半导体物理第九章

9.2 半导体材料的结构与键合
9.2.1 金刚石结构 金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格。元素半 导体Si、Ge、α -Sn都具有金刚石结构。如图所示，相关 连的原子共有18个，其中8个在立方体的8个顶角，6个在 立方体6个面心，还有4个分别在4条对角线距顶角原子相 距1/4对角线长度。
9.2 半导体材料的结构与键合
9.1半导体材料分类
9.1半导体材料分类
9.1.1 元素半导体
在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性 质的元素有12种，但其中S、P、As、Sb和I不稳定，易 挥发；灰Sn在室温下转变为白Sn，已是金属；B、C的 熔点太高，不易制成单晶；Te十分稀缺，因此具备实用 价值的元素半导体材料只有Si、Ge和Se。
9.3半导体的光、热、电、磁性质
半导体的光学性质：光照射在半导体上，光子能量会被半导体吸 收，其中最主要的过程是本征吸收其发生条件式光子能量大于禁带 宽度；光导电效应，在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变 化的现象称为光导电效应，按其发生机制可以分为本征光电导和杂 质光电导。为了使半导体材料实现激光。 需满足以下三个基本条件：（1）形成粒子数反转状态，使受激 发射占优势，常用p-n结注入法来实现。（2）存在光学谐振腔，产 生激光震荡，因为受激辐射的初始光子来源于材料中的自发辐射， 而自发辐射产生的一些光子之间频率、相位、出射方向都互不相同， 将它们放大，则得不到激光。（3）满足阈值电流密度，使倍增持续， 因为激光发生过程中除了有光子数倍增因素外，还有谐振腔的透射 和吸收、材料不均匀性引起的散射等因素使光子数减少，只有倍增 大于损耗，才能使倍增持续下去，当满足阈值电流密度时，增益会 大于损耗，倍增则持续。
9.1半导体材料分类
物质按其导电的难易程度可以分为导体、半导体和绝缘 体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。 半导体材料的种类繁多，按其成分，可分为由同一种元 素组成的元素半导体和由两种或两种以上元素组成的化合 物半导体；按其结构，可分为单晶态、多晶态和非晶态； 按物质类别，可分为无机材料和有机材料；按其形态，可 分为块体材料和薄膜材料；按其性能，多数材料在通常状 态下就呈半导体性质，但有些材料需在特定条件下才表现 出半导体性能。半导体主要分为无机半导体和有机半导体 两类。

结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管
P沟道
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耗尽型 N沟道 增强型
一、N沟道增强型MOS管
源极 栅极 漏极 G S D 金属铝
N＋
SiO2绝缘层 N区 D B S
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P
B
N＋
P型衬底
G
ID
UGS＝0，ID＝0 U 场效应管是一种电 GS > 开启电压 压控制电流的器件 形成导电沟道 ID随UGS的增加而增大 特性曲线
P型半导体
掺3价元素，如硼，
空穴数多于自由电子 数，空穴是多子。
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N型半导体
硅或锗 +少量磷 N型半导体
硅原子
磷原子
+4 +4
多余电子 N型硅表示 +
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+5
+4
P型半导体
硅或锗 +少量硼 P型半导体
硅原子
+4
+4
多余空穴
+3
+4
硼原子
P型硅表示
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4．扩散运动与漂移运动
载流子由于浓度差异而形成运动叫扩散运动。 在电场作用下，载流子的定向运动叫漂移 运动。
半导体的导电能力受光和热影响。 T↑ 导电能力↑ 光照↑导电能力 ↑ 纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。
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2. 本征半导体
纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征 半导体。 本征半导体中的载流子
+4
自由电子 (－)
空 穴 （+）
空穴与电子成对出现并可以复合。 * 空穴的移动
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3. 杂质半导体 N型半导体 掺5价元素，如磷，自 由电子数多于空穴数， 自由电子数是多子。

磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指 垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是 沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料 性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料， 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻 效应愈大。
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元 件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而 增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个 端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件 的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性 输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄， 它 是 在 0.1~0.5mm 的 绝 缘 基 片 上 蒸 镀 上 约 20~25μm 的 一 层 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 也 有 在 半 导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻， 将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用 导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的 磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型) 和薄膜型等。
三、磁阻元件的应用
(1)磁通计。用比例型磁阻元件制作的磁通计能够直接读出磁通密 度，一般用于磁通密度大于0.3T以上的测量。磁阻效应磁通计 特别适宜于测量密度较高的脉冲磁场，还可用于测量超导磁体。 高灵敏度磁通计是利用两个平方特性的磁阻元件在弱磁场作用 下具有很高灵敏度这一原理制成的一种磁通计。
(2)位移计。图9-16所示是一个利用差动式磁阻元件的电压分压比 随永久磁铁的位置而变化的性质制作的位移传感器。如果将永 久磁铁和磁阻元件配置成圆形，则不仅可测出直线位移，还可
3. 霍尔电势：
UH RH IdBSHIB
四、霍尔元件的误差及其补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时 所存在的各种影响霍尔元件性能的因素， 如元件安装不合理、环境温度变化等， 都会影响霍尔元件的转换精度，带来误 差。

湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450℃,加
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式