，主要利用隧道效应的原理来实现。2023-2-1564重掺杂的重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道结可以产生显著的隧道电流。电流。金属与半导体接触时，如果半导体掺金属与半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变薄。隧杂浓度很高，则势垒区宽度变薄。隧道电流甚至超过了热电子发射电流。道电流甚至超
35、过了热电子发射电流。使接触电阻很小。使接触电阻很小。2023-2-15655.5.3 半导体陶瓷的物理效应半导体陶瓷的物理效应1.晶界效应晶界效应2.表面效应表面效应3.西贝克效应西贝克效应表面能级表面能级2023-2-1566表面能级及表面能带结构表面能级及表面能带结构表面能级：由于晶格的不完整性使势场周期性破坏，表面能级：由于晶格的不完整性使势场周期性破坏，在禁带中产生附加能级，同理：晶体自由表面的存在在禁带中产生附加能级，同理：晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，在表面引起附加能级，使其周期场在表面处发生中断，在表面引起附加能级，因其在表面产生，称为表面能级。因其在表面产生，称
36、为表面能级。引起表面能级的因素：断键引起表面能级的因素：断键 吸附其他分子或原子吸附其他分子或原子 晶格缺陷晶格缺陷(如添加的杂质以固溶如添加的杂质以固溶的形式出现在距晶界面约的形式出现在距晶界面约20埃的地方，即偏析）。例埃的地方，即偏析）。例如如Bi固溶在固溶在ZnO的颗粒表面。的颗粒表面。2023-2-1567 Mn+On-pn(a)陶瓷材料晶粒由表面断键形成陶瓷材料晶粒由表面断键形成的的表面能带结构表面能带结构 (b)p型半导体陶瓷的表面势型半导体陶瓷的表面势(c)n型半导体陶瓷的表面势型半导体陶瓷的表面势表面空间电荷层及表面电势表面空间电荷层及表面电势2023-2-1568表面空间电
37、荷层：在金属中，自由电子密度很高，表面空间电荷层：在金属中，自由电子密度很高，表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内，与金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷金属相比，由于半导体载流子密度要低的多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层为表面空间电荷层。层为表面空间电荷层。表面电势：表面空间电荷层两端的电势差。表面电势：表面空间电荷层两端的电势差。表面电势的正负规定：表面电势比内部高时，其值表面电势的正负规定：表面电势比内部高时，其值取正，反之取负。取正，反之取负。2023-2-1569
38、表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，在热平衡状表面势为负值时，表面处能带向上弯曲，在热平衡状态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接近，态下，半导体内费米能级为一定值，随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价带中价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级，同时，价带中的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴的堆的空穴浓度也随之增加，结果表面层内出现空穴的堆积而带正电。积而带正电。表面空间电荷层表面空间电荷层 的三种状态的三种状态（主要（主要讨论讨论p型半导体）型半导体）1）多数载流子堆积状态）多数载流子堆积状态 EFp2023-2-1570当表面势为正值时，表面处能带向下弯曲，越
39、接近表当表面势为正值时，表面处能带向下弯曲，越接近表面，费米能级离价带顶越远，价带顶空穴浓度随之降面，费米能级离价带顶越远，价带顶空穴浓度随之降低，在靠近表面的一定区域内，价带顶比费米能级低低，在靠近表面的一定区域内，价带顶比费米能级低的多，根据波尔兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内的多，根据波尔兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内浓度低的多。浓度低的多。2）多数载流子耗尽状态）多数载流子耗尽状态 p2023-2-1571在2）的基础上，表面处能带进一步向下弯曲，越接表面处能带进一步向下弯曲，越接近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，费米能级
40、离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反的一层。的一层。3）少数载流子反型状态）少数载流子反型状态 -2023-2-1572压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。降低，让电流通过。电压与电流是非线性关系。电压与电流是非线
41、性关系。1.晶界效应晶界效应（1）压敏陶瓷压敏陶瓷隧隧道道效效应应热激发热激发双双肖肖特特基基势势垒垒图图2023-2-1573（2）PTC效应效应PTC效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了效应：电阻率随温度升上发生突变，增大了34个个数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。在相变（四方相与立方相转变）温度或居里点。PTC机理（机理（Heywang晶界模型晶界模型)：1）n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；型半导体陶瓷晶界具有表面能级；2）表面能级）表面能级 可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特
42、基势可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势垒。在烧结时，需采用氧化气氛，缓慢冷却，使晶界充分氧化，垒。在烧结时，需采用氧化气氛，缓慢冷却，使晶界充分氧化，因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层，在被电极前将氧化层去因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层，在被电极前将氧化层去除。除。3）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；）肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；4）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电）温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电阻率急剧增加。阻率急剧增加。2023-2-1574表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。
43、表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。吸附气体的种类：吸附气体的种类：H2、O2、CO、CH4、H2O等。等。半导体表面吸附气体对电导率的影响：半导体表面吸附气体对电导率的影响：如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附分子带正电。分子带正电。n型半导体负电吸附，型半导体负电吸附，p型半导体正电吸附时，表面型半导体正电吸附时，表面均形成耗尽层，表面电导率减小。均形成耗尽层，表面电导率减小。p型半导体负电吸附，型半导体负电吸附，n型半导体正电吸附时，表面型
44、半导体正电吸附时，表面均形成积累层，表面电导率增加。均形成积累层，表面电导率增加。2 表面效应（吸附其他分子或原子）表面效应（吸附其他分子或原子）2023-2-1575例如：例如：一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从一般具有氧化性的分子（如：氧分子）从n型型半导体和半导体和p型半导体中捕获电子而带负电，引型半导体中捕获电子而带负电，引起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起起半导体表面的负电吸附。还原型气体引起半导体表面的正电吸附。半导体表面的正电吸附。1/2O2(g)+ne Oad n-Oad :吸附分子吸附分子温度对吸附离子形态的影响：温度对吸附离子形态的影响：低温低温高温高温 O2 1/2
45、O4-O2-2 O-2O2-O:O O:O:O:O:O:O O:O:2023-2-1576气敏理论模型气敏理论模型 SnO2是是n型半导体型半导体在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材在空气中吸附氧，氧的电子亲和力比半导体材料大，从半导体表面夺取电子，产生空间电荷料大，从半导体表面夺取电子，产生空间电荷层，使能带向上弯曲，电导率下降，电阻上升。层，使能带向上弯曲，电导率下降，电阻上升。吸附还原型气体，还原型气体与氧结合，氧放吸附还原型气体，还原型气体与氧结合，氧放出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率上升，电阻下降。上升，电阻下降。2023-2-15772023-2-1578
