chap1-part1-semiconductor-2012PPT优秀课件

1、1固体材料固体材料主讲老师：主讲老师：周玉琴周玉琴联系方式联系方式: 办公室：办公室：88256653（玉泉路）（玉泉路）答疑：答疑：每周三每周三 10:30 到到 12:30 中关村教学楼中关村教学楼 N5012教材：电子课件教材：电子课件课件下载：学校课程网站课件下载：学校课程网站3教教 学学 内内 容容第一章第一章 半导体材料半导体材料第二章第二章 超导材料超导材料第三章第三章 磁功能材料磁功能材料第四章第四章 光功能材料光功能材料第五章第五章 固体材料的制备固体材料的制备考试方式考试方式：作业：作业(20%)+ 闭卷闭卷(80%)4u 概念、理论和性质概念、理论和性质u 制备工艺制备工

2、艺u 实际应用实际应用了解和掌握这些知识，为今后的研了解和掌握这些知识，为今后的研究工作及新材料的开发与设计提供究工作及新材料的开发与设计提供理论和实验技术基础。理论和实验技术基础。教学目的和要求教学目的和要求5第一章第一章 半导体材料半导体材料6导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 能带结构的特点能带结构的特点电阻率的特点电阻率的特点71911年，考尼白格和维斯首次使用年，考尼白格和维斯首次使用“半导体半导体”这个名词，这个名词，1947年由贝尔实验室总结出半导体的四个特性：年由贝尔实验室总结出半导体的四个特性：u温度效应温度效应：电阻随温度的上升而降低：电阻随温度的上升而降低u光生伏特效应光生

3、伏特效应：光照下产生电压：光照下产生电压u整流效应整流效应：导电的方向性：导电的方向性u光电导效应光电导效应：光照下电导增加：光照下电导增加为什么半导体被认可需要这么多年呢？为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是主要原因是材料不够纯材料不够纯。 半导体材料的特征半导体材料的特征8主要内容主要内容u半导体材料的分类半导体材料的分类u半导体材料的结构与价键半导体材料的结构与价键 u半导体材料的物理基础半导体材料的物理基础 导电特性、能带结构、载流子的散射与迁移率、导电特性、能带结构、载流子的散射与迁移率、 非平衡载流子、非平衡载流子、 p-n结结、异质结和超晶格、异质结和超晶格u典型半导体材

4、料典型半导体材料 硅材料、锗材料、砷化镓材料、非晶态材料硅材料、锗材料、砷化镓材料、非晶态材料9半导体材料的分类半导体材料的分类10元素半导体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十二种，素有十二种，B，C，Si，P，S，Ge，As，Se，Sn，Sb，Te和和I。其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料硅和锗是当前最重要的半导体材料。11化 合 物 半 导化 合 物 半 导体体12半导体材料的结

5、构半导体材料的结构 半导体材料结构与其性能密切相关，决定着材半导体材料结构与其性能密切相关，决定着材料的功能和应用。料的功能和应用。*金刚石结构金刚石结构 *闪锌矿结构闪锌矿结构 *纤锌矿结构纤锌矿结构 13金刚石结构金刚石结构立方晶胞内相关连的原子共有立方晶胞内相关连的原子共有18个：个：8个在立方体的个在立方体的8个顶角，个顶角，6个在立方体个在立方体6个面心，个面心，4个分别在个分别在4条体对角线距顶角原子相距条体对角线距顶角原子相距1/4体对角线长度处。体对角线长度处。每一晶胞中实际占有原子每一晶胞中实际占有原子8个。个。此结构的重要特点：此结构的重要特点：每个原子有每个原子有4个最近

6、邻个最近邻，都处在一个，都处在一个正四面体的顶角位置。正四面体的顶角位置。原子间的结合为共价键，即每个原子有原子间的结合为共价键，即每个原子有4对共价键，键合对共价键，键合4个最近邻原子，键角为个最近邻原子，键角为109.28度。度。致密度为致密度为0.34，原子排列比较松，因此锗熔化时体积要缩，原子排列比较松，因此锗熔化时体积要缩小小5.5，硅熔化时要缩小，硅熔化时要缩小9。Si，Ge，Sn(灰锡灰锡) 等等14 闪锌矿结构（立方硫化锌结构）闪锌矿结构（立方硫化锌结构）具有具有闪锌矿结构的材料：闪锌矿结构的材料：-族族GaAs，InSb，GaP，InAs，BSb，AlSb，GaSb， -族族

7、CdTe，ZnSe, HgSe，HgTe等等-族族SiC等等闪锌矿结构：由两类不同原子闪锌矿结构：由两类不同原子占据的金刚石结构。占据的金刚石结构。闪锌矿结构材料在半导体特性、闪锌矿结构材料在半导体特性、光、电性质上与金刚石结构材光、电性质上与金刚石结构材料有相同处，也有许多不同处。料有相同处，也有许多不同处。原因在于：闪锌矿结构材料的原因在于：闪锌矿结构材料的两种不同原子之间的化学键主两种不同原子之间的化学键主要是共价键，同时又具有离子要是共价键，同时又具有离子键成分，即键成分，即混合键混合键。15 闪锌矿结构闪锌矿结构 闪锌矿结构中的离子键成分闪锌矿结构中的离子键成分, , 使电子不完全公

8、有，电子使电子不完全公有，电子有转移，即有转移，即“极化现象极化现象”。这与两种原子的电负性之差有关，。这与两种原子的电负性之差有关，两者之差愈大，离子键成分愈大，导致极化愈大。两者之差愈大，离子键成分愈大，导致极化愈大。 极性对闪锌矿结构的晶体的物理和化学性质都有明极性对闪锌矿结构的晶体的物理和化学性质都有明显的影响，主要表现在：显的影响，主要表现在：（1）解理性）解理性（2）表面腐蚀性）表面腐蚀性16由两种原子分别组成六方结构晶由两种原子分别组成六方结构晶格适当错位套构而成的，具有六格适当错位套构而成的，具有六方对称性，方对称性，也具有四面体结构也具有四面体结构。以以ZnS为例，为例，S2

9、-位于整个六方柱位于整个六方柱大晶胞的各个角顶、底心、及由大晶胞的各个角顶、底心、及由六方柱划分出的六个三方柱中的六方柱划分出的六个三方柱中的相间的三个三方柱的轴线上。相间的三个三方柱的轴线上。Zn2+则位于各个三方柱的棱上及则位于各个三方柱的棱上及相间的三个三方柱之轴线上。相相间的三个三方柱之轴线上。相当于当于S2-构成简单六方紧密堆积，构成简单六方紧密堆积，而而Zn2+则填塞于半数的四面体间则填塞于半数的四面体间隙中，即每个原子均处于异种原隙中，即每个原子均处于异种原子构成的正四面体中心，配位数子构成的正四面体中心，配位数均为均为4。 纤锌矿结构（六方硫化锌结构）纤锌矿结构（六方硫化锌结构

10、）具有纤锌矿结构的材料：具有纤锌矿结构的材料：-族族BN、GaN、InN-族族ZnO、ZnS、CdS、HgS17四面体共价键与轨道杂化在在族元素半导体中，族元素半导体中，N个原子，有个原子，有4N个价电子，即有个价电子，即有4N个个sp3杂化轨道杂化轨道，其中，其中2N个成键轨道和个成键轨道和2N个反键轨道。个反键轨道。4N个价电子正好填满个价电子正好填满2N个成键轨道，展宽为价带，而个成键轨道，展宽为价带，而2N个反键轨道全都空着，展宽为导带，导带底和价带顶之间个反键轨道全都空着，展宽为导带，导带底和价带顶之间的能量间隙为禁带宽度的能量间隙为禁带宽度Eg。Eg的大小由的大小由什么决定？什么决

11、定？18四面体共价键与轨道杂化Eg的大小：共价键强度越强，的大小：共价键强度越强，Eg 越大。越大。 （1）同一周期元素半导体）同一周期元素半导体元素周期表从左到右，原子序数增加，原子半径减小，原元素周期表从左到右，原子序数增加，原子半径减小，原子核对电子吸引力增大，共价键强度增大，子核对电子吸引力增大，共价键强度增大，Eg逐渐增大。逐渐增大。Si、P、S的禁带宽度分别为的禁带宽度分别为1.12eV，1.45eV，2.65eV。同族元素从上到下，共价键强度减弱，同族元素从上到下，共价键强度减弱，Eg亦逐渐减小。亦逐渐减小。C、Si、Ge的禁带宽度分别为的禁带宽度分别为5.47eV、1.12eV

12、、0.66eV。19四面体共价键与轨道杂化Eg的大小：共价键强度越强，的大小：共价键强度越强，Eg 越大。越大。 （2）化合物半导体）化合物半导体同一周期中同一周期中-族化合物半导体的族化合物半导体的Eg大于大于-族化合物族化合物半导体的半导体的Eg，更大于，更大于族元素半导体的族元素半导体的Eg。第四周期禁带宽度第四周期禁带宽度ZnSeGaAs。不同周期相比，禁带宽度不同周期相比，禁带宽度GaAsInSb，ZnSeCdTe。20半导体材料的物理基础半导体材料的物理基础21能带结构能带结构 画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带顶和

13、导带底都称为带边，分别用顶和导带底都称为带边，分别用EvEv和和EcEc表示它们的能量，带隙表示它们的能量，带隙宽度宽度EgEgEc-EvEc-Ev。22以以Ge、Si、GaAs的能带为例。可以讨论三个方面：的能带为例。可以讨论三个方面： (1)带隙结构带隙结构直接带隙：直接带隙：导带底和价带顶位于导带底和价带顶位于k空间同一点。空间同一点。间接带隙：间接带隙：导带底和价带顶位于导带底和价带顶位于k空间不同点。空间不同点。具有这两种能带结构的材料分别称为具有这两种能带结构的材料分别称为直接跃迁型材料直接跃迁型材料(如如GaAs)和和间接跃迁型材料间接跃迁型材料(如如Ge、Si)。两者在光吸收、

14、发。两者在光吸收、发光、输运和复合等行为上有明显的区别。光、输运和复合等行为上有明显的区别。如：发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒，对如：发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒，对于间接跃迁型半导体，导带和价带之间光学跃迁时，需要声子于间接跃迁型半导体，导带和价带之间光学跃迁时，需要声子参与，而对于直接跃迁型半导体，不需要声子参与，因此宜参与，而对于直接跃迁型半导体，不需要声子参与，因此宜用用直接跃迁型半导体制作发光器件和激光器件直接跃迁型半导体制作发光器件和激光器件。23直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁24(2) 导带结构导带结构 a)实验发现实验发现GaAs的导带底附近

15、的导带底附近等能面形状为球面等能面形状为球面，Ge、Si的等能面为旋转椭球面。因此的等能面为旋转椭球面。因此GaAs的许多性质的许多性质(如电如电阻率、磁阻效应等阻率、磁阻效应等)呈呈各向同性各向同性，可用标量表示，可用标量表示, Ge、Si的许多性质呈各向异性。的许多性质呈各向异性。b)如果如果导带极值不在导带极值不在k空间原点空间原点，按对称性的要求，必然，按对称性的要求，必然存在若干个等价的能谷。具有多个能谷的半导体称为存在若干个等价的能谷。具有多个能谷的半导体称为多多能谷半导体能谷半导体，如，如Ge和和Si是典型的多能谷半导体。是典型的多能谷半导体。 如果导带极值在如果导带极值在k空间

16、原点处空间原点处，只有单个极值，称为，只有单个极值，称为单单能谷半导体能谷半导体，如，如GaAs为单能谷半导体。为单能谷半导体。25c) 多能量极值材料，多能量极值材料，转移电子效应转移电子效应如：如：GaAs的导带在位于的导带在位于(100)方向的极值方向的极值(子能谷子能谷)比位于比位于k空间原点的极值空间原点的极值(主能谷主能谷)高约高约0.36 eV，而且前者电子的有，而且前者电子的有效质量较大，迁移率较低，施加强电场后，电子从原点效质量较大，迁移率较低，施加强电场后，电子从原点极值转移到极值转移到(100)方向极值处时，利用此特性方向极值处时，利用此特性GaAs可以制可以制作作转移电

17、子器件转移电子器件。InP也是制作转移器件的好材料。也是制作转移器件的好材料。转移电子效应发现于转移电子效应发现于1963年。年。当在当在n型砷化镓或磷化铟矩形型砷化镓或磷化铟矩形样品上加的直流电场超过每厘样品上加的直流电场超过每厘米几千伏临界阈值电场时，便米几千伏临界阈值电场时，便产生微波功率输出。产生微波功率输出。转移电子器件转移电子器件(TED)是一种重是一种重要的微波器件要的微波器件。26 (3)(3)价带结构价带结构 以以Ge，Si和和GaAs为例，价带分为三支，价带顶位于为例，价带分为三支，价带顶位于k原原点处，两个较高的带在点处，两个较高的带在k原点处简并，分别对应原点处简并，分

18、别对应重空穴重空穴带和轻空穴带带和轻空穴带，虽然它们的等能面呈，虽然它们的等能面呈“扭曲扭曲”的球面形的球面形状，仍可以用各向同性的有效质量分别描述在重、轻两状，仍可以用各向同性的有效质量分别描述在重、轻两个空穴带中的空穴运动。个空穴带中的空穴运动。第三个能带是由于自旋轨道耦合第三个能带是由于自旋轨道耦合分裂出来的，它的极大值也在分裂出来的，它的极大值也在k = 0处，但比上述的两个能带的处，但比上述的两个能带的极大值低，存在一个能量差。极大值低，存在一个能量差。27m*为载流子的有效质量，为载流子的有效质量，m0为电子的惯性质量为电子的惯性质量,为母体为母体晶体的相对介电系数，晶体的相对介电

19、系数， H为氢原子的基态电离能。为氢原子的基态电离能。20H*imm N型半导体型半导体 P型半导体型半导体在半导体材料中掺入比其多一个价电子的元素，多余的在半导体材料中掺入比其多一个价电子的元素，多余的价电子不能进入共价键，但仍受杂质中心的约束价电子不能进入共价键，但仍受杂质中心的约束,只是比只是比共价键约束弱得多，共价键约束弱得多，只要很小的能量就会摆脱约束，成只要很小的能量就会摆脱约束，成为自由导电电子为自由导电电子。对于。对于P型掺杂的情况也是如此。型掺杂的情况也是如此。杂质原子分别形成正电中心和负电中心，可以近似用类杂质原子分别形成正电中心和负电中心，可以近似用类氢系统和载流子的有效

20、质量来处理。这样杂质的浅电离氢系统和载流子的有效质量来处理。这样杂质的浅电离能为：能为：28载流子浓度载流子浓度掺杂的非简并半导体，导带底的电子浓度为：掺杂的非简并半导体，导带底的电子浓度为： n = N- exp - (Ec-EF) /kBT N- = 2S- ( 2 m*kBT )3/2 / h3N-为导带有效能级密度，为导带有效能级密度，Ec为导带底的能级，为导带底的能级，EF为费米能为费米能级，级，kB为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，S-为导带底对应对称点的数目，为导带底对应对称点的数目，m*为电子有效质量。为电子有效质量。价带顶的空穴浓度为：价带顶的空穴浓度为： p = N+ exp

21、 - (EF-Ev) /kBT N+ = 2S+ ( 2 m*kBT )3/2 / h3N+为价带有效能级密度，为价带有效能级密度，Ev为价带顶的能级，为价带顶的能级，EF为费米能为费米能级，级，kB为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数， S+为价带底对应对称点的数目，为价带底对应对称点的数目，m*为空穴有效质量。为空穴有效质量。29 np = N- N+ exp - (Ec-Ev)/kBT = N- N+ exp - Eg/kBT Eg Eg为禁带宽度。为禁带宽度。 注意：半导体材料的电子浓度和空穴浓度的乘积，只是注意：半导体材料的电子浓度和空穴浓度的乘积，只是温度的函数，而与温度的函数，而与E

22、EF F位置无关，与掺杂无关。位置无关，与掺杂无关。 例如：硅中掺砷掺得越多，即导带中电子越多，而价带例如：硅中掺砷掺得越多，即导带中电子越多，而价带中空穴将越少。中空穴将越少。 对于本征半导体，很容易得出本征载流子浓度对于本征半导体，很容易得出本征载流子浓度 ni = n = p = (N- N+ )1/2 exp - Eg/ 2kBT 本征费米能级本征费米能级 Ei (Ec+Ev), 即近似位于带隙中央。即近似位于带隙中央。n ni i 主要取决于主要取决于EgEg和温度。和温度。载流子浓度载流子浓度30半导体的电导率半导体的电导率 导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作用下，产生漂导

23、带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作用下，产生漂移运动，即总电流密度为：移运动，即总电流密度为： J = Jn + Jp = (ne e + pe p ) E 其中其中Jn和和Jp分别为电子和空穴的电流密度；分别为电子和空穴的电流密度；e为电子电荷量；为电子电荷量；E为电场强度。为电场强度。 电导率为电导率为 = ne e + pe p 取决于两个因素：取决于两个因素：载流子浓度和迁移率载流子浓度和迁移率。 在掺杂情况下，如果一种载流子浓度远大于另一种载流子浓度，在掺杂情况下，如果一种载流子浓度远大于另一种载流子浓度，则分别称为多数载流子则分别称为多数载流子(简称简称多子多子)和少数载流子

24、和少数载流子(简称简称少子少子)。主要是多子参与导电，上式可以简化为主要是多子参与导电，上式可以简化为 = ne e 或或 = pe p 。31迁迁 移移 率率迁移率的物理含义：迁移率的物理含义：令在两次碰撞之间电子作自由运动时，电场令在两次碰撞之间电子作自由运动时，电场给电子的冲给电子的冲量等于该期间电子获得的动量，即可得到电子的漂移速量等于该期间电子获得的动量，即可得到电子的漂移速度，所以：度，所以：mvemev即电子的漂移速度与外电场即电子的漂移速度与外电场成正比，比例常数与驰豫成正比，比例常数与驰豫时间及有效质量有关，该比例常数称为电子迁移率时间及有效质量有关，该比例常数称为电子迁移率

25、。men电子迁移率电子迁移率:载流子的迁移率，即单位电场下载流子漂移的速度。载流子的迁移率，即单位电场下载流子漂移的速度。反映外加电场对电子运动的影响程度。反映外加电场对电子运动的影响程度。32迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量，散射越强，载流子平均自由运动时间就越短，迁移率就散射越强，载流子平均自由运动时间就越短，迁移率就越小；相反，迁移率就越大。越小；相反，迁移率就越大。散射机制主要有两种：散射机制主要有两种：1)晶格散射。晶格散射。2/3T2/3T 2)电离杂质散射。电离杂质散射。33当同时有几种散射作用时，总的迁移率与各种迁移率

26、当同时有几种散射作用时，总的迁移率与各种迁移率关系为关系为：1/ = 1/ 1 + 1/ 2 + 1/ 3 + 载流子迁移率受到掺杂浓度影响：载流子迁移率受到掺杂浓度影响：在一定温度下，晶体中杂质较少时，电离杂质散射影在一定温度下，晶体中杂质较少时，电离杂质散射影响小，载流子迁移率数值平稳。响小，载流子迁移率数值平稳。掺杂浓度增加，电离杂质散射作用增强，载流子迁移掺杂浓度增加，电离杂质散射作用增强，载流子迁移率显著下降。率显著下降。掺杂浓度掺杂浓度除了影响载流子浓度，还会影响载流子除了影响载流子浓度，还会影响载流子迁移率迁移率。34非平衡载流子非平衡载流子 处于热平衡状态下的载流子浓度称为平衡

27、载流子浓度。处于热平衡状态下的载流子浓度称为平衡载流子浓度。 在外界作用下，材料中的电子浓度和空穴浓度都是偏离在外界作用下，材料中的电子浓度和空穴浓度都是偏离平衡值的，多出来的这部分载流子叫做非平衡载流子平衡值的，多出来的这部分载流子叫做非平衡载流子(过剩载过剩载流子流子)，通常用光注入或电注入方法产生非平衡载流子。，通常用光注入或电注入方法产生非平衡载流子。 非平衡载流子在半导体中具有非常重要的意义，半导体非平衡载流子在半导体中具有非常重要的意义，半导体中许多物理现象和某些器件原理是与非平衡载流子有关的。中许多物理现象和某些器件原理是与非平衡载流子有关的。 非平衡载流子对于多子和少子的影响是

28、不同的。非平衡载流子对于多子和少子的影响是不同的。非平衡载流子主要影响少子。非平衡载流子主要影响少子。例如，在室温下，例如，在室温下，N型硅，型硅，n0 1015cm-3, p0 105cm-3, 而非平而非平衡载流子的浓度为衡载流子的浓度为 1010cm-3。35非平衡载流子的复合和寿命非平衡载流子的复合和寿命其解为：其解为：同理同理n，p为衰减的时间常数，描述非平衡载流子的寿命。为衰减的时间常数，描述非平衡载流子的寿命。非平衡载流子的重要特点：非平衡载流子的重要特点：因复合而消失因复合而消失。非平衡载流子平均存在时间称为寿命。非平衡载流子平均存在时间称为寿命。 以光注入为例，设一半导体样品

29、受稳定、均匀的光照，非以光注入为例，设一半导体样品受稳定、均匀的光照，非平衡载流子浓度保持恒定值平衡载流子浓度保持恒定值 n，在光照撤去后，在光照撤去后， n将按下将按下述规律衰减述规律衰减:36 寿命是半导体材料最重要的参数之一，反映材料的质量。寿命是半导体材料最重要的参数之一，反映材料的质量。 不同的材料中非平衡载流子寿命不同：不同的材料中非平衡载流子寿命不同： 锗（锗（100-1000 s）、硅（）、硅（50-500 s）、砷化镓（）、砷化镓（10-2-10-3 s） 材料中重金属杂质、晶体缺陷的存在、表面的性质都直接材料中重金属杂质、晶体缺陷的存在、表面的性质都直接影响寿命的长短影响寿

30、命的长短。 寿命影响器件的性能。不同的器件对非平衡载流子寿命值也寿命影响器件的性能。不同的器件对非平衡载流子寿命值也有不同的要求，如对有不同的要求，如对高频器件，要求寿命要小，而对探测器高频器件，要求寿命要小，而对探测器要求寿命要大要求寿命要大。非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命37非平衡载流子的复合机制非平衡载流子的复合机制 A A） 直接复合：直接复合： 导带电子直接跃迁到价带的某一空状导带电子直接跃迁到价带的某一空状态，实现复合，称为直接复合（带间复合）态，实现复合，称为直接复合（带间复合）。如砷化镓、。如砷化镓、锑化铟中主要为直接复合。锑化铟中主要为直接复合。 B B） 间接复合：间

31、接复合：导带电子在跃迁到价带某一空状态之前导带电子在跃迁到价带某一空状态之前还要经历某一还要经历某一( (或某些或某些) )中间状态，称为间接复合。中间状态，称为间接复合。能促使能促使这种间接复合的局域中心称为复合中心，如，杂质和缺陷这种间接复合的局域中心称为复合中心，如，杂质和缺陷等。等。 C C）表面复合：在材料表面常常存在各种复合中心。）表面复合：在材料表面常常存在各种复合中心。表表面复合的本质也是间接复合。面复合的本质也是间接复合。38非平衡载流子的扩散运动非平衡载流子的扩散运动其中其中Dh为空穴扩散系数为空穴扩散系数,p为空穴的寿命。方程的解，即为为空穴的寿命。方程的解，即为非平衡空

32、穴浓度的分布为：非平衡空穴浓度的分布为：其中其中Lh（Dhp)1/2为非平衡空穴扩散长度，标志空穴浓度为非平衡空穴扩散长度，标志空穴浓度降至降至1/e所需的距离。所需的距离。 由于非平衡载流子由外部作用产生，因此，非平衡载流子由于非平衡载流子由外部作用产生，因此，非平衡载流子在材料中的分布是不均匀的。不均匀性导致扩散运动。在材料中的分布是不均匀的。不均匀性导致扩散运动。以光注入为例：以稳定的光均匀照射半导体表面，光只在以光注入为例：以稳定的光均匀照射半导体表面，光只在表面极薄的一层产生非平衡载流子。对于表面极薄的一层产生非平衡载流子。对于P型样品，非平衡型样品，非平衡的空穴将向材料内部扩散，并

33、形成稳定的分布，以下为一的空穴将向材料内部扩散，并形成稳定的分布，以下为一维的连续性方程：维的连续性方程：39p-n 结：半导体器件的核心结：半导体器件的核心在同一块半导体材料中，一边是在同一块半导体材料中，一边是p p型区，另一边是型区，另一边是n n型区，型区，在相互接触的界面附近将形成一个结叫在相互接触的界面附近将形成一个结叫p-n结。结。 p-n结结是许多半导体电子器件的是许多半导体电子器件的基本结构单元基本结构单元。突变结突变结: :突变结结面两边的掺杂浓度是常数，但在界面突变结结面两边的掺杂浓度是常数，但在界面处导电类型发生突变。处导电类型发生突变。（合金结、高表面浓度的浅扩散结）

34、（合金结、高表面浓度的浅扩散结）缓变结缓变结: :缓变结的杂质分布是通过结面缓慢地变化。缓变结的杂质分布是通过结面缓慢地变化。（低表面浓度的深扩散结）（低表面浓度的深扩散结）40平衡平衡 p-n 结势垒结势垒当当p-n结形成时，在交界处引起电荷积累，形成一定的接结形成时，在交界处引起电荷积累，形成一定的接触电势差，此电场叫触电势差，此电场叫自建场自建场。对于电子而言，结区是从。对于电子而言，结区是从n区向区向p区逾越的势垒；对于空穴而言，结区也是从区逾越的势垒；对于空穴而言，结区也是从p区向区向n区逾越的势垒，因此结区也称为区逾越的势垒，因此结区也称为势垒区。势垒区。交界处的结区，由于自由载流

35、子数目很少，所以也常称交界处的结区，由于自由载流子数目很少，所以也常称为为耗尽层耗尽层。41 N型半导体的费米能级在本征费米能级之上，型半导体的费米能级在本征费米能级之上，P型半导体的费型半导体的费米能级在本征费米能级之下。当米能级在本征费米能级之下。当N型和型和P型半导体形成型半导体形成p-n结时，结时，要达到统一的费米能级要达到统一的费米能级EF，即，即p型区能带相对型区能带相对n型区上移，而型区上移，而上移的高度为上移的高度为qVD, 称为平衡称为平衡p-n结的结的势垒高度势垒高度。势垒高度的物理意义即为电子从势垒高度的物理意义即为电子从n区到区到p区区(或空穴从或空穴从p区到区到n区区

36、)必须克服的能量势垒。必须克服的能量势垒。势垒高度与温度、半导体材料种类、势垒高度与温度、半导体材料种类、n区和区和p区净杂质浓度有关。区净杂质浓度有关。42p-n 结的特性结的特性1 1）伏安特性）伏安特性正向偏压下，电流随偏压指正向偏压下，电流随偏压指数上升，最高可达几千安数上升，最高可达几千安厘米厘米2 2。反向偏压下，电流很小，且反向偏压下，电流很小，且很快趋向饱和，即反向饱和很快趋向饱和，即反向饱和电流仅几微安厘米电流仅几微安厘米2 2。当反向偏压升到某电压值时，当反向偏压升到某电压值时，反向电流急剧增大，称为击反向电流急剧增大，称为击穿，其电压为击穿电压。穿，其电压为击穿电压。单向

37、导电、整流性质单向导电、整流性质43 p-n结结单向导电单向导电的原因在于：由于结区中载流子浓度很低，的原因在于：由于结区中载流子浓度很低，是高阻区。如果加上正向偏压是高阻区。如果加上正向偏压V，V使使P区电势升高，则区电势升高，则势垒降低。电子不断从势垒降低。电子不断从n区向区向P区扩散，空穴也不断从区扩散，空穴也不断从p区区向向n区扩散。由于是多子运动，所以随外加电压的增加，区扩散。由于是多子运动，所以随外加电压的增加，扩散电流显著增加。扩散电流显著增加。当施加反向偏压当施加反向偏压-V时，外加电场与自建电场一致，使势时，外加电场与自建电场一致，使势垒升高。由于是少子运动，所以反向电流很小

38、，且不随垒升高。由于是少子运动，所以反向电流很小，且不随反向电场的增大而增加。反向电场的增大而增加。p-n结的反向电流与材料受到的污染、含有缺陷或外界作结的反向电流与材料受到的污染、含有缺陷或外界作用有关，常常导致电流的实际值大于理论值。用有关，常常导致电流的实际值大于理论值。 442）击穿电压击穿电压击穿特性是击穿特性是p-n结的一个重要特性。结的一个重要特性。以击穿电压以击穿电压VB作为检测器件是否合作为检测器件是否合格的重要参数，同时也利用击穿规格的重要参数，同时也利用击穿规律制作稳压二极管、微波振荡二极律制作稳压二极管、微波振荡二极管等。管等。一般有两种击穿一般有两种击穿机理机理: :

39、雪崩雪崩击穿击穿和隧道击穿。和隧道击穿。雪崩击穿雪崩击穿的机理：当的机理：当p-n结反向偏压很大时，势垒区内结反向偏压很大时，势垒区内电场增强，越过势垒区的电子和空穴受到强电场作用，电场增强，越过势垒区的电子和空穴受到强电场作用，动能增大，动能增大，若载流子在势垒区内获得的动能大到足以引若载流子在势垒区内获得的动能大到足以引起碰撞电离的程度起碰撞电离的程度，就可以和原子碰撞，产生新的电子，就可以和原子碰撞，产生新的电子- -空穴对，新空穴对，新的电子的电子-空穴对再从电场中获得动能，进一空穴对再从电场中获得动能，进一步产生电子步产生电子-空穴对，这种连锁过程称为雪崩倍增，能够空穴对，这种连锁过

40、程称为雪崩倍增，能够迅速增大了反向电流，导致雪崩击穿。迅速增大了反向电流，导致雪崩击穿。45u在在p-n结结上外加反向强电场时，价电子能从价带跃迁到导带，上外加反向强电场时，价电子能从价带跃迁到导带，电子这种穿过禁带的过程叫电子这种穿过禁带的过程叫隧道效应。隧道效应。u隧道效应引起的击穿现象称为隧道效应引起的击穿现象称为隧道击穿。隧道击穿。u隧道击穿常隧道击穿常发生在发生在p-np-n结两边的掺杂浓度都很高，材料高度结两边的掺杂浓度都很高，材料高度简并化，而且势垒区非常薄的情况下。简并化，而且势垒区非常薄的情况下。u隧道二极管（隧道二极管（江崎二极管）江崎二极管）伏安特性：反偏压（伏安特性：反

41、偏压（P P型相对于型相对于N N型为负）时，电流的绝对值单调增加。正向偏压时，电流先型为负）时，电流的绝对值单调增加。正向偏压时，电流先增加到极大值然后减少到极小值，随后呈指数增加。增加到极大值然后减少到极小值，随后呈指数增加。EcEv隧道击穿隧道击穿PN46隧道二极管伏安特性图解隧道二极管伏安特性图解（1）加反向偏压）加反向偏压: 在在P型材料处加负电压，由于电子带型材料处加负电压，由于电子带负电，所以电子的能量升高负电，所以电子的能量升高NP注意：重掺杂材料，由于高度简并，费米面已经在注意：重掺杂材料，由于高度简并，费米面已经在价带或导带中价带或导带中47隧道二极管伏安特性图解隧道二极管

42、伏安特性图解（2）加正向偏压）加正向偏压: 在在P型材料处加正电压，由于电子带型材料处加正电压，由于电子带负电，所以电子的能量降低负电，所以电子的能量降低NP热平衡，零偏压热平衡，零偏压NP电流增至极大电流增至极大NPP电流减至极小电流减至极小N只有扩散电流，只有扩散电流，没有隧道电流没有隧道电流483 3）电容效应）电容效应在正向偏压下，随着外加电压的增加，势垒区的电场在正向偏压下，随着外加电压的增加，势垒区的电场减弱，宽度变窄，空间电荷数量减少。在反向偏压下，减弱，宽度变窄，空间电荷数量减少。在反向偏压下，随着外加电压的增加，势垒区的电场加强，宽度变厚，随着外加电压的增加，势垒区的电场加强

43、，宽度变厚，空间电荷数量增加。空间电荷数量增加。类似于边界在充、放电。类似于边界在充、放电。这种由于势垒区的空间电荷数量随外加电压的变化，这种由于势垒区的空间电荷数量随外加电压的变化，所产生的电容效应，称为所产生的电容效应，称为p-n结的势垒电容。结的势垒电容。 通过减小结面积、减小高阻区的杂质浓度、加大反向通过减小结面积、减小高阻区的杂质浓度、加大反向电压的方法能够减小突变结势垒电容。电压的方法能够减小突变结势垒电容。49异质结和超晶格异质结和超晶格 在过去的二十几年中，借助于分子束外延在过去的二十几年中，借助于分子束外延(MBE)，金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积(MOCVD)及其

44、他工艺，在及其他工艺，在GaAS，InP及及Si衬底上制备出天然晶体中所不存在的半导体微结衬底上制备出天然晶体中所不存在的半导体微结构材料：超晶格。构材料：超晶格。 从此，从此，半导体器件设计由半导体器件设计由“掺杂工程掺杂工程”走向走向“能带能带工程工程”，将微电子和光电子领域推向一个引人人胜的境，将微电子和光电子领域推向一个引人人胜的境界。界。 50异质结异质结：异质结：两种晶格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同两种晶格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料长在一起形成结则称为异质结。的半导体材料长在一起形成结则称为异质结。 构成异质结的两种材料一般应选择：构成异质结的两种

45、材料一般应选择：(1)(1)具有相同的晶格结构，晶格常数尽可能相近具有相同的晶格结构，晶格常数尽可能相近，以便获得无，以便获得无缺陷、无应变的界面，改善结的性能。但是近年来随着超薄缺陷、无应变的界面，改善结的性能。但是近年来随着超薄层生长技术的发展，成功地生长出原子级厚度的外延层，即层生长技术的发展，成功地生长出原子级厚度的外延层，即使材料本身的失配度很大，也可以被薄层材料的均匀弹性形使材料本身的失配度很大，也可以被薄层材料的均匀弹性形变所调制，大大改善异质结材料的质量，而且形变应力引起变所调制，大大改善异质结材料的质量，而且形变应力引起的材料能带结构的变化，导致它具有新的物理特性，发展了的材

46、料能带结构的变化，导致它具有新的物理特性，发展了新型改性人工材料；新型改性人工材料；(2)(2)具有相近的热膨胀系数具有相近的热膨胀系数；(3)(3)满足一定要求的能隙宽度和电子亲和能满足一定要求的能隙宽度和电子亲和能。51小资料：第一个异质结激光器小资料：第一个异质结激光器 最初，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，最初，由于组成异质结的两种材料晶格常数不同，界面附近的晶格畸变形成大量位错和缺陷，因而不能界面附近的晶格畸变形成大量位错和缺陷，因而不能做成性能比较好的异质结。直到做成性能比较好的异质结。直到1968年，美国的贝尔年，美国的贝尔实验室实验室RCA公司和前苏联的约飞研究所同时宣布

47、作成公司和前苏联的约飞研究所同时宣布作成了了GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。他们之所以取得双异质结激光器。他们之所以取得成功的主要原因是选择了较好的晶格匹配的一对材料：成功的主要原因是选择了较好的晶格匹配的一对材料：GaAs的晶格常数是的晶格常数是5.6531，AlAs的晶格常数是的晶格常数是5.6622。52 直条影区指具有直条影区指具有相近晶格常数但相近晶格常数但不同能隙宽度的不同能隙宽度的材料。材料。 在区内材料原则在区内材料原则上都可组成异质上都可组成异质结超晶格结超晶格。 图图1 1中的连线是中的连线是指这些材料都可指这些材料都可形成特定的合金形成特定的合金( (IuG

48、aAs, GaAlAs及及InGaP)。图图1.低温下具有金刚石、闪锌矿结构低温下具有金刚石、闪锌矿结构半导体与晶格常数的关系半导体与晶格常数的关系(4.2K)53试想：将多个异质结沿某方向周期性地排列，试想：将多个异质结沿某方向周期性地排列，将会出现什么情况呢？将会出现什么情况呢？54超晶格超晶格超晶格超晶格: Esaki和和Tsu（江崎和朱兆祥）在（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶年提出了超晶格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形

49、成附加的晶格周期性。晶格周期性。 当取垂直衬底表面方向当取垂直衬底表面方向( (垂直方向垂直方向) )为为Z Z轴，超晶格中的电子轴，超晶格中的电子沿沿z z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为: :E = E (kz) + 2 (kx2+ky2) /2m在在xy平面内电子的动能是连续平面内电子的动能是连续的，的，z z方向附加周期势场使电子方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。的能量分裂为一系列子能带。不连续点的不连续点的k kz

50、z值满足值满足: :K Kz z = =n n /D/D，D D为超晶格周期。为超晶格周期。55超晶格的种类超晶格的种类1）组分调制超晶格）组分调制超晶格 在超晶格结构中，如果在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。度，在异质界面处将发生能带的不连续。56*组分调制超晶格组分调制超晶格按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，异质结分为按异质结

51、中两种材料导带和价带的对准情况，异质结分为:* 型异质结型异质结: 窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，Ec和和Ev的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒。即电子和空穴被约束在同一是势阱，宽带材料都是势垒。即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。GaAlAs/GaAs和和InGaAsP/InP都属于这一种。都属于这一种。57型异质结（型异质结（Ec和和Ev的符号相同）的符号相同） 分两种：分两种：*A类超晶格类超晶格，材料

52、，材料1的导带和价带都比材料的导带和价带都比材料2的低，的低，禁带是错开的。材料禁带是错开的。材料1是电子的势阱，材料是电子的势阱，材料2是空穴的是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙间接带隙的特点，跃迁几率小，如的特点，跃迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格超晶格58*B类超晶格类超晶格 当禁带错开更大时，当禁带错开更大时，窄带材料的导带窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，底和价带顶都位于宽带材料的价带中，有金属化现象。有金属化现象。如如InAs/GaAs 超晶格。超晶格。59 2掺杂超晶格掺杂超晶格在同一种半

53、导体中，在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料人造周期性半导体结构的材料。优点优点:(1) 任何一种半导体材料只要很好控任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格。制掺杂类型都可以做成超晶格。(2) 多层结构的完整性非常好多层结构的完整性非常好，由于，由于掺杂量一般较小，所以杂质引起的掺杂量一般较小，所以杂质引起的晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面。异质界面。(3) 掺杂超晶格的掺杂超晶格的有效能隙可以具有有效能

54、隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值间的任何值，取决于对各分层厚度，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。和掺杂浓度的选择。60 锗和硅是两种重要的半导体，在最初固态器件时代，第锗和硅是两种重要的半导体，在最初固态器件时代，第一个晶体管是由锗制造的。但是锗在工艺和器件性能上有一个晶体管是由锗制造的。但是锗在工艺和器件性能上有问题。它的问题。它的937摄氏度熔点限制了高温工艺，更重要的是，摄氏度熔点限制了高温工艺，更重要的是，它表面它表面缺少自然发生的氧化物缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电。，从而容易漏电。 硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路漏电

55、问硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路漏电问题，使得电路表面轮廓更平坦。硅的题，使得电路表面轮廓更平坦。硅的1415摄氏度的熔点允摄氏度的熔点允许更高温的工艺。因此，世界上超过了许更高温的工艺。因此，世界上超过了90%的生产用晶圆的生产用晶圆的材料都是硅。的材料都是硅。典型半导体材料及其应用典型半导体材料及其应用61典型半导体材料及其应用典型半导体材料及其应用 硅硅u常温下，化学性质稳定，升温时，易同氧、氯等发生反应，常温下，化学性质稳定，升温时，易同氧、氯等发生反应，高温下极活泼高温下极活泼u不溶于盐酸，硫酸，硝酸及王水；溶于不溶于盐酸，硫酸，硝酸及王水；溶于HF-HNO3混合液混合液（

56、硅的酸性腐蚀液）；与碱反应（硅的碱性腐蚀液，可形成（硅的酸性腐蚀液）；与碱反应（硅的碱性腐蚀液，可形成金字塔结构金字塔结构)u与金属能生成多种硅化物，可用来制作大规模和超大规模与金属能生成多种硅化物，可用来制作大规模和超大规模集成电路内部引线、电阻等集成电路内部引线、电阻等u能带结构是典型的多能谷结构能带结构是典型的多能谷结构, 电子横向有效质量电子横向有效质量mt0.2m0, 纵向有效质量纵向有效质量mlm0, 等效能谷间具有电子转移效应等效能谷间具有电子转移效应u间接跃迁型半导体材料，很少用作发光器件和激光器间接跃迁型半导体材料，很少用作发光器件和激光器件但可用来制作件但可用来制作压阻元件

57、和磁阻元件压阻元件和磁阻元件62具有灰色金属光泽，硬而脆，熔点具有灰色金属光泽，硬而脆，熔点1420度度室温下本征电阻率：室温下本征电阻率：2.3l05 cm硅的室温禁带宽度为：硅的室温禁带宽度为：1.12 eV电子迁移率为：电子迁移率为：1800cm2Vs本征载流子浓度为本征载流子浓度为1.51010cm-3制作半导体器件时需要掺杂制作半导体器件时需要掺杂,可分为三档：可分为三档：轻掺杂：适用于大功率整流级单晶；轻掺杂：适用于大功率整流级单晶；中掺杂：适用于晶体管级单晶；中掺杂：适用于晶体管级单晶；重掺杂：适用于外延衬底级单晶。重掺杂：适用于外延衬底级单晶。本征载流子浓度随温度上升而增加，在

58、本征载流子浓度随温度上升而增加，在250 C时达到时达到1014cm-3数量级，接近杂质浓度，器件性能开始变坏，所以器件工作数量级，接近杂质浓度，器件性能开始变坏，所以器件工作温度上限为温度上限为250 C左右。左右。硅单晶硅单晶硅，是世界上提得硅，是世界上提得最纯的物质，能够最纯的物质，能够得到的最纯的硅的得到的最纯的硅的纯度是纯度是99.99999999999999% 63小资料：器件工作温度小资料：器件工作温度半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度，这个半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度，这个工作温度受本征激发温度所制约。工作温度受本征激发温度所制约。在本征载流子浓度没有超过

59、杂质电离所提供的载流子浓在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围，如果杂质全部电离，载流子浓度是一定度的温度范围，如果杂质全部电离，载流子浓度是一定的，器件就能稳定工作。的，器件就能稳定工作。但是随着温度的升高，本征载流子浓度迅速地增加。当但是随着温度的升高，本征载流子浓度迅速地增加。当温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常工作。因此，每一种半导体材料制成的器件都有一定的工作。因此，每一种半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度，超过这一温度后，器件就失效了。极限工作温度，超过这一温度后，器件就失效了。 64小资料

60、：器件工作温度小资料：器件工作温度65硅材料的主要应用硅材料的主要应用u晶体二极管、三极管、变容二极管晶体二极管、三极管、变容二极管(利用利用p-n结电容效应结电容效应)、混、混频二极管频二极管(利用肖特基势垒效应利用肖特基势垒效应)、光电二极管、光电二极管(利用光电导和光利用光电导和光伏效应伏效应)、雪崩光电二极管、雪崩渡越二极管、雪崩光电二极管、雪崩渡越二极管(利用利用p-n结雪崩倍结雪崩倍增效应增效应)u核辐射探测器核辐射探测器(利用本征激发或杂质电离利用本征激发或杂质电离)、半导体探测器、半导体探测器(利利用光电效应用光电效应) u集成电路集成电路(利用整流效应、少子注入利用整流效应、