半导体材料硅的基本性质 本文关键词：性质，半导体材料
半导体材料硅的基本性质 本文简介：半导体材料硅的基本性质一．半导体材料1.1固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。化合物半导体：由两种或两种以
半导体材料硅的基本性质 本文内容：
半导体材料硅的基本性质
一．半导体材料
1.1
固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：
图1
典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围
1.2
半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：
元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
1)
二元化合物
GaAs
—
砷化镓
SiC
—
碳化硅
2)
三元化合物
AlGa11As
—
砷化镓铝
AlIn11As
—
砷化铟铝
1.3
半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：
本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。
非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
1.4
掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：
施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1
（a）带有施主（砷）的n型硅
(b)带有受主（硼）的型硅
1.5
掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
二．硅的基本性质
1.1
硅的基本物理化学性质
硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
性质
符号
单位
硅（Si）
原子序数
Z
14
原子量
M
28.085
原子密度
个/cm3
5.00×1022
晶体结构
金刚石型
晶格常数
a
?
5.43
熔点
Tm
℃
1420
密度(固/液)
g/
cm3
2.329/2.533
介电常数
0
11.9
本征载流子浓度
ni
个/
cm3
1.5×1010
本征电阻率
i
·cm
2.3×105
电子迁移率
n
cm2/(V·S)
1350
空穴迁移率
p
cm2/(V·S)
480
电子扩散系数
Dn
cm2/S
34.6
空穴扩散系数
Dp
cm2/S
12.3
禁带宽度（25℃）
Eg
eV
1.11
导带有效态密度
Nc
cm-3
2.8×1019
价带有效态密度
Nv
cm-3
1.04×1019
器件最高工作温度
℃
250
表1
硅的物理化学性质（300K）
1.2
硅的电学性质
硅的电学性质有两大特点：
一
、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010·cm
二
、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。如图所示电阻率随杂质浓度的变化
1.3
硅的化学性质
硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。
1.
硅的热氧化反应
～1100℃
Si
+
O2
→
SiO2
～1000℃
Si
+
2H2O
→
SiO2
+
H2
在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。
2.
硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应
～300℃
Si
+
2Cl2
→
SiCl4
～280℃
Si
+
3HCl
→
SiHCl3
+
H2
上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。
3.
硅与酸的化学反应
硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。
（1）
硅与HF—HNO3
混合液的化学反应
Si
+
4HNO3
+
6HF
→
H2SiF6
+
4NO2
+
4H2O
HNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。
（2）
硅与HF—CrO3混合液有化学反应
Si
+
CrO3
+
8HF
→
H2SiF6
+
CrF2
+
3H2O
此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）
硅与金属的作用
硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W
Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）
硅与SiO2的化学反应
1400℃
Si
+
SiO2
→
2SiO
在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。
1.4
硅的晶体结构和化学键
1.硅的晶体结构
硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。如图2.1和图2.2所示。
图2.1
共价四面体
图2.2
硅的晶体结构
2．硅晶体的化学键
硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。电子的配对是形成共价键的必要条件。硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。
硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。那么，两个p电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。如此，硅原子的价电子配布为：
3s
3p
按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。只有p
轨道上的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。这样每个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。
这个矛盾靠轨道的杂化来解决。硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：
3s
3p
sp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳定。
共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。这个特性就是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3
杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
1.5
硅的半导体性质
1.
硅原子能级图
图2.3
一孤立硅原子能级图
2.
硅晶体的能带结构
图2.4
硅晶体的能带结构图
晶体的能带代表的物理意义：
反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N
个孤立原子的一个能级扩层或分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。如图2.5所示。
图2.5
原子能级和能带
3.
导体、半导体及绝缘体的能带模型
能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体的区别，如图2.6所示。金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。
半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。外电场很难改变其能带填充状况，因而不产生电流。在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。
4.
硅晶体的禁带宽度Eg
禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。
Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳定性。
Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T→0K时，Eg趋于一个常数，如图2.7所示。
图2.7
Si的禁带宽度Eg随温度的变化
5.
硅中杂质的能级和缺陷能级
理想的硅晶体，即无缺陷无掺杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。当掺入杂质或有缺陷时，禁带中将有杂质或缺陷能及存在，将明显影响半导体性能，对电导起主要作用。实际半导体都会有一定的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。
硅中的杂质能级如图2.8所示。
图2.8
硅中杂质能级
a.
浅能级杂质
在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级非常靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。
b.深能级杂质
在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：
金，银，铜，铁等重金属杂质。电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。
c.缺陷（原生缺陷和工艺诱生缺陷）
半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。
6.
载流子浓度
载流子浓度随温度的变化如图2.9所示。
图2.9
以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度
7.
PN结
a.
PN结的光生伏特效应
光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。
b.
光电转换的物理过程
①
吸收光能激发出非平衡电子一空穴对
②
非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动
③
非平衡电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两端产生电势
④
将PN结用导线连接，形成电流
⑤
在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换
篇2：大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作
大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文关键词：温度计，半导体，模版，物理实验，报告
大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文简介：实验报告评分：实验题目：半导体温度计的设计与制作实验目的：进一步理解热敏电阻的伏安特性和惠斯通电桥测电阻的原理，学习非电学量的电测法，了解实验中的替代原理的应用，同时提高组装、焊接电路的操作能力。实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒温水浴实验原理
大学物理实验报告模版-半导体温度计的设计与制作 本文内容：
实
验
报
告
评分：
实验题目：半导体温度计的设计与制作
实验目的：进一步理解热敏电阻的伏安特性和惠斯通电桥测电阻的原理，学习非电学量的电测法，了解实验中的替代原理的应用，同时提高组装、焊接电路的操作能力。
实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒温水浴
实验原理：半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度变化而发生急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。一般使用金属氧化物半导体作温度传感器。
热敏电阻的伏安特性曲线和测温电路原理图如下：
图一：热敏电阻的伏安特性曲线和测温电路原理图
当取伏安特性曲线的a段时，近似认为符合欧姆定律。当IG使G满偏时，近似认为VCD=IT（R3+RT）。由基尔霍夫方程组解得：
由上式可以确定R1（=R2），其中R3的确定是在下限温度电阻RT1下，使电桥平衡，从而有R3=RT1、R2=R1。由下表可以知道，R3=RT1=2277Ω，RT2=462Ω。作出R-T曲线并计算得：R1=R2=4545Ω。
T（℃）
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
R（Ω）
2750
2277
1922
1654
1388
1186
1004
T（℃）
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
75.0
RG=3970ΩIG=50μa
UCD=1V
R（Ω）
860
730
623
537
462
403
表一：热敏电阻的R-T关系和基本实验条件
图二：T-R关系图
实验内容：
（1）
在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20℃）所对应的电阻值RT1和上限温度（70℃）所对应的电阻值RT2。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流IT。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取VCD=1V，它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。
（2）
令R3=RT1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R1和R2的电阻值。式中RT2为量程上限温度的电阻值；RG为微安表的内阻。
（3）
熟悉线路原理图（图3.5.3-2）和底版配置图（图3.5.3-4），对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。
（4）
注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。焊接时K1放在1挡，电流计“+”端与E处要最后连接，以免损坏电表。
（5）
标定温度计
R1和R2的调节和测量：开关置于1挡，拨下E处接线，断开微安计，用多用表检查R1和R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）。
将电阻箱接入接线柱A和B，用它代替热敏电阻，开关置于3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20℃）所对应的RT1，调节电位器R3，使电表指示为零（注意，在以后调节过程中，R3保持不变）。然后，使电阻箱的阻值为上限温度（70℃）所对应的RT2，调节电位器R，使微安计满量程。（为什么调R可使电表满刻度？）
开关置于2挡，调节电位器，R4，使微安计满量程，这时，R4=，RT2。（其目的何在？）
开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上读出温度20℃～70℃，每隔5℃读一个电阻值。电阻箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读数I。将图3.5.3-5的表盘刻度改成温度的刻度。另外，作出对应的I-T曲线并与表盘刻度比较。
用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半导体温度计。用此温度计测量两个恒温状态的温度（如35℃、55℃）。读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果。
实验数据：
T（℃）
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
R（Ω）
2277
1922
1654
1388
1186
1004
I（μA）
0
6.3
12.0
18.4
24.0
29.9
T（℃）
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
R（Ω）
860
730
623
537
462
I（μA）
34.5
39.0
43.0
46.8
50.0
表二：T-I对应关系
实际测量恒温水浴的情况为：
36.7℃下，电流为20.0μA；57.6℃下，电流为40.9μA。
实验数据和结果分析：
将T-I的关系作成曲线如下
图三：T-I关系图
根据上图并利用ORIGIN的读数功能可以读出，在36.7℃时，对应的电流大约是20.2μA；在57.6℃时，对应的电流大约是40.8μA，这两个数据和实际测量所得到的值吻合得比较好，可以认为实验中的温度标定是成功的。
实验中误差的来源主要是对电桥中电阻初始化和对微安表的读数，如果不认为给定的热敏电阻的温度和电阻的关系是精确的话，那么最大的误差来源于对热敏电阻实际的温度-电阻关系的测定（注：通过“用热敏电阻测温度”这个实验可以深切体会到）。由于这些误差来源不确定性很大而且几乎不能定量计算，故不作定量的误差分析。
另外，由于技术原因，纸质微安表盘随预习报告和实验数据一同交上。
实验小结：
本实验操作中的难点来源于对电路的焊接。我由于过度相信课本上的电路图而缺乏自身分析，没有注意到实际电路和书本上电路的细微不同，导致线路错误，调试过程耗费了不少时间，但是最后还是凭借自己的观察分析发现了问题，提高了自己的能力。其他操作基本顺利。
思考题：为什么在测R1和R2时，需将开关置于1档，拔下E处接线，断开微安表？
Sol：由电路结构可以知道，这样做的目的是使两个电阻从电路中断开，从而能够准确得到两个电阻的阻值，如果没有这些操作，那么测量的电阻值就是错误的。