半导体中的贵族

半导体中的“贵族”绝缘体:电导率很低，约介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；导体：电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属；半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。半导体材料化合物半导体材料Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体半导体的分类1.硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体——第一代半导体；2.砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）、氮化铝（AlN）及其合金——第二代半导体；3.将宽禁带（Eg＞2.3ev）的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化锌（ZnSe）、氧化锌（ZnO）甚至金刚石等——第三代半导体。砷化镓（GaAs）砷化镓的应用领域1.光伏太阳能产业2.军事电子产业3.微电子领域4.光电子领域1.光伏太阳能产业GaAs太阳能电池矩阵2.军事电子产业3.微电子领域手机的网络制式3GGSM（GlobalSystemofMobilecommunication）WCDMA—Wideband

CodeDivisionMultiple

Access

CDMA2000—Code

DivisionMultipleAccess

TD-SCDMA—Time

Division-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess

third-generationmobilesystem384Kbps2G2.4Kbps1G2Mbps3G10-100Mbps4G手机的网络制式中国移动：2G——GSM3G——TD-SCDMA（T网）中国联通：2G——GSM3G——WCDMA（W网）中国电信：2G——CDMA3G——CDMA2000（C网）2G——GSM850/900/1800/1900MHz3G——WCDMA850/900/2100MHz3G——TD-SCDMA2010-2025MHz3G——CDMA20002110-2125MHz发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。4.光电子领域砷化镓是红、橙、黄光发光二极管（LED）的唯一衬底材料。LED照明被称为是人类照明史的第四次革命。以红（RED）、绿（GREEN）、蓝（BLUE）三原色共同交集成像的RGB技术，其中红光全部采用砷化镓作为衬底材料。用其制作的半导体激光二极管（LD）、发光二极管（LED）、光探测器、半导体激光器，广泛应用于半导体照明、家用电器、工业仪表、大屏幕显示、交通指示、军用夜视仪等领域。半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一地区＼条件·效益

条件

能源节约

降低二氧化碳排放

美国

5％白炽灯及55％日光灯被白光LED取代

每年节省350亿美元电费每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量日本

100％白炽灯被白光LED取代

可少建1-2座核电厂每年节省10亿公升以上的原油消耗台湾

25％白炽灯及100％日光灯被白光LED取代

节省110亿度电，约合1座核电厂发电量光纤通讯光纤通讯中的发射器GaAs——810-870nm，GaAsP——1300nm砷化镓与硅的比较硅砷化镓砷化镓材料与Si材料的特性比较指标GaAsSi密度5.32g/cm32.34g/cm3禁带宽度1.47ev1.12ev电子有效质量m0/15m0/5电子迁移率8500cm2/V.S1350cm2/V.S热导0.46w/cm.K1.47w/cm.K禁带宽度Eg1.对于太阳能电池，理论分析表明，制造光伏电池的最佳材料是禁带宽度为1.5ev的半导体，而禁带宽度在1.1-2.0ev范围内的材料均可制出效率较高的光伏电池；2.砷化镓与硅半导体的能带结构不同。α

=5.405×10-4ev/KΒ

=204;Eg(0)=1.52ev其中p为动量，m0为自由电子质量。自由电子的动能可表示为：画出E相对p的图，将得到如图所示的抛物线图。

有效质量电子有效质量视半导体的特性而定。其大小同样可通过该材料的能量-动量曲线所表征的能量与动量关系式，由E与对p的二次微分可以得到：在半导体晶体中，导带中的电子类似自由电子，可在晶体中自由移动。但因为原子核的周期性电势，前式不再适合。但可将自由电子质量换成有效质量mn(下标符号n表示电子)，仍可得到相同形式的关系，即Eg

空穴能量

电子能量

导带（mn

＝0.25m0）

价带（mp=m0

）

右图为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。直接带隙半导体：能量/eV砷化镓有一非常窄的导带抛物线，其电子的有效质量仅为0.063m0。直接带隙和间接带隙半导体对硅而言，其动量-能量曲线中价带顶部发生在p＝0时，但导带的最低处则发生在沿[100]方向的p＝pC。因此，当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换(≥Eg),也需要动量转换(≥pC)。这类半导体称为间接带隙半导体。硅有一较宽的导带抛物线，其电子的有效质量为0.19m0。间接带隙半导体：能量/eV直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用中相当重要。这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子。GaP、GaAs、GaNGaAs与Si的晶体结构闪锌矿结构金刚石结构GaAs电学性质电子的速度有效质量越低，电子速度越快；GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3；用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍；高频器件，军事上应用。电子迁移速率砷化镓和硅的电子迁移率与电场强度的关系1.与载流子浓度一起决定半导体材料的电导率的大小。迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力越大。2.二是影响器件的工作频率。迁移率越大，需要的渡越基区的时间越短，晶体管的截止频率与基区材料的载流子迁移率成正比，因此提高载流子迁移率，可以降低功耗，提高器件的电流承载能力，同时，提高晶体管的开关响应速度。双极性晶体管NPN型双极性晶体管的典型状态：

在发射结上具有正向偏置，而集集电结具有反向偏置。E——发射极B——基极C——集电极砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2～300GHz<1GHz最大操作温度200oC120oC电子迁移速率高低抗辐射性高低具光能是否高频下使用杂讯少杂讯多，不易克服功率耗损小高元件大小小大材料成本高低产品良率低高应用领域频率范围个人通讯服务900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有线电视50～1000MHzGPS1.6GHz卫星电视11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型卫星地面站）6、14、28GHz卫星移动电话1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）宽频卫星服务28GHz汽车雷达控制系统76～77GHz电子收费系统5.8GHzGaAs非常适合高频无线通讯砷化镓相对于硅的优越性1.工作频率高，Si器件最高工作频率约为4GHz，而GaAs器件可以工作至100GHz；2.工作速度快，GaAs器件比Si器件工作速度一般高10倍以上，整机系统可以快100倍以上；3.GaAs器件比Si器件具有更宽的温度特性；4.GaAs器件比Si器件具有更好的抗辐照特性；5.GaAs可以制作发光器件，易于实现微电子和光电子的结合，适合制作光电集成电路。GaAs相对于Si的不足之处1.Si可以把自己的氧化物形式用作绝缘体，这种绝缘体起着掩膜的作用，对Si提供保护，而砷化镓却无此能力，因而砷化镓器件较难制造，且造价较高；2.Si的导热能力是砷化镓的2.75倍，因此，用Si电路可实现的封装密度要高于砷化镓电路；另外，砷化物是剧毒物质，即使用量极少，也会在处置和清楚GaAs产品方面产生各种问题；3.Si是地球上最丰富的元素（仅次于氧），而砷化镓却极其稀少，获取要困难的多。砷化镓应用领域太空高效太阳电池原来人造天体上所用的都是硅的太阳能电池。由于砷化镓太阳能电池的工艺获得突破，现已证明，在太空中使用砷化镓太阳能电池更为合理。最近发射和计划发射的人造天体多使用砷化镓太阳能电池作能源。最引人注目的是美国发射的火星探路者，它使用了砷化镓太阳能电池来驱动自动小车在火星上工作了30天。军事应用在海湾战争和科索沃战争中，电子信息技术显示出巨大的威力，其中砷化镓起了不可磨灭的作用。在相控阵雷达、电子对抗、激光描准、夜视、通信等方面，砷化镓器件都起了关键的作用。现在各发达国家都在研究供军事用的砷化镓材料与器件。移动电话

近些年来移动电话飞速发展，年增长率达两三倍。由于用户的增加和功能的扩大，就必须提高其使用的频率。在较高的频率下，砷化镓器件与硅器件相比.具有使用的电压低、功率效率高、噪声低等优点，而且频率愈高，两种器件在上述性能方面的差距愈大。所以现在移动通信成了砷化镓微波电路的最大用户。光纤通信在此种通信中光的发射是要用砷化镓或砷化镓基的激光二极管或发光二极管，由于移动通信和因特网的发展扩大了对光纤通信的需求。汽车自动化首先获得应用的是全球定位系统，可以指示给驾驶员关于汽车的方位、合理的行车路线等信息，这也为汽车的无人驾驶提供了前提条件，这套系统主要靠砷化镓的微波器件所支持的。另外已接近商品化的汽车防碰撞装置是以砷化镓微波器件所构成的雷达为核心的。

国内外现状对比目前我国在研制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段。手机用砷化镓电路基本靠进口。随着我国通信产业迅速发展，对砷化镓器件需求越来越大。砷化镓电路用于手机的功放和开关部分，还可用于移动通信基站、光通信、卫星通信、CATV、军事通信等重要用途，应用领域非常广泛。砷化镓的分类1.半绝缘砷化镓材料（Si-GaAs）——40%

应用领域：微波场效应器件、集成电路（模拟、数字、光电子）。2.低阻砷化镓材料——60%

应用领域：LED、激光器、太阳能电池、微波二极管等器件。砷化镓单晶的制备方法1.液封直拉法（LiquidEncapsulatedCzochralski，LEC法）2.水平布里奇曼法（HorizontalBridgman，HB法）3.垂直布里奇曼法（VerticalBridgeman，VB法）4.垂直梯度凝固法（VerticalGradientFreeze，VGF法）1.液封直拉法LEC法是生长半绝缘砷化镓单晶的主要工艺；采用石墨加热器和PBN坩埚，B2O3作为液封剂，在2MPa的Ar气环境下生长；优点：可靠性高，容易生长较大直径的单晶，碳含量可控，半绝缘性能好；缺点：化学剂量比较难控制，晶体的位错密度大且分布不均匀。目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶大是采用