半导体材料绪论1

1、Semiconductor Materials 联系方式 TELQQ:1901948587未必是良师未必是良师,但愿成益友但愿成益友! 什么是半导体什么是半导体(Semiconductor)按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体10121022 .cm10-61012 .cm10-6.cm电学性质电学性质 电阻率电阻率:电阻率可在很大范围内变化电阻率可在很大范围内变化 一、半导体的主要特征一、半导体的主要特征2.2.负电阻温度系数负电阻温度系数SiSi：T=300K T=300K =2=2

2、 x 10 x 105 5 cmcm T=320K T=320K =2 =2 x 10 x 104 4cmcme x p ()aBEKT3.光电导效应光电导效应 在光线作用下，对于半导体在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，材料吸收了入射光子能量， 若光若光子能量大于或等于半导体材料的子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，禁带宽度， 就激发出电子就激发出电子-空穴对，空穴对，使载流子浓度增加，半导体的使载流子浓度增加，半导体的导导电性增加，阻值减低，电性增加，阻值减低，这种现象这种现象称为称为光电导效应光电导效应。光敏电阻光敏电阻就是就是基于这种效应的光电器件。基于这种效应的光电器件

3、。 比如：硫化镉(CdS)半导体薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，光照时阻值下降为几十K 1839年，法国科学家贝克雷尔年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为被称为“光生伏打效应光生伏打效应”，简称，简称“光伏效应光伏效应”。 4.具有光生伏特效应具有光生伏特效应气体、压力、磁场等对半导体电阻气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影响率都产生较大的影响气敏传感器气敏传感器压力传感器压力传感器霍尔传感器霍尔传感器5.其它特性其它特性二、半导体材料的分类二、

4、半导体材料的分类 从功能用途分从功能用途分 光电材料光电材料,热电材料热电材料,微波材料微波材料,敏感材料等敏感材料等 从组成和状态分从组成和状态分 无机半导体无机半导体,有机半导体有机半导体,元素半导体元素半导体,化合物半导体化合物半导体 l 无机物无机物 元素半导体：元素半导体：化学元素周期表化学元素周期表(Si,Ge)(Si,Ge) 化合物半导体化合物半导体 -族族，GaN/GaN/GaAs/GaP/InPGaAs/GaP/InP微波微波、光电器件的主要、光电器件的主要材料，材料，InSb/InAsInSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件

5、和霍耳器件。制作红外器件和霍耳器件。 -族，族，Zn0Zn0，主要用于光电器件，场致发光，主要用于光电器件，场致发光 -族族，PbS/PbTe,PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件窄禁带，光敏器件 氧化物半导体氧化物半导体，SnO2SnO2 硫化物半导体硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te) 稀土化合物半导体稀土化合物半导体,EuO,TmS,EuO,TmSl有机物半导体：酞菁类、多环、稠环化合物有机物半导体：酞菁类、多环、稠环化合物 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0KT=0K

6、时，时，所有的价电子都紧紧束缚所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为在共价键中，不会成为自自由电子，由电子，因此本征半导体因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝的导电能力很弱，接近绝缘体。缘体。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”9”。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到光的当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增照射时，束

7、缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，子核的束缚，而参与导电，成为成为自由电子自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时，在自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现其原来的共价键中就出现了一个空位，称为了一个空位，称为空穴空穴。自由电子自由电子空穴空穴杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1)(1) N型半导体型半导体 在本征半导体在本征半导体Si中掺入五价杂质元素，例中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N

8、型半导体型半导体。 N N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中在本征半导体中Si掺入三价杂质元素，如硼、镓等。掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对(2)(2) P型半导体型半导体三、半导体发展历史和现状 伏特 A. V

9、olta (17451827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor”（半导体）一词。负电阻温度系数 法拉第 M. Faraday (17911867)，英国英国物理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。 电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电磁感应

10、定律是他的一项最伟大的贡献 。 1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料，发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升高，电阻值下将。 负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一光电导效应 1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照在硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。 所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。 光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。 光电导效应是半导体材料的特有性质之二照片整流效应 布劳恩 K.F. Braun (18501918)，德国物理学家。 布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理学奖。 1

11、874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。 整流效应是半导体材料的特有性质之三照片霍尔效应 1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五照片光生伏特效应光生伏特效应 1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体

12、硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏打效应。 光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。 1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%。 光生伏特效应是半导体材料的特有性质之四照片第二阶段：理论指导第二阶段：理论指导 能带论、导电机理模型和扩散能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型。的半导体理论模型。 晶体管的发明背景 理论背景： 能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。 材料

13、背景： 半导体材料工艺的进一步完善，制备出了高纯度的半导体材料，为晶体管提高了高纯的半导体材料真空管 “真空管” 代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。 真空管拥有三个最基本的极，第一是“阴极” ，它是释放出电子流的地方，当灯丝加热时，电子就会游离而出，散布在真空玻璃瓶里。 第二个极是“屏极” ，基本是真空管最外围的金属板，屏极连接正电压，负责吸引从阴极散发出来的电子，作为电子游离旅行的终点。 第三个极为“栅极”，电子流必须通过栅极而到屏极，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，具有流通与阻挡的功能。真空管的缺点 脆 易碎 体积庞大 不可靠 耗电量大 效率低

14、运作时释出大量热能 。第一个晶体管 1947年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。 在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。 因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一“点”接触，故称之为“点接触晶体管”。 这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作困难等缺点。世界上第一个晶体管第一个结型晶体管 肖克利提出另一个新设想：在半导体的两个P区中间夹一个N区的结构就可以实现晶体管放大作用。 1950年，第一个“结型晶体管”试制成功。 这种晶体管是利用电

15、子和空穴的作用原理制成，它是现代晶体管的雏型。 它克服了“点接触晶体管”的不稳定性，而且噪声低、功率大。 1956年，肖克利和巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理奖。 第四阶段：集成电路的出现第四阶段：集成电路的出现 1950年，R. Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺； 1956年，S. Fuller发明了扩散工艺； 1960年，H. Loor和E. Castellani发明了光刻工艺； 1958年，德州仪器的基尔比发明了第一块用Ge材料制成的集成电路 1958年，仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材料制成的集成电路 集成电路的意义 60年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展

16、中的一次飞跃。 它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。 所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。第一块集成电路1958年，第一块集成电路：12个器件，Ge晶片TI公司Kilby ，2000年获Nobel奖 能带工程能带工程energy band engineering 创造人工改性半导体材料的工程。由江崎和朱兆祥提出。创造人工改性半导体材料的工程。由江崎和朱兆祥提出。(对材料的对材料的物理参数和几何参数的设计和生长，改变能带结构和带隙图形，以优物理参数和几何参数的设计和

17、生长，改变能带结构和带隙图形，以优化其电学性质和光学性质从而获得性能优越的新器件化其电学性质和光学性质从而获得性能优越的新器件 .)1970年美国年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格超晶格的概念他们设的概念他们设想如果用两种晶格匹配很好的想如果用两种晶格匹配很好的半导体材料半导体材料交替地生长周期性结构，每交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在层材料的厚度在100nm以下，如图所示，则电子沿生长方向的运动将以下，如图所示，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件他们的这个设想两年以后在会产生振荡，可用于制造微波器件他们的这个设想两年以后在分子分子

18、束外延束外延设备上实现设备上实现超晶格材料超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。料。 第五阶段：能带工程第五阶段：能带工程四、常见的半导体材料四、常见的半导体材料 半导体元素半导体元素l 硅材料硅材料l GaAsGaAs和和InPInP单晶材料单晶材料l 半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料 V V族超晶格、量子阱材料族超晶格、量子阱材料 硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料l 一维量

19、子线、零维量子点半导体微结构材料一维量子线、零维量子点半导体微结构材料l 宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料l 光子晶体光子晶体(1) 硅硅(Si) 硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃算机的出现和整个计算机产业的飞跃. 半导体中的大部分器件都是以硅为基础的半导体中的大部分器件都是以硅为基础的 增大直拉硅（增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是今后）单晶的直径仍是今后CZ-Si发展发展的总趋势。的总趋势。(2)(2) -族化合物族化合物 GaAs GaAs 电子迁移率是电子迁移率是SiSi的的6 6倍（高速），禁

20、带宽（高温）广泛用于高速倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。 GaAsGaAs用于集成电路其处理容量大用于集成电路其处理容量大100100倍，能力强倍，能力强1010倍，抗辐射能力强倍，抗辐射能力强2 2个量级，是携带电话的主要材料。个量级，是携带电话的主要材料。InP InP 的性能比的性能比 GaAs GaAs 性能更优越，用于性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。光纤通讯、微波、毫米波器件。 世界世界GaAsGaAs单晶的总年产量已超过单晶的总年产量已超过200200吨（日本吨（日本19991

21、999年的年的GaAsGaAs单晶的生产单晶的生产量为量为9494吨，吨，InPInP为为2727吨），其中以低位错密度生长的吨），其中以低位错密度生长的2 23 3英寸的导电英寸的导电GaAsGaAs衬衬底材料为主。底材料为主。 InP InP具有比具有比GaAs GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快；但不幸的是，更优越的高频性能，发展的速度更快；但不幸的是，研制直径研制直径3 3英寸以上大直径的英寸以上大直径的InPInP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。下。（3 3）以氮化镓材料以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点型掺杂的突破为起点,以高效

22、以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的半导体材料。的研制成功为标志的半导体材料。它将在光显示、光存储、光照明等领域有它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应用前景。广阔的应用前景。在未来在未来10年里年里,氮化镓材料将成为市场增幅氮化镓材料将成为市场增幅最快的半导体材料。最快的半导体材料。（4 4）半导体超晶格、量子阱材料）半导体超晶格、量子阱材料III-VIII-V族超晶格、量子阱材料族超晶格、量子阱材料 GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAsGaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAsAlGa

23、InP/GaAs； GaInAs/InPGaInAs/InP，AlInAs/InPAlInAs/InP， InGaAsP/InPInGaAsP/InP等等GaAsGaAs、InPInP基晶基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料 GeSi/SiGeSi/Si应变层超晶格材料应变层超晶格材料, , 因其在新一代移动通信上的重因其在新一代移动通信上的重要应用前景，要应用前景， 而成为目前硅基材料研究的

24、主流。而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi Si/GeSi MOSFET MOSFET 的最高截止频率已达的最高截止频率已达200GHz200GHz，噪音在，噪音在10GHz10GHz下为下为0.9dB0.9dB，其性能可与，其性能可与GaAsGaAs器件相媲美。器件相媲美。（5 5）一维量子线、零维量子点）一维量子线、零维量子点 基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应以及非线性光学效应基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料

25、，是新一代量子器件的基础。料，是新一代量子器件的基础。（6 6）宽带隙半导体材料）宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、IIIIII族氮化物、碳化硅、立方族氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及氮化硼以及II-VIII-VI族硫、锡碲化物、氧化物（族硫、锡碲化物、氧化物（ZnOZnO等）及固溶体等，特别是等）及固溶体等，特别是SiCSiC、GaN GaN 和金刚石薄膜等材料和金刚石薄膜等材料, , 因具有因具有高热导率高热导率、高电子饱和漂移速度高电子饱和漂移速度和和大临界击穿电压大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体等特点，成为

26、研制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。及国防等方面有着广泛的应用前景。（7 7）下一代半导体材料的探索）下一代半导体材料的探索 光集成光集成 原子操纵原子操纵五、纳米科技和纳米材料五、纳米科技和纳米材料 纳米科技纳米科技是上世纪九十年代以来发展起来的一门综合现代科是上世纪九十年代以来发展起来的一门综合现代科学（介观物理、量子化学等）和先进工程技术（计算机、微学（介观物理、量子化学等）和先进工程技术（计算机、微电子和扫瞄隧道显微镜等技术）的

27、前沿交叉学科。电子和扫瞄隧道显微镜等技术）的前沿交叉学科。 纳米结构纳米结构是指以纳米尺度物质单元为基础，按一定规律构筑是指以纳米尺度物质单元为基础，按一定规律构筑或者营造的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。这些或者营造的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。这些物质单元主要包括纳米微粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒物质单元主要包括纳米微粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。 各种各种ZnO纳米结构纳米结构 ZnOZnO的应用的应用光电方面的应用光电方面的应用压电方面的应用压电方面的应用气敏方面的应用气敏方面的应用压敏方面的应用压敏方面的应用The morphology of TiO2TiO2 Spheres 二氧化钛的应用二氧化钛的应用涂料化妆品等方面的应用涂料化妆品等方面的应用陶瓷方面的应用陶瓷方面的应用异色效应颜料方面的应用异色效应颜料方面的应用超亲水效应方面的应用超亲水效应方面的应用纳米纳米Ti02在环境方面的应用在环境方面的应用在太阳能利用方面的应用在太阳能利用方面的应用在传感