《半導(dǎo)體材料》PPT課件

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1、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡史半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢半導(dǎo)體材料的分類什么是半導(dǎo)體？按照不同的標準，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍材料導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率（歐姆）﹤10-310-3--109﹥109空穴導(dǎo)電，是P型半導(dǎo)體；電子導(dǎo)電，是N型半導(dǎo)體。根據(jù)半導(dǎo)體的摻雜特性，在半導(dǎo)體中摻入微量的硼、鋁、銦、鎵等元素后，半導(dǎo)體中就會產(chǎn)生許多缺少電子的空穴，使半導(dǎo)體中的空穴濃度大大高于自由電子的濃度，這種靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體是P型半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體中摻入微量磷、銻、砷等元素后，半導(dǎo)體中就會產(chǎn)生許多帶負電的電子

2、，使半導(dǎo)體中自由電子的濃度大大高于空穴濃度。這種靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體是N型半導(dǎo)體。首次報道半導(dǎo)體伏特A.Volta(1745~1827)，意大利物理學(xué)家國際單位制中,電壓的單位伏即為紀念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對電的研究從靜電發(fā)展到流動電，開拓了電學(xué)的研究領(lǐng)域。他利用靜電計對不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導(dǎo)電性能介于它們之間的“半導(dǎo)體”。他在給倫敦皇家學(xué)會的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導(dǎo)體）一詞。半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－負電阻溫度系數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，

3、英國物理學(xué)家、化學(xué)家，現(xiàn)代電工科學(xué)的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺電動機，另外法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項最偉大的貢獻。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導(dǎo)體材料，發(fā)現(xiàn)了負的電阻溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下降。負電阻溫度系數(shù)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之一。正、負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)RRTT半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－光電導(dǎo)效應(yīng)1873年，英國史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面，發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，它開創(chuàng)了半導(dǎo)體研究和開發(fā)的先河。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探

4、測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有廣泛用途。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之二。照片光電導(dǎo)示意圖半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－整流效應(yīng)布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，德國物理學(xué)家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎金物理學(xué)獎。1874年，他觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。整流效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之三照片伏安特性I電流V電壓0正向反向半導(dǎo)體特有性質(zhì)－光生伏特效應(yīng)1876年，英國物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)

5、生了電動勢，這就是半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用就是把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為太陽能電池。1954年美國貝爾實驗室制成了世界上第一個實用的太陽能電池，效率為4%。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之四。照片光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－霍爾效應(yīng)1879年，霍爾(E.H.Hall)在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生了電動勢，這個電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”?！盎魻栃?yīng)”就是為紀念霍爾而命名的。利用“霍爾效應(yīng)”可以測量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)。霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之五。照片霍爾效

6、應(yīng)示意圖BZIxvfBP型半導(dǎo)體薄片：長度為L，寬度為b，厚度為d磁場方向(z方向）與薄片垂直，電流方向為x方向LbdfExyz半導(dǎo)體發(fā)展的限制在1880年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的五大特性：整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、負電阻溫度效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和霍爾效應(yīng)但半導(dǎo)體科學(xué)卻沒有取得迅猛的發(fā)展，主要原因在于：1.半導(dǎo)體材料的不純2.半導(dǎo)體物理理論的不完善（1）半導(dǎo)體理論的發(fā)展背景首先取得突破的是半導(dǎo)體理論的發(fā)展19世紀末，英國物理學(xué)家湯姆生在展望20世紀物理學(xué)前景時，他指出在物理學(xué)晴朗的天空里出現(xiàn)了兩朵令人不安的“烏云”，第一朵“烏云”出現(xiàn)在光的波動理論上，第二朵“烏云”就是黑體

7、輻射。黑體輻射被加熱的物體開始時會發(fā)出紅光，隨著溫度上升，光的顏色逐漸由紅變黃又向藍白色過渡，這種以電磁波的形式向外傳遞能量的現(xiàn)象就叫熱輻射。為了從理論上總結(jié)熱輻射規(guī)律，19世紀物理學(xué)家導(dǎo)出了熱輻射物體的能量按發(fā)光波長分布的兩個公式：維恩公式和瑞利-金斯公式。然而，這兩個公式算出的結(jié)果，不是在長波方面就是在短波方面與實驗結(jié)果不符，物理學(xué)家為此傷透了腦筋。這兩朵烏云給物理學(xué)界帶來了革命風(fēng)暴，使物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“新大陸”——“量子論”和“相對論”，將人類對物質(zhì)世界的認識向前推進了一大步。量子論－－－半導(dǎo)體的能帶理論密切相關(guān)普朗克的輻射量子說1900年，普朗克提出輻射量子

8、假說假定電