半导体材料硅的晶体结构
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导电特性
导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，
导体温度每升高1度，电阻率大约升高0.4%。 而半导体则不一样，温度每升高或降低1度， 其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度 变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而 温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘 体。
纯净的半导体，在不受外界作用时，导电 能力很差。而在一定的温度或光照等作用 下，晶体中的价电子有一部分可能会冲破 共价键的束缚而成为一个自由电子。同时 形成一个电子空位，称之为“空穴”。从 能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到 导带，从而在价带中留下了空穴，产生了 一对电子和空穴。如图，通常将这种只含 有“电子空穴对”的半导体称为本征半导 体。“本征”指只涉及半导体本身的特性。 半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电 的，因此，电子和空穴被统称为载流子。
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硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4
个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对 就称为“共价键”。
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硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，
最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的几个晶胞：
Ec Eg
导 带
禁
带
Eg
Ev 绝缘体价 带半导体7 Nhomakorabea导体
固体能带理论
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导体、绝缘体、半导体
导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会 引起导电。
绝缘体：能带间距很大，不可能导电。
半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因 热运动从价带跳到导带，使导带中有少量电 子，价带中有少量空穴，从而有一定的导电 能力
固体能带理论
这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。
(100晶面)
(110晶面)
(111晶面)
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纯度
半导体特性，是建立在半导体材料的纯度很高的 基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。 比如硅材料的纯度达到6个“9”，就是说硅的纯 度达到99.9999%，其余0.0001%（即10-6 ）为杂质 总含量。半导体材料中的杂质含量，通常还以 “PPb” 与“PPm”来表示。一个PPb就是十亿分 之一（10-9 ），一个“PPm”就是百万分之一 （10-6 ）
根据电子先填充低能级的原理，下面的能带先填满电子，这个带被称为价带或满 带，上面的未被电子填满的能带或空能带称为导带，中间以禁带相隔。 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生转移.当 电子获得足够能量的时候将越过禁带发生跃迁。
能带
禁带 能带 禁带 能带
固体能带理论 导体、绝缘体、半导体
第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子
最外层5个电子
最外层3个电子
Si +14
P +1
B
5
si
P
B
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原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个
电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。 晶体结构
半导体材料硅的晶体结构
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导电特性
导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，导体温度每升高1度，电阻率大约
升高0.4%。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就变化百分之几， 甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度 （-273℃）时，则成为绝缘体。 导电能力随光照显著改变
半导体简介
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硅(Silicon)
金刚石结构，每个硅原子与四个 硅原子相邻，形成正四面体结构
相邻原子之间共用电子对形成共价键
半导体简介
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能带
导带、价带、禁带宽度 载流子：电子(自由电子、electron)、空穴 (hole)
电子
EC
电子带负电
1.12 eV
空穴带正电
EV
空穴
半导体简介
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硅(Silicon)
(a)简单立方 （Po）
(b)体心立方 （Na、W）
(c)面心立方 （Al、Au）
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金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向 上移1/4互相套构而成。
正四面实体结构
金钢石结构
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晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，
金刚石结构，每个硅原子与四个 硅原子相邻，形成正四面体结构
相邻原子之间共用电子对形成共价键
固体能带理论
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能带的形成
晶体中，各个原子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，电子 不在局限在某一个原子中，可以由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有 化运动，结果使孤立原子的单一能级分裂成能带。
半导体简介
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什么是半导体？
导体（Conductor） 导体是指很容易传导电流的物质
绝缘体（Insolator） 是指极不容易或根本不导电的一类物质
半导体（Semiconductor） 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。
半导体硅材料的电性能特点
硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一、是它对温度的变化十分灵敏； 二、是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著； 三、是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。 综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。
当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时， 它的导电能力又会变得很弱。 杂质的显著影响
在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万倍的增加。 这是最特殊的性能。 其他特性：
温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。
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导电过程描述
固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物
质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确 定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化，如玻璃。 单晶和多晶的区别
在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由 许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。
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导体、绝缘体、半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小 来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电 能力越弱。
物体 电 阻率
Ω· CM
导体 <10e-4
半导体 10e-3~10e9
绝缘体 >10e9
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硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子
结构模型如下：