第6章电子与微电子材料63半导体材料

6.3.1半导体资料概述6.3.2半导体的分类及特点6.3.3PN结6.3.4单质硅半导体资料第八章半导体资料的开展展望第七章半导体资料的运用6.3.5重要的化合物半导体6.3.6半导体的运用6.3半导体资料1什么是半导体？从导电性〔电阻〕：固体资料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体。电阻率ρ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：ρ＜10-4Ωcm如：ρCu=10-6Ωcm半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm如：ρGe=0.2Ωcm

绝缘体：ρ＞108Ωcm6.3.1半导体资料概述TR半导体金属绝缘体负的温度系数电阻温度系数图2定义半导体资料〔semiconductormaterial〕是一类具有半导体性能〔导电才干介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内〕、可用来制造半导体器件和集成电路的电子资料。3凡具有上述两种特征的资料都可归入半导体资料的范围。反映半导体内在根本性质的却是各种外界要素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和景象，这些可统称为半导体资料的半导体性质。构成固态电子器件的基体资料绝大多数是半导体，正是这些半导体资料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的根本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。42.负电阻温度系数Si：T=300Kρ=2x105ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效应绝缘体半导体导体1012—1022Ω10-6—1012Ω≤10-6Ω电学性质⒈电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化半导体的主要特征5按功能和运用分：微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体∶∶按组成分：无机半导体：元素、化合物有机半导体按构造分：晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形6.3.2半导体分类及特点6一、无机半导体晶体资料(组分)无机半导体晶体资料包含元素、化合物及固溶体半导体。1.元素半导体晶体GeSeSiCBTePSbAs元素半导体SISn熔点太高、不易制成单晶不稳定,易挥发低温某种固相稀少78本征半导体的共价键构造束缚电子在绝对温度T=0K时，一切的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自在电子，因此本征半导体的导电才干很弱，接近绝缘体。〔1〕本征半导体——化学成分纯真的半导体晶体。制造半导体器件的半导体资料的纯度要到达99.9999999%，常称为“九个9〞。9这一景象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或遭到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自在电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。自在电子空穴10完全纯真、具有一定晶体构造的半导体本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。++SiGe11提纯的硅资料可构成单晶——单晶硅相邻原子由外层电子构成共价键共价键12硅原子价电子遭到激发，构成自在电子并留下空穴。半导体中的自在电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。载流子的产生与复合：共价键价电子自在电子和空穴同时产生13本征半导体中的自在电子和空穴总是成对出现，同时又不断进展复合。在一定温度下，载流子的产生与复合会到达动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能影响很大。半导体中的价电子还会遭到光照而激发构成自在电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多，产生的载流子亦愈多，半导体导电才干加强。故半导体器件对光照很敏感。杂质原子对导电性能的影响将在下面引见。14〔2〕杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1)N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电才干相当低。假设在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电才干将大大提高。由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类——N型半导体和P型半导体。15N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子—自在电子少数载流子—空穴++++++++++++N型半导体施主离子自在电子电子空穴对16掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自在电子的数目大量添加。自在电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将添加几十万倍。17在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自在电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2)P型半导体18掺硼半导体中，空穴的数目远大于自在电子的数目。空穴为多数载流子，自在电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。普通情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可到达少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数目将添加几十万倍。不论是N型半导体还是P型半导体，都只需一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。19(1)本征半导体中参与五价杂质元素，便构成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参与导电的正离子。(2)本征半导体中参与三价杂质元素，便构成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参与导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决议于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑总结20多子和少子在n型半导体中，n>p,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在p型半导体中，p>n,空穴是多数载流子，电子是少数载流子。21化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族金属氧化物Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅳ族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO22.化合物半导体及固溶体半导体22化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光电器件的主要资料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于制造红外器件和霍耳器件。Ⅱ-Ⅵ族，Zn0，主要用于光电器件，场致发光Ⅳ-Ⅵ族，PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件氧化物半导体，SnO2硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)稀土化合物半导体,EuO,TmS23二元化合物半导体：①IIIA族的Al,Ga,In和VA族的P,As,Sb可组成九种化合物，如InP,GaP,InAs,GaAs等，它们在制做发光器件、半导体激光器、高速晶体管和微波功率管等方面很有出路。②由IIB族的Zn,Cd,Hg和VIA族的S,Se,Te组成的ZnS,CdS,CdSe,HgS等，主要用在制做光敏电阻、光探测器等方面。24③Pb的S族化合物PbS,PbTe和PbSe也是重要的半导体资料，它们由于禁带宽度较窄，具有显著的红外光电导，可以制做红外探测器，是一类人们感兴趣的红外光电导资料。④Bi的S族化合物也是半导体资料，如Bi2Te3可作为一种热电资料。⑤IVA族的C,Si,Ge,Sn,Pb元素间组成的化合物半导体，如SiC。25除了二元化合物半导体外，还存在一些三元甚至四元化合物半导体。如属于黄铜矿的CuFeS2,CuInTe2,CuInSe2和CuAlTe2都具有明显的整流特性。但是，目前对多元化合物的研讨进展并不大，主要是由于制备和提纯这些化合物非常困难，有些资料甚至连单晶的生长都很难控制。26固熔体半导体固熔体是由两个或多个晶格构造类似的元素化合物相互溶合而成。可分为二元系和三元系，二元系有IVA-IVA组成的Ge-Si固熔体；VA-VA组成的Bi-Sb固熔体。三元系有GaAs-GaP组成的GaAs1-xPx和HgTe-CdTe组成的Hg1-xCdxTe。这些混合晶体资料可以经过选取不同的配比x，来调理并到达需求的物理参量〔如禁带宽度、折射率〕，这样人们就能够根据需求设计具有某些电学和光学特性的资料来满足器件的需求。27(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3.非晶态半导体〔构造〕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π键构造。4.有机半导体〔组分〕281874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1940187019301950萌芽期硅晶体管二、半导体的开展291955年德国西门子氢复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19601950进入生长期1952年H.Welker发现Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash无位错硅单晶301963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19701960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31分子束外延MBE金属有机化学汽相堆积MOCVD半导体超晶格、量子阱资料杂质工程能带工程电学特性和光学特性可裁剪323334PN结的构成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的分散，在它们的交界面处就构成了PN结。6.3.3PN结及半导体二极管35PN结的构成

由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流子是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区分散，并与P区界面附近的空穴复合而消逝，在N区的一侧留下了一层不能挪动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区分散，与N区界面附近的电子复合而消逝，在P区的一侧，留下一层不能挪动的受主负离子。分散的结果，使交界面两侧出现了由不能挪动的带电离子组成的空间电荷区，因此构成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着分散的进展，空间电荷区加宽，内电场加强，由于内电场的作用是妨碍多子分散，促使少子漂移，所以，当分散运动与漂移运动到达动态平衡时，将构成稳定的空间电荷区，称为PN结。36P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++分散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动37分散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++分散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。38漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++分散运动内电场EPN结处载流子的运动所以分散和漂移这一对相反的运动最终到达平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。39空间电荷区及内建电场的构成过程表示图到达热平衡形状时，分散流等于漂移流势垒区内电子〔空穴〕的分散和漂移抵消。整个pn结具有一致的费米能级。能带弯曲－－势垒高度。40PN结的单导游电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。41当电源正极接P区，负极接N区时，称为给p-n结加正向电压或正向偏置。结果在电路中构成了较大的正向电流。当电源正极接N区、负极接P区时，称为给p-n结加反向电压或反向偏置。结果在电路中构成了很小的反向电流。p-n结的电压、电流关系－单导游电性42PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使分散加强，分散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流43PN结反向偏置－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使分散停顿，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级44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结呈导通形状；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结呈截止形状。所以，PN结具有单导游电性。45伏安特性PN结伏安特性曲线46PN结的击穿特性当PN结外加反向电压超越某一电压值时，反向电流将急剧添加，这种景象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧添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47PN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大约添加1倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左挪动，反向特性曲线向下挪动。此外,PN结的反向击穿特性也与温度有关。实际分析阐明，雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。48光生伏特效应-Photovoltaic用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场〔也称为自建电场〕的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实践运用。另外，光生伏特效应也广泛运用于光电探测器。下面以P-N结为例引见这种效应。49光照能使半导体资料的不同部位之间产生电位差。这种景象后来被称为“光生伏打效应〞，简称“光伏效应〞。50p-n结和晶体管p-n结是构成各种半导体器件的根底，其最重要的特性是单导游电性P型N型P型衬底P-n结的构造：N型杂质P型半导体与n型半导型接触构成的偶电层构造这种构造称为P-n结。分散51晶体管：二极管和三极管二极管单导游电，三极管放大P-n结整流特性N型P型N型P型52硒结晶炭灰锡锗硅6.3.4元素半导体53周期表中半导体相关元素周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B碳C氮N3铝Al硅Si磷P硫S4锌Zn镓Ga锗Ge砷As硒Se5镉Cd铟In锑Te541、硒实践运用的最早半导体资料禁带较宽，大于1.7ev分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体〔红硒、灰硒〕主要用来制造光电池、摄像靶、整流器；硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载才干强等优点552、结晶炭1〕金刚石金刚石薄膜具有禁带很宽、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和速度、低介电常数，适宜制造高性能电力电子器件和高温电子学器件电阻率很高，但掺杂可使电阻率降低高热导率，可作切割工具燃料对光的折射率高，吸收系数低，在光电子学领域存在潜在的运用价值金刚石562〕C60C60分子由五原环和六元环构成的炭笼分子构造常温常压下发生向金刚石转变的构造变相，为金刚石的人工合成提供了潜在的新途径金刚石薄膜CVD淀积前在衬底上涂一层C60对成核起明显促进作用。炭笼分子构造573〕碳纳米管〔CNT〕碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米的中间空闭合管状物。螺旋矢量参数〔n,m〕,只需n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米管为半导体，其他为导体替代硅进一步减少高集成电路尺寸，提高电路运算速度有了希望双壁碳纳米管纳机电系统用583、灰锡锡有两种同素异形体，灰锡和白锡灰锡：不稳定；具有金刚石构造，立方晶系白锡：四方晶系窄禁带特征有能够用于远红外探测器方面594、锗1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之间存在着一个“类硅〞的元素。1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分别出Ge，并将其命名为Ge〔Germanium〕以留念他的祖国。Ge是半导体研讨的早期样板资料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子资料60锗的分布锗在地壳中含量约为百万分之一，分布极为分散，常归于稀有元素；1.在煤和烟灰中；2.与金属硫化物共生；3.锗矿石锗61锗的运用属金刚石构造由于Ge的禁带较窄，器件稳定任务温度远不如硅器件高，加之资源有限，目前，Ge电子器件不到总量的10%，主要转向红外光学等方面。62硅的分布氧化硅化学性质晶体构造能带构造电学性质硅中的杂质硅的优点硅的用途5、硅63硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃及就曾经用石英砂为原料制造玻璃。由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们把它看成是不能再分的简单物质。大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸作用发现氢氟酸以后，便翻开了人们认识硅石复杂组成的大门。64尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了活泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中分别出来的途径。

1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(BerzeliusJ.J.)用金属钾复原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，初次制得较纯的粉状单质硅。1854年，法国人德维尔〔S.C.Deville〕用混合物氯化物熔盐电解法制得晶体硅。65地壳中各元素的含量66硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3％，在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的方式存在。硅的分布67硅的化学性质原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。14Si32Ge68晶体硅晶体硅为钢灰色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅69化学性质稳定常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反响高温下，较活泼①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO270氧化硅水晶玛瑙石英坩埚光导纤维71外表易纯化，形本钱征二氧化硅层二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用：1.对杂质分散起掩蔽作用；2.对器件的外表维护和钝化作用3.用于器件的绝缘隔离层4.用作MOS器件的绝缘栅资料等72硅的晶体构造109º28´73硅原子——[SiO2]四面体氧原子74硅的能带构造间接带隙构造75电学性质本征载流子浓度1.本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自在电子和空穴对，从而形本钱征载流子浓度。2.温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自在电子与空穴的浓度相等。3.当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自在电子增多，空穴也随之增多〔即载流子的浓度升高〕，导电性能加强；当温度降低，那么载流子的浓度降低，导电性能变差。76硅中的杂质1.n型掺杂剂：P，As，Sb2.p型掺杂剂：B3.轻元素杂质：O，C，N，H4.过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni77O的危害热处置过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉淀而构成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；78C的危害C会降低击穿电压，添加漏电流；C会促进氧沉淀和新施主的构成；C会抑制热施主的构成79H的作用H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形状出现；H在硅中构成H-O复合体H能促进氧的分散和热施主的构成；H会钝化杂质和缺陷的电活性；H能钝化晶体的外表或界面，提高器件的性能80过渡金属的危害在硅中构成深能级中心或沉淀而影响器件的电学性能；减少少子分散长度从而降低寿命；构成金属复合体，影响器件和资料的性能81硅资料的优点资源丰富、易于提高到极纯的纯度较易生长出大直径无位错单晶易于对进展可控n型和p型掺杂易于经过堆积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜资料82易于进展腐蚀加工带隙大小适中硅有相当好的力学性能硅本身是一种稳定的绿色资料83可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触容易截断或者解理硅晶体硅外表上很容易制备高质量的介电层－－SiO284多晶硅的优点多晶硅具有接近单晶硅资料的载流子迁移率和象非晶硅那样进展大面积低本钱制备的优点重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器85多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜场效应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动才干、可与CMOS工艺兼容等特点86非晶硅的优点非晶硅薄膜是器件和电路加工所用外表钝化膜资料之一对活性半导体外表进展钝化对提高器件性能、加强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装废品率等有重要作用87硅的用途高纯的单晶硅是重要的半导体资料；金属陶瓷、宇宙航行的重要资料；光导纤维通讯，最新的现代通讯手段；性能优良的硅有机化合物等881〕重要的半导体资料硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件太阳能电池892〕高温资料金属陶瓷的重要资料：将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合资料，它耐高温，富韧性，可以切割，既承继了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。宇宙航行的重要资料耐高温隔热层，航天飞机能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。903〕光导纤维通讯用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，替代了笨重的电缆。光纤通讯容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的严密性。91化合物半导体一切完全由IV元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带构造均为间接跃迁型；晶体构造为闪锌矿构造的III－V族化合物以GaAs为界，平均原子序数比GaAs小的是间接跃迁型，其他均为直接跃迁型；II－VI族化合物全为直接跃迁型。92III－V族化合物半导体资料II－VI族化合物半导体资料IV－VI族化合物半导体资料IV－IV族化合物半导体资料其它化合物半导体资料93常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙跃迁性质GaAs闪锌矿1.42直接GaP闪锌矿2.27间接GaN纤锌矿3.4间接InAs闪锌矿0.35直接InP闪锌矿1.35直接InN纤锌矿2.05AlN纤锌矿6.2494一、GaAS能带构造物理性质化学性质电学性质光学性质95GaAs能带构造直接带隙构造双能谷：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应存在子能谷；子能谷与主能谷能量差小于禁带宽度而大于Kt；电子在子能谷的有效质量大于在主能谷的有效质量。带隙为1.42eV96GaAs物理性质GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽分子量为144.64原子密度4.42×1022/cm397GaAs化学性质GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反响，易溶于王水室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定加热到6000C开场氧化，加热到8000C以上开场离解98GaAs电学性质电子迁移率高达8000GaAs中电子有效质量为自在电子的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，军事上运用99GaAs光学性质直接带隙构造发光效率比其它半导体资料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等100GaAs的运用GaAs在无线通讯方面具有众多优势GaAs是功率放大器的主流技术1011〕GaAs在无线通讯方面砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频〞传输运用的晶片，由于其频率高，传输间隔远，传输质量好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适宜传输影音内容，符合现代远程通讯要求。普通讯息在传输时，由于间隔添加而使所能接纳到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚〞甚至“收不到信号〞的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，胜利抑制讯号传送不佳的妨碍。砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于防止卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。102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103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非常适宜高频无线通讯1042〕GaAs是功率放大器的主流技术砷化镓具备许多优良特性，但资料本钱及良品率方面比不上硅，因基频部分以处置数字信号为主，内部组件多为自动组件、线路分布密集，故以细微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。手机中重要关键零部件功率放大器〔PowerAmplifier，PA〕，由于对放大功率的严厉要求，因此运用GaAs制造将是最正确方式。GaAs在无线通讯射频前端应器具有高任务频率、低噪声、任务温度运用范围高以及能源利用率高等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。105手机是促进GaAsIC市场增长的主要动力根据StrategyAnalytics的报告，手机仍将是促进砷化镓〔GaAs〕IC市场增长的主要动力。2004年GaAs芯片市场29亿美圆，2021年达37亿美圆GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是主要增长动力，2003年无线市场占GaAs器件总体需求的41%以上，来自汽车雷达等其它运用的需求将会增长，但2021年手机仍至少占GaAs市场的33%随着手机需求生长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，仅手机这项需求，2021年GaAs芯片到达约30亿颗106国内外现状对比目前我国在研制通讯誉砷化镓器件方面尚处于起步阶段。手机用砷化镓电路根本靠进口。随着我国通讯产业迅速开展，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，还可用于挪动通讯基站、光通讯、卫星通讯、CATV、军事通讯等重要用途，运用领域非常广泛。1073〕GaAs还有更多的运用领域光纤通讯具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑“信息高速公路〞的主干，大于2.5G比特/秒的光通讯传输系统，其收发系统均需求采用GaAs超高速公用电路。随着光电子产业和自动化的开展，用作显示器件LED、测距、玩具、条形码识别等运用的高亮度发光管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也非常大，对低阻低位错GaAs产业的需求非常宏大而迫切。我国数十亿只LED管芯，一切的可见光激光器、高亮度发光管、近红外激光器等几乎都依托进口，因此消费高质量的低阻GaAs单晶，促进LED管芯、可见光激光器、高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化消费，将有力地开展我国民族的光电子产业。108GaN资料的研讨与运用是目前全球半导体研讨的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体资料，并与SiC、金刚石等半导体资料一同，被誉为是继第一代Ge、Si半导体资料、第二代GaAs、InP化合物半导体资料之后的第三代半导体资料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好〔几乎不被任何酸腐蚀〕等性质和强的抗辐照才干在光电子、高温大功率器件和高频微波器件运用方面有着宽广的前景。是很优越的微波资料二、GaN109室温下GaN禁带宽度为3.4Ev在大气压力下，GaN晶体普通是六方纤锌矿构造其硬度高，又是一种良好的涂层维护资料110氮化镓与其它半导体资料的比较特性单位半导体材料硅砷化镓磷化铟碳化硅氮化镓能阶带eV1.11.421.352.33.44300K电子迁移Cm2/vs1500850054007001000~2000饱和电压107cm/s1.01.31.02.01.3临界崩溃场效MV/cm0.30.40.53.03.0热传导V/cm*k1.50.50.74.5>1.5介电常数ε11.812.812.510.09.0111资料的特性化学性质构造特征电学性质光学性质资料的运用1121〕GaN资料的特性高频特性，可以到达300GHz〔硅为10G，砷化镓为80G〕高温特性，在300℃正常任务〔非常适用于航天、军事和其它高温环境〕电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好耐酸、耐碱、耐腐蚀〔可用于恶劣环境〕高压特性〔耐冲击，可靠性高〕大功率〔对通讯设备是非常盼望的〕1132〕GaN的化学特性在室温下，GaN不溶于水、酸和碱；在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测；GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性；而在N2气下最为稳定。1143〕构造特征立方系闪锌矿构造和六方纤锌矿构造；在大气压力下，GaN晶体普通是六方纤锌矿构造。1154〕GaN的电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要要素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为普通情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。1165〕GaN的光学特性宽带隙化合物半导体资料，有很高的禁带宽度〔2.3～6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体资料都无法到达的主要在蓝光和紫光发射器件上运用117GaN的运用1.实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前运用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的中心技术和根底。118半导体照明是21世纪最具开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。119日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaNLED120发光二极管LED发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体资料制成。当经过正向电流时，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方式释放出能量。发蓝光的二极管121LED运用半导体白光照明车内照明交通讯号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外、蓝光激光器高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等122LED照明的优点发光效率高，节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、分量轻、方向性好单个单元尺寸只需3~5mm呼应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流123Ge：Eg＝0.67eV红光GaP：Eg＝2.25eV绿光GaN：Eg＝3.4eV蓝光波长＝h/Eg;

其中，h是普朗克常数，Eg是禁带宽度

124高亮度白光LED的实现基于蓝光LED，经过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光经过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，经过三基色粉，组合成为白光1252.提高光存储密度DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，假设DVD运用G