半导体的电阻

半导体及其基本特性

1.1 金属 - 半导体 - 绝缘体

我们知道，自然界中的物质大致可分为气体、液体、固体、等离子体 4 种基本形态。在固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属、半导体和绝缘体。例如，铜、铝、金、银等金属；它们的导电本领都很大，是良好的导体；橡胶、塑料、电木等导电本领很小，是绝缘体；制造半导体器件的主要材料硅、锗、砷化镓等，它们的导电本领比导体小而比绝缘体大，叫做半导体。

物体导电本领的大小可用 电 阻 率 来表示。金属导体的电阻率约在 10 -4 W ·cm 以下，绝缘体的电阻率约在 10 9 W ·cm 以上，半导体的电子率是介于二者之间，约在 10 -4 ~ 10 9 W ·cm 。 图 1.1 列出这三类中一些重要材料的电阻率和 电导率 。

图 1.1

1.2 常见的半导体材料

• 元素半导体

有关半导体材料的研究开始于 19 世纪初。多年以来许多半导体已被研究过。 表 1.1 列出周期表中有关半导体元素的部分。在周期表第 IV 族中的元素如硅（ Si ）、锗（ Ge ）都是由单一原子所组成的元素半导体。在 20 世纪 50 年代初期，锗曾是最主要的半导体材料。但自 60 年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生。经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉。在二氧化硅及硅酸盐中的硅含量占地表的 25 ％，仅次于氧。到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体 元素 。

表 1.1 周期表中于半导体相关的部分

• 化合物半导体

近年来一些 化合物 半导体已被应用于各种器件中。 表 1.2 列出与两种元素半导体同样重要的化合物半导体。二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。例如， III-V 族元素化合物半导体砷化镓（ GaAs ）是由 III 族元素镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成。

除了二元化合物半导体外，三元及四元半导体化合物半导体也各有其特殊用途。由 III 族元素铝（ Al ）、镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成的合金半导体 Al x Ga 1-x As 即是一种三元化合物半导体，而具有 A x B 1-x C y D 1-y 形式的四元化合物半导体则可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体 Ga x In 1-x As y P 1-y 是由磷化镓（ GaP ）、磷化铟（ InP ）、砷化铟（ InAs ）及砷化镓（ GaAs ）所组成。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。

许多化合物半导体具有与硅不同的电和光的特性。这些半导体，特别是砷化镓（ GaAs ），主要用于高速光电器件。虽然化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟，但硅半导体技术的快速发展，也同时带动化合物半导体技术的成长。

1.3 半导体导电性的特点

实际上，金属、半导体和绝缘体之间的界限并不是绝对的。通常，当半导体中的杂质含量很高时，电导率很高，呈现出一定的金属性，而纯净半导体在低温下的电导率很低，呈现出绝缘性。一般半导体和金属的区别在于半导体中存在着 禁带 而金属中不存在禁带；区分半导体和绝缘体则更加困难，通常根据它们的禁带宽度及其温度特性加以区分。

半导体的导电性究竟具有哪些特点呢？大致可归纳以下几个方面：

（ 1 ）半导体的电阻率对温度的反应灵敏。纯净半导体的电阻率随温度变化很显著，而且电阻率随温度升高而下降。例如纯锗，当温度从 20 o C 升高到 30 o C 时，电阻率就降低一半左右。而金属的电阻率随温度的变化比较小，而且随温度升高电阻率增大。

（ 2 ）微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率。例如在纯硅中掺入 6 ′ 10 15 /cm 3 的杂质磷或锑，即在硅中掺入千万分之一的杂质，就能使它的电阻率从 2.15 ′ 10 5 W ·cm 减小到 1 W ·cm ，降低了 20 万倍。晶格结构的完整与否也会对半导体导电性能有极大的影响。因此在制作半导体器件时除人为地在半导体中掺入有用杂质来控制半导体的导电性外，还要严格防止一些有害杂质对半导体的沾污，以免改变半导体的导电性能，使生产出来的器件质量下降，甚至报废。但金属中含有少量杂质时，看不出电阻率会有什么显著的变化。

（ 3 ）适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。当某种频率的光照射半导体时，会使半导体的电阻率显著下降，这种现象叫光电导。自动控制中用到的光敏电阻就是利用半导体的光电导特性来制成的。但是，金属的电阻率不受光照影响。

总之，半导体的导电性能非常灵敏地依赖于外界条件、材料的纯度以及晶体结构的完整性等。半导体的导电性能所以有上述特点是由半导体内部特殊的微观结构所决定的，后面将叙述半导体导电的内在规律。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质.它的重要特性表现在以下几个方面：

（1）热敏性

半导体材料的电阻率与温度有密切的关系.温度升高,半导体的电阻率会明显变小.例如纯锗（Ge）,温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半.

（2）光电特性

很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电；受到光照时,就变的容易导电了.例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧.半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”.利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等.

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能.目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管.

另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源.

（3）搀杂特性

纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化.例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米.因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件.

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。它的重要特性表现在以下几个方面：

（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（Ge），温度每升高10度，其电阻率就会减少到原来的一半。

（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管，它通过电流时能够发光，把电能直接转成光能。目前已制作出发黄，绿，红，蓝几色的发光二极管，以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池，它可以把光能直接转换成电能，是一种方便的而清洁的能源。

（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此，人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件。

由以上特性的，可以确定为半导体。绝对不要以为是按阻值范围划分的。

下面，是根据导电特性作出的标准划分。能带的概念是大学的，建议不必深究，不用再查，确实对中学生没必要。

可将固体划分为导体，半导体和绝缘体。

善于传导电流的物质称为导体。常见的导体有金属、电解质水溶液、电离气体等。对金属来说，内层电子能量较低，充满能带，故不参与导电。金属多数是一价的，每个原子的外层轨道有一个价电子，故晶体中N个价电子不能填满一个能带而形成导带，在外电场作用下导带中的自由电子可从外电场吸收能量，跃迁到自身导带中未被占据的较高能级上，形成电流。

绝缘体在形态上可分为固态、液态和气态。固态绝缘体中又分为非晶态（如塑料、橡胶、玻璃等）和晶态（如云母、金刚石等）两类。晶态绝缘体能带的结构与导体的不同点是：电子恰好填满能量低的能带，其它的能带都是空的，亦即绝缘体中不存在导带，只有满带和空带。满带和空带之间不可能存在电子的能量区域被称为禁带。绝缘体的基本特征就是禁带的宽度（又称能隙）很大。电子很难在热激发或外电场作用下获得足够的能量由满带跃入空带。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其能带结构与绝缘体类似。在绝对零度时，只存在满带和空带。与绝缘体不同的是禁带较窄，在室温下，在外界光、热、电作用下能容易地把满带中能量较高的电子，激发到空带，把空带变为导带。同时，在满带中留下一些电子空位，这些空位称为空穴，可看成是带正电荷的准粒子。在半导体中，一方面，在外电场作用下，导带中电子作定向运动，形成电流，起导电作用；另一方面，满带中的空穴，在外电场作用下，将被其它能态的电子进来填充，同时，在这个电子能态中又产生了新的空穴，于是就出现了电子填补空穴的运动。在电场作用下，填补空穴的电子也作定向移动，形成电流。这种电子填补空穴的运动，完全相当于带正电的空穴在作与电子运动方向相反的运动。为了区别于自由电子的导电，这种导电称之为空穴导电。导带中自由电子的导电和满带中空穴导电是同时存在的，宏观上的电流就是电子电流和空穴电流的代数和。满带中的空穴数和导带中电子数正好相等，都是参与导电的载流子。半导体导电与金属导电的差别，那就是金属中只有自由电子参与导电，而半导体中导带中电子和满带中空穴都参与导电。半导体中自由电子数目较小，有可能通过外部电场作用来控制其中的电子运动。半导体的电阻率随温度不同而明显变化。温度升高时，有更多的电子被热激发，使满带中的空穴数和导带中的电子数急剧增加，导电性能大大提高，电阻率相应地大大降低。

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