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第一章半导体材料基础 1 1半导体材料的基本特性1 2半导体材料的制备技术1 3元素半导体材料1 4化合物半导体材料 一 什么是半导体 从导电性 电阻 固体材料可分成 超导体 导体 半导体 绝缘体 电阻率 介于导体和绝缘体之间 并且具有负的电阻温度系数 半导体 电阻率 导体 10 4 cm如 Cu 10 6 cm半导体 10 3 cm 108 cm如 Ge 0 2 cm绝缘体 108 cm 1 1半导体的基本特性 电阻温度系数图 二 半导体材料的分类 1 无机半导体晶体材料 组分 无机半导体晶体材料包含元素 化合物及固溶体半导体 1 元素半导体晶体 Ge Se Si C B Te P Sb As 元素半导体 S I Sn 熔点太高 不易制成单晶 不稳定 易挥发 低温某种固相 稀少 化合物半导体 族 族 金属氧化物 族 族 族 InP GaN GaAs InSb InAs CdS CdTe CdSe ZnS SiC GeS SnTe GeSe PbS PbTe AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3 CuO2 ZnO SnO2 2 化合物半导体及固溶体半导体 1 非晶Si 非晶Ge以及非晶Te Se元素半导体 2 化合物有GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe非晶半导体 2 非晶态半导体 结构 有机半导体通常分为有机分子晶体 有机分子络合物和高分子聚合物 酞菁类及一些多环 稠环化合物 聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子 他们都具有大 键结构 3 有机半导体 组分 1874年F Braun金属 半导体接触 氧化铜 硒整流器 曝光计 1879年Hall效应K Beadeker半导体中有两种不同类型的电荷 1948年Shockley Bardeen Brattain锗晶体管 transistor 点接触式的 硅检波器 萌芽期 硅晶体管 三 半导体的发展 1955年德国西门子氢还原三氯硅烷法制得高纯硅 1950年G K Teel直拉法较大的锗单晶 1952年G K Teel直拉法第一根硅单晶 1957年第一颗砷化镓单晶诞生 进入成长期 1952年H Welker发现 族化合物 1958年W C Dash无位错硅单晶 1963年用液相外延法生长砷化镓外延层 半导体激光器 1963年砷化镓微波振荡效应 硅外延技术 1965年J B Mullin发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶 Andthen 成熟期 分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积MOCVD 半导体超晶格 量子阱材料 杂质工程 能带工程 电学特性和光学特性可裁剪 半导体材料是微电子和光电子技术的基础 用半导体材料制作 光 电子元器件 不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间 而是由于其导电机理不同于其它物质 其导电能力可调谐 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 热敏特性 光敏特性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 掺杂特性 四 半导体材料的基本特性 半导体材料的性质主要取决于半导体的能带结构和电子的运动规律 1 半导体的电子结构 1 能带结构 电子填充允带时 可能出现 电子刚好填满最后一个带 绝缘体和半导体 最后一个带仅部分被电子占有 导体 绝缘体 半导体和导体的能带示意图 常温下 Si Eg 1 12ev Ge Eg 0 67ev GaAs Eg 1 43ev 绝缘体的禁带宽度 6 7ev 半导体的禁带宽度 1 3ev 对常见的半导体 起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴 所以主要关注带底附近和价带顶附近的能带结构 硅和锗的能带结构 导带最低能谷 例1元素半导体Si Ge 例2化合物半导体GaAs 2 半导体的掺杂 在纯净的半导体 本征半导体 中掺入一定量不同类型的杂质 并通过对其数量和在空间的分布精确地控制 实现对电阻率和少子寿命的有效控制 从而人为地改变半导体的电学性质 如n型半导体和p型半导体 本征半导体 带隙中无能级 杂质和缺陷对能带结构的影响 在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级 浅能级 深能级 影响光 电学性质 i 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动 ii 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 物理机制 杂质能级的产生 晶体的势场的周期性受到破坏而产生附加势场 使得电子或空穴束缚在杂质周围 产生局域化的量子态即局域态 使能带极值附近出现分裂能级 杂质能级 受主掺杂 施主掺杂 半导体的掺杂分类 施主能级 受主能级 杂质能级 杂质可以使电子在其周围运动形成量子态 本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体 即不含任何杂质 结构完整的半导体 绝对零度下 本征半导体相当于绝缘体 室温下 一部分价电子挣脱共价键束缚 形成电子 空穴对 本征激发很弱 硅晶体共价键结构示意图 电子 空穴对的产生和空穴的移动 在纯净的单晶体硅中 掺入微量的五价杂质元素 如磷 砷 锑等 使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代 便构成N型半导体 在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素 如硼 镓 铟等 便构成P型半导体 杂质半导体 N型半导体结构示意图 P型半导体结构示意图 2 半导体的电学性质 1 载流子的电导率s se sps与载流子浓度和载流子迁移率有关 n型硅中电子浓度n与温度T的关系图 注 本征半导体ni与T是线性增加的关系 与半导体内的散射机制 电离杂质 晶格振动 有关 2 半导体的电学性质 T T 低温 饱和 本征 本征半导体 杂质半导体 杂质电离 本征激发低 杂质全电离 本征激发少 散射作用强 本征激发为主 2 半导体的电阻率 3 半导体的光电性质 1 光吸收 半导体材料中的电子吸收光子的能量 从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态 这种跃迁可以发生在 1 不同的能带之间 2 同一能带的不同状态之间 3 禁带中的分立能级之间 4 禁带中的分立能级和能带之间 以上各种吸收引起不同的吸收过程 i 本征吸收 定义 电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收 又称为基本吸收 是半导体中最主要的吸收过程 特点 伴随着电子 空穴对的产生 使半导体的电导率增加 即产生光电导 必要条件 引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度 即对应的波长称为本征吸收限 根据上式 可得出本征吸收长波限的公式为实验观测 吸收系数曲线在短波端陡峭地上升 标志着本征吸收的开始 通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边 它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁 跃迁发生的条件 能量守恒和动量守恒跃迁分类 直接跃迁和间接跃迁 直接跃迁若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变 则这种跃迁称为直接跃迁 相当于电子由价带竖直地跃迁到导带 所以也称为垂直跃迁 对应的材料为直接带隙半导体 间接跃迁若导带底和价带顶位于k空间的不同位置 则任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大 但实验指出 引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg 推论 除竖直跃迁 还存在另一类跃迁过程 由价带顶向具有不同 值的导带底的跃迁 电子的动量变化很大 而光子的动量很小 故必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒 除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁 称为间接跃迁或非竖直跃迁 相应的材料称为间接能隙半导体材料 间接跃迁材料的缺点 实际上在直接禁带半导体中 涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生 即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁 同样 在间接禁带半导体中 也可能发生直接跃迁 但它们不是能量最低的带间跃迁 间接跃迁要求同时有光子和声子参加 是一个二级过程 跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多 相应的吸收系数也较小 因为光电器件一般均涉及电子的跃迁 因此间接能隙半导体材料一般不适宜 直接 作为光电材料 尤其不能作为发光材料 ii 激子吸收 若光子能量hn Eg 则跃迁后的价带电子不足以跃迁到导带 但它可以和价带的空穴组成电子空穴对束缚态 激子 即 半导体吸收光子能量 但电子不能跃迁为自由载流子而处于受激状态 激子吸收不会改变半导体的导电性 iii 杂质吸收 杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级 占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收 这种吸收称为杂质吸收 可以分为下面三种类型 a 吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁 b 中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁 c 电离受主到电离施主间的跃迁 由于杂质能级是束缚态 因而动量没有确定的值 所以不必满足动量守恒的要求 因此跃迁几率较大 杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长 杂质吸收会改变半导体的导电性 也会引起光电效应 电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁 浅能级杂质 红外区深能级杂质 可见 紫外区 iv 自由载流子吸收 当入射光的波长较长 不足以引起带间跃迁或形成激子时 半导体中仍然存在光吸收 而且吸收系数随着波长的增加而增加 这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的 称为自由载流子吸收 准连续 长波长段 自由载流子吸收也需要声子参与 因此也是二级过程 与间接跃迁过程类似 但这里所涉及的是载流子在同一带内不同能级间的跃迁 自由载流子吸收不会改变半导体的导电性 v 子带间的跃迁 电子在价带或导带中子带 sub band 之间的跃迁 在这种情况下 吸收曲线有明显的精细结构 而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律 大多半导体的价带在价带顶附近由三个子带组成 不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过程 a 从轻空穴带到重空穴带的跃迁 b 从分裂的带到重空穴带的跃迁 c 从分裂的带到轻空穴带的跃迁 vi 晶格振动吸收 声子吸收 由于光子和晶格振动的相互作用引起的中远红外谱区的光吸收称为晶格振动吸收 直接转换为晶格振动的动能增加 小结 以上六种吸收机制中只有本征吸收和杂质吸收能够引起非平衡载流子 产生光电效应 其它吸收都不同程度的把辐射能转换为热能 使器件温度升高 而不改变半导体的导电性 3 半导体的光电性质 2 光电导若半导体的光吸收机制可产生额外的载流子 那么载流子浓度提高 则电导率增加 增加的这部分电导率称为光电导 光生载流子是非平衡载流子 有产生就有复合过程 最终达到动态平衡 此时光电导达到稳态 利用光电导 可制造用于高灵敏检测的光电器件 4 半导体的界面特性 PN结 1 基本结构 PN结是由同一种本征半导体形成的N型半导体和P型半导体在晶格完全匹配的情况下紧密接触所构成的 其接触界面称为冶金结界面 半导体器件的核心是PN结 半导体二极管是单个PN结 半导体三极管具有两个PN结 场效应管的基本结构也是PN结 2 制作方法 外延方法 突变PN结 扩散方法 缓变PN结 离子注入方法 介于突变结与缓变结之间 3 PN结的形成多子扩散运动 两种材料接触形成PN结时 冶金结两侧出现载流子浓度差 形成可动载流子的扩散流 电子离开N型区向P型区扩散 在N型区留下带正电荷的施主离子 空穴离开P型区向N型区扩散 在P型区留下带负电荷的受主离子 离化的杂质中心固定不动 出现净正 负电荷 少子漂移运动 在半导体带电的区域空间电荷区 形成内建电场 内建电场引起少子漂移运动 空间电荷区内漂移运动与扩散运动的方向相反 最后达到平衡状态 空间电荷区宽度一定 PN结电流为0 而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性 空间电荷区及内建电场的形成过程示意图 达到热平衡状态时 扩散流等于漂移流 势垒区内电子 空穴 的扩散和漂移抵消 整个pn结具有统一的费米能级 能带弯曲 势垒高度 PN结的形成 a 载流子的扩散运动 b 空间电荷区 c 电位分布 4 PN结的单向导电性a 正向特性 PN结外加正向电压时导通 b 反向特性 PN结外加反向电压时截止 综上所述 PN结正向偏置时 结电阻很小 回路中产生一个较大的正向电流 PN结呈导通状态 PN结反向偏置时 结电阻很大 回路中的反向电流很小 几乎接近于零 PN结呈截止状态 所以 PN结具有单向导电性 c 伏安特性 PN结伏安特性曲线 5 PN结的击穿特性当PN结外加反向电压超过某一电压值时 反向电流将急剧增加 这种现象称为PN结的反向击穿 反向电流急剧增加时所对应的反向电压U BR 称为反向击穿电压 PN结的击穿特性 6 PN结的温度特性 实验证明 在室温下 温度每升高1 在同一正向电流下 PN结正向压降VF减小2 2 5mV 温度每升高10 反向饱和电流Is大约增加1倍 所以当温度升高时 PN结的正向特性曲线向左移动 反向特性曲线向下移动 此外 PN结的反向击穿特性也与温度有关 理论分析表明 雪崩击穿电压随温度升高而增大 具有正的