第四节 半导体材料

1、1 第四节第四节 半导体材料半导体材料 半导体能带结构半导体能带结构 价带价带 (最上面的满带最上面的满带) 导带导带 (最下面的空带最下面的空带) 带隙带隙: Eg 纯净半导体纯净半导体 无缺陷和杂质的半导体无缺陷和杂质的半导体, 也称本征半导体也称本征半导体. 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质的半导体掺入杂质的半导体, 也称非本征半导体也称非本征半导体. 杂质态分两类杂质态分两类: 施主和受主施主和受主 施主施主: 在在带隙中带隙中提供提供带有电子的能级带有电子的能级之之杂质杂质. 受主受主: 在在带隙中带隙中提供提供空的能级空的能级之之杂质杂质. 空带空带 禁带禁带 满带满带 半导体能半导

2、体能 带结构带结构 2 Si Si SiSi Si Si Si P Si掺杂掺杂VI元素的结构示意图元素的结构示意图 n 型半导体型半导体 Si B SiSi Si Si Si Si + Si掺杂掺杂III元素的结构示意元素的结构示意 图图 p 型半导体型半导体 E E T 0T 0T = 0T = 0 导带导带 n 型型 施主和受主施主和受主 施主施主 满带满带 E E T = 0T = 0T 0T 0 导带导带 p 型型 受主受主 满带满带 3 n 型半导体型半导体 主要依靠主要依靠电子电子传导电流的半导体传导电流的半导体 p 型半导体型半导体 主要依靠主要依靠空穴空穴传导电流的半导体传导

3、电流的半导体 电子和空穴是半导体中的电子和空穴是半导体中的两种载流子两种载流子 多子和少子多子和少子 n 型半导体中主要依靠电子导电型半导体中主要依靠电子导电, 同时存在少量空穴同时存在少量空穴, 电子称为多数电子称为多数 载流子载流子(多子多子), 空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(少子少子). p 型半导体中空穴是多子型半导体中空穴是多子, 电子是少子电子是少子. 载流子浓度载流子浓度 指单位体积内自由电子或空穴的数目，分别用电子浓度（指单位体积内自由电子或空穴的数目，分别用电子浓度（n）和空穴）和空穴 浓度（浓度（p）表示）表示. 非平衡载流子非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体处于

4、热平衡状态的半导体, 在一定温度下在一定温度下, 载流子的浓度是一定的载流子的浓度是一定的, 其其 浓度称为浓度称为平衡载流子浓度平衡载流子浓度. 在外界作用下在外界作用下, 有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值. 超出热平超出热平 衡浓度衡浓度的多余载流子的多余载流子, 称为称为非平衡载流子非平衡载流子, 也称过剩载流子也称过剩载流子. 4 非平衡载流子会自发复合非平衡载流子会自发复合 (一对电子和空穴消失一对电子和空穴消失) 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命: 非平衡载流子在复合之前平均存在的时间非平衡载流子在复合之前平均存在的时间, 用少用少 数载

5、流子的寿命描述数载流子的寿命描述. 在简单情况下在简单情况下, 过剩载流子过剩载流子 的浓度的浓度: 式中式中 n0 为时间为时间 t=0 时时, 过过 剩少数载流子浓度剩少数载流子浓度; 为少为少 数载流子寿命数载流子寿命; =/ 为非平衡载流子的为非平衡载流子的复合几率复合几率. 晶体内过剩少子可以直接复合晶体内过剩少子可以直接复合 和经过复合中心实现和经过复合中心实现间接复合间接复合. 复合中心复合中心:一一些能够引起电子些能够引起电子 和空位复合过程的和空位复合过程的杂质杂质和和缺陷缺陷. 间接复合间接复合是大多数半导体的主是大多数半导体的主 要复合过程要复合过程. Pt t en e

6、nn 0 / 0 5 正是杂质或缺陷能级的存在正是杂质或缺陷能级的存在,使半导体的使半导体的禁带能隙变窄禁带能隙变窄甚至变甚至变 为零禁带为零禁带, 从而导致半导体更容易导电从而导致半导体更容易导电. 载流子的迁移率载流子的迁移率 半导体中的电子和空穴在半导体中的电子和空穴在外加电场作用下外加电场作用下将产生将产生净加速度和净净加速度和净 位移位移. 这种在电场力作用下载流子的运动称为这种在电场力作用下载流子的运动称为漂移运动漂移运动. 载流子载流子 电荷的净漂移形成电荷的净漂移形成漂移电流漂移电流. 载流子的迁移率载流子的迁移率 : 单位电场作用下载流子的单位电场作用下载流子的平均漂移速度平

7、均漂移速度. （ ） - - 载流子的平均漂移速度；载流子的平均漂移速度；E-电场强度；电场强度； - -驰豫时间；驰豫时间； - -迁移率迁移率 迁移率迁移率是载流子在电场作用下是载流子在电场作用下运动速度大小的度量运动速度大小的度量，载流载流 子运动得快，迁移率大子运动得快，迁移率大，运动得慢，迁移率小。，运动得慢，迁移率小。 迁移率与迁移率与散射几率有关散射几率有关, 正比于温度正比于温度 的的 / 次方次方. 载流子受到的散射载流子受到的散射: 晶格散射晶格散射、电离杂质、电离杂质散射散射、缺陷或中性杂、缺陷或中性杂 质引起晶格畸变所产生的质引起晶格畸变所产生的散射等散射等. 总散射几

8、率为各种散射几率总散射几率为各种散射几率 之和之和, 故故总迁移率总迁移率 与各种迁移率与各种迁移率 i 的关系的关系为为: EE m e v 321 1 11 1 11 11 1 i i m e v 6 半导体的半导体的电导率电导率: J-电流密度；电流密度；E-电场强度；电场强度；n -单位体积载流子数单位体积载流子数（载流子浓度）；（载流子浓度）； - -迁移率迁移率 半导体的电导率为半导体的电导率为电子电子和和空穴空穴两种载流产生的两种载流产生的电导率之和电导率之和： n、p分别是电子、空穴浓度，分别是电子、空穴浓度， e、 h分别是电子、空穴的迁移率分别是电子、空穴的迁移率 除漂移电

9、流外除漂移电流外, 半导体中的载流子还可形成另一种形式的电流半导体中的载流子还可形成另一种形式的电流: 扩散电扩散电 流流 , 它是由于载流子浓度分布不均匀它是由于载流子浓度分布不均匀, 产生扩散运动而引起产生扩散运动而引起. 扩散系数扩散系数 (cm2/s) 与迁移率与迁移率 的关系的关系: 载流子浓度载流子浓度和和迁移率迁移率是半导体导电性质的是半导体导电性质的两个重要参量两个重要参量. e kT D ne m ne E J 2 he pene 7 半导体材料的分类半导体材料的分类 按组成分为按组成分为: : 元素半导体元素半导体 化合物半导体化合物半导体 有机物半导体有机物半导体 非晶态

10、半导体非晶态半导体 半导体陶瓷半导体陶瓷 用途用途 晶体管、激光器、集成电路、光电与微波器件、传感器等电子与电气元晶体管、激光器、集成电路、光电与微波器件、传感器等电子与电气元 器件器件. . 是信息时代的基石是信息时代的基石. . 8 一一. 元素半导体元素半导体 元素半导体元素半导体: 由一种元素组成的半导体由一种元素组成的半导体 具有半导体特性的元素具有半导体特性的元素: 其中其中: 金刚石、金刚石、B、P、S、I: 禁带很宽禁带很宽, 晶体生长困难晶体生长困难. 灰锡、灰锡、Bi、灰砷、黑锑、灰砷、黑锑: 不稳定不稳定, 称半金属称半金属. Se、Ge、Si: 作半导体器件作半导体器件

11、 9 Si: 性能和工艺性好性能和工艺性好, 资源丰富资源丰富, 最广泛使用最广泛使用 Ge: 在红外探测器和高频小功率晶体管器件方面占有优势在红外探测器和高频小功率晶体管器件方面占有优势 应用中的应用中的 Si 、 Ge 大多数为掺杂后的非本征半导体大多数为掺杂后的非本征半导体 Si、Ge 单晶单晶: 高纯度、大尺寸、高均匀度高纯度、大尺寸、高均匀度, 使成本急剧下降使成本急剧下降 10 二二. 化合物半导体化合物半导体 组成组成 种类多种类多, 有以有以共价键为主共价键为主的的: IIIA-VA族族化合物化合物、 IIA-VIA族族化合物化合物、 IVA-IVA族族化合物化合物和氧化物半导

12、体和氧化物半导体 特点特点 性能上性能上(如如:禁带宽度禁带宽度, 迁移率迁移率) 提供了更宽的范围提供了更宽的范围 材料材料 GaAs GaP GaN ZnO -SiC GaAs1-xPx: 固溶体化合物等固溶体化合物等 11 电子跃迁方式电子跃迁方式 直接跃迁直接跃迁: 半导体导带极小值和价带极大值在半导体导带极小值和价带极大值在 k 空间位于相同点空间位于相同点, 电电 子和空穴对容易形成子和空穴对容易形成. 间接跃迁间接跃迁: 半导体导带极小值和价带极大值在半导体导带极小值和价带极大值在 k 空间位于不同点空间位于不同点, 跃跃 迁过程必须有迁过程必须有声子声子参加参加, 给电子提供给

13、电子提供 k 的变化的变化. 间接跃迁发生的几率间接跃迁发生的几率 比直接跃迁小得多比直接跃迁小得多. o k 导带边导带边 价带边价带边 E(k) o k 导带边导带边 价带边价带边 E(k) 直接跃迁直接跃迁 间接跃迁间接跃迁 电子跃迁方式电子跃迁方式 12 13 超晶格半导体超晶格半导体 将两种不同组成或不同掺杂的半导体将两种不同组成或不同掺杂的半导体 超薄层和交替生长在衬底上超薄层和交替生长在衬底上, 使使 在外延生长方向形成附加的晶格周期在外延生长方向形成附加的晶格周期 性性, 叫超晶格叫超晶格. 每层厚度每层厚度 dA 、 dB 为晶格常数的为晶格常数的2-20倍倍. 附加周期附加

14、周期 D=dA+dB 特点特点: 在异质界面处能带不连续在异质界面处能带不连续. 可设可设 计和控制电子的量子化状态及电子穿越势垒的隧道效应计和控制电子的量子化状态及电子穿越势垒的隧道效应. 材料材料: GaAs/掺杂掺杂AlGaAs . . 衬底 dA dB 超晶格超晶格 14 InGaAs/GaAs CdTe/HCdTe ZnSe/ZnTe等多层膜等多层膜. 用途用途: 光电器件光电器件、量子阱激光器、高电子迁移率晶体管等、量子阱激光器、高电子迁移率晶体管等. 三三. 有机物半导体有机物半导体 液晶液晶:是处于液相与固相之间的中间相是处于液相与固相之间的中间相. 在一定温度范围在一定温度范

15、围, 既具有液体的既具有液体的 流动性流动性(不能承受切应力不能承受切应力)、粘度、形变等机械性质、粘度、形变等机械性质; 又具有晶体的热、又具有晶体的热、 光、电、磁等物理性质光、电、磁等物理性质. 已知的液晶都为已知的液晶都为有机化合物有机化合物. 分子几何形状有分子几何形状有 棒状和碟状两种棒状和碟状两种. 棒状分子才有技术应用价值棒状分子才有技术应用价值, 它按分子排列方式分三种它按分子排列方式分三种: 近晶型液晶近晶型液晶 向列型液晶向列型液晶: 技术应用价值最大技术应用价值最大. 胆甾型液晶胆甾型液晶 15 液晶的类型液晶的类型 a)近晶型近晶型 b)向列型向列型 c)胆甾型胆甾型

16、 16 液晶显示液晶显示: 主要利用液晶的电场效应主要利用液晶的电场效应: 其各向异性的其各向异性的折射率和反射率折射率和反射率随电场变化随电场变化, 使它所反射或透射的环境光变化使它所反射或透射的环境光变化, 从而达到显示目的从而达到显示目的. 用途用途: 液晶显示器：液晶显示器： 功耗低功耗低 工作电压低工作电压低 (3-6), 宜与集成电路联用宜与集成电路联用 在明亮环境下对比度和分辨率好在明亮环境下对比度和分辨率好 但响应速度慢、工作温度范围窄但响应速度慢、工作温度范围窄 四四. 非晶态半导体非晶态半导体 非晶态物质非晶态物质: 原子排列在长程序上不存在在规律的周期性原子排列在长程序上不存在在规律的周期性, 即长程无序即长程无序, 但短程有序但短程有序. 非晶态半导体非晶态半导体: 具有半导体特性的非晶态物质具有半导体特性的非晶态物质. 17 非晶态半导体能带特点非晶态半导体能带特点: 两类电子态两类电子态: 扩展态扩展态: 波函数遍及整个材料中波函数遍及整个材料中 定域态定域态: 波函数局限在某个范围之内波函数局限在某个范围之内 能态密度存在能态密度存在带尾带尾 在导带中在导带中: 扩展态扩展态: EEC 定域态定域态: EAEEC 在价带中在价带中: 扩展态扩展态: EEV 定域态定域态: EV