第四章半导体材料课件

第四章半导体材料半导体材料为信息时代的到来奠定了物质基础1948年，肖克莱（Shockley）等发明晶体管，带来现代电子学革命，具有划时代意义。1958年，集成电路问世。1968年，硅大规模集成电路实现产业化，标志微电子学时代开始。30多年来，惊人发展。1962年，半导体激光器问世，后来各种半导体光电器件问世。80年代，半导体激光器在光通信和光盘等方面大量应用，形成了光电子学。1精选课件ppt国际上普遍认为，20世纪是微电子为基础的电子信息时代，21世纪则是微电子与光子技术结合的光子信息时代。从而对半导体材料提出越来越高的要求。4-1半导体基本概念一、本征半导体

金属：非常多自由电子。平均每个原子一个电子。密度1022个/cm3。

绝缘体：几乎无自由电子。

半导体：介于两者之间，平均每1010-1013个原子一个自由电子，密度1012-1019个/cm3，室温电导率10-8-103(Ωcm)-12精选课件ppt半导体自由电子数较小，易通过外部电学作用控制其中电子的运动。所以比金属更适合做电子器件。原子半导体导带价带1eV原子形成固体，分立能级变成连续能带。未掺杂半导体叫本征半导体。本征半导体中每个原子四个价电子，恰好填满能带（价带）。上面未填充的能带为导带。中间禁带宽度约1eV。以上是理想、绝对0度情况。3精选课件ppt原子半导体导带价带1eV当T升高，电子激发到导带，在价带留下空穴。在电场作用下，导带中电子和价带中空穴均导电，称为本征导电。二、杂质半导体当掺杂时，半导体导带上会有自由电子或价带上会有空穴。主要靠电子导电的称为n型半导体；主要靠空穴导电的称为p型半导体.n型半导体Si四价，与周围原子组成四个价键4精选课件pptSi中掺5价P，P取代Si原子。4个价电子与Si组成共价键。第5个价电子多余，输送到导带上成为自由电子。导带中电子导电。产生的自由电子浓度约等于杂质原子浓度（可控）。P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。导带施主价带导带施主价带n型半导体5精选课件pptp型半导体掺3价B。B取代Si，形成共价键，缺一个价电子。可以从价带上取得一个电子产生一个空穴。导带受主价带导带受主价带B称为施主杂质，表示能得到一个价电子。p型半导体所以，掺杂可有意识地控制导电类型和载流子浓度。6精选课件ppt导带施主价带导带受主价带p型半导体n型半导体以上杂质能级处于禁带中导带低或价带顶附近，故称为浅能级杂质如果杂质或缺陷（C、O、N、Fe、Cu、Ag、Au等）及晶体缺陷（空位、位错），产生的能级往往在禁带中部，称为深能级。深能级杂质一般是在材料生长、器件制造时无意带进的。7精选课件ppt深能级杂质、缺陷可以捕获自由载流子，引起电子从导带到价带跃迁。必须避免。但有时有用，如GaP中掺N发红光。三、输运特性在外电场下，半导体有电流，电流密度：且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间有关：导电性能8精选课件ppt半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定律，F=-eE=m0a。m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束，也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半导体m*不同。Si：m*=0.5m0；GaAs：m*=0.07m0——弛豫时间。电子经两次碰撞间的平均自由时间。电子在运动时受杂质、缺陷碰撞而改变方向，形成阻力半导体中空穴导电，实际上也是电子运动。电子依次填充空位，效果相当于一个正电粒子（空穴）运动。9精选课件ppt四、光学性质1、光吸收适当波长的光照射半导体，电子吸收光子从价带跃迁到导带，而在价带中留下空穴，称为光吸收。条件：如果，光子不被吸收而透过晶体，晶体透明红外10精选课件ppt2、非平衡载流子光发射电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为光发射。

光发射应用：半导体发光二极管、半导体激光器。但非平衡载流子不是由光激发产生，而由电子、空穴注入产生。并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍）Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。11精选课件ppt目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本，称为光电集成。4-2传统的典型半导体材料一、分类1、元素半导体ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te（碲）等。2、化合物半导体12精选课件ppt二元化合物ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）ⅡB-ⅥA化合物，12种（Zn、Cd、Hg——S、Se、Te）ⅣA-ⅣA化合物，SiC等ⅣA-ⅥA化合物，9种（GeS、GeSe、SnTe、PbS等）ⅤA-ⅥA化合物，AsSe3、SbS3、AsTe3、AsS3等多元化合物AgGeTe2、AgAsSe2、Cu2CdSnTe4等三种元素以上13精选课件ppt3、固溶半导体二元互溶AxB1-x，如Si-Ge三元互溶如GaAs1-xPx、Hg1-xCdxTe二、硅和锗性质：（1）灰色金属光泽固体，硬而脆（2）常温下化学性质稳定，升温时易与O、Cl反应，非游离状态。（3）Ge不溶于盐酸、稀硫酸，但溶于浓硫酸、浓硝酸、王水；Si不溶于盐酸、硫酸、硝酸和王水。（4）金刚石结构，共价键。Ge的Eg=0.66eV；Si的Eg=1.12ev.14精选课件ppt（5）杂质对电学性质的影响与杂质在禁带中的位置有关。制备：直拉法、区域熔炼法（看半导体专著）用途：大规模集成电路（电子工业，主要是Si）红外技术（红外聚焦透镜，红外透过率90-95%）三、砷化镓性质：（1）闪锌矿结构（类似金刚石）（Zn，S分别为面心立方，沿对角线移动1/4）（2）禁带宽度大。双能谷导带（方俊鑫固体物理下）15精选课件ppt双能谷导带一个导带极小称卫星谷；导带底称中心谷。K空间(3)介电常数小，m*小，迁移率高制备方法：从熔体中生长体单晶：水平区熔法；定向结晶法；温度梯度法；磁拉法；浮区熔炼发；外延生长单晶薄膜：气相外延法；液相外延法。用途：发光二极管，隧道二极管四、碲、镉、汞Hg1-xCdxTe16精选课件ppt特点：Hg1-xCdxTe（1）改变组分x，可以连续从金属半导体，随意改变Eg。（2）直接跃迁型能带结构，m*小，迁移率高，便于制成光导、光伏探测器件。（3）本征吸收系数高，可以全部吸收几到几十内波长的光。17精选课件ppt4-3半导体微结构材料用于微电子、光电子领域的新型功能材料。激光器件、电子器件、光通信、光计算机等。一、异质结量子阱超晶格统称为半导体微结构材料（人工材料）AB异质结—两种不同半导体材料组成的结ABA量子阱—两个同样异质结背对背ABABB超晶格—两种或以上薄层周期性交替生长。18精选课件ppt半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维电子气理论上证明：二维运动电子发射光比体材料三维运动电子发光更集中，更适合做激光器，还有其他应用。可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能带裁剪工程。二、超晶格种类1、组分超晶格不同半导体材料薄膜堆垛而成。ABABBBBBBAAA19精选课件ppt2、掺杂或调制超晶格同一材料交替改变掺杂类型，产生系列抛物线势阱。

优点：任何半导体材料都可以做超晶格；杂质引起晶格畸变小，无明显界面；有效能隙可以调到任何值。3、多维超晶格一维超晶格二维超晶格三维超晶格二维量子阱一维量子线0维量子点可以出现更多的光电特性20精选课件ppt4、应变超晶格晶格常数相差较大的两种材料组成（可以做出比Si器件更高速的电子器件）4-4非晶态半导体非晶态长程无序，短程有序，包括非晶态金属、半导体、绝缘体、超导体等。目前研究最多的两类：四面体结构非晶态半导体、硫系非晶态半导体。一、非晶态半导体能带模型对晶体：单电子近似，每个电子相互独立并在晶格周期性势场中运动。而非晶态半导体无周期性，故电子态具有一些新的特点：21精选课件ppt1、非晶态半导体电子波函数已经不是布洛赫波在周期性势场中，电子波函数是布洛赫波所以，电子在晶体中各原胞中出现的几率相同。电子可在整个晶体中运动（共有化运动）非晶态无周期性，波函数已不是布洛赫波。其电子态分为：扩展态和局域态。前者与晶体中共有化运动相似，后者波函数局限于一些中心附近。2、非晶态能带边模糊，有“带尾”晶态中电子能量形成一系列能带。导带和价带之间存在禁带，在能带中电子能级准连续。22精选课件ppt方俊鑫固体物理“电子气能量状态”一节晶态为E—E+dE内状态数目（每个态容纳两个电子）

非晶态半导体：一方面可以看成一种共价键结合，与晶态类似，故可以认为存在导带和价带；另一方面，原子排列不规则（无周期性），故不能确定能带边，而是一个模糊带边。23精选课件pptmott模型认为，非晶态半导体能态密度存在“带尾”晶态非晶态导带导带价带价带扩展态：定域态：扩展态和定域态分界：所以，电子传导扩展态传导+定域态传导24精选课件ppt

定域态导电机理：电传导靠热激活产生，电子从一个定域态跳跃到另一定域态，进行跳跃式导电。3、非晶态半导体中缺陷密度大，禁带中有大量缺陷定域态并形成能级二、非晶态半导体电、光学性质1、直流电导率扩展态导电带尾定域态导电缺陷定域态导电25精选课件ppt2、光吸收与晶态相比，本征吸收谱没有大的变化。差别在于本征吸收边的位置有些移动。（因模糊能带边）3、电导光照射产生非平衡载流子，引起电导率改变的现象叫光电导。导带价带产生一个自由电子和空穴。两载流子都参与导电。以上称为本征光电导。此外，禁带中杂质能级上的电子激发到导带，产生附加光电导，称为杂质光电导。26精选课件ppt四、非晶硅

制备方法：等离子辉光放电法；溅射法；真空蒸发法；化学气相沉积法；得到非晶硅膜。

特性：（1）可见光区具有高的吸收系数和光电导特性；（2）薄膜沉积生长温度低（180-2500C），能耗小，成本低；（3）可以形成禁带宽度各不相同的多种非晶合金，以满足各种器件需要；（4）非晶硅及其合金可以用掺杂的方法使之成为n型或p型，有利于器件制造。

主要用途：主要用于太阳能电池。还可以用于场效应管、场效应集成电路、图像传感器、光信息储存器等。27精选课件ppt4-5半导体陶瓷介于导电陶瓷和绝缘陶瓷之间，在温度、湿度、气氛、光、电场等外界条件下，导电性变化，可以制作陶瓷敏感元件。有热敏、压敏、湿敏、气敏、光敏等陶瓷。本节仅以热敏陶瓷为例说明其应用。一、PCT热敏半导体陶瓷电阻率具有正温度系数，如BaTiO3、（Ba，Sr，Pb）TiO3、氧化钒等BaTiO3—铁电性材料PE28精选课件ppt1、实验现象（1）T>TC（居里温度），急剧增加即PTC效应（PositiveTemperatureCoefficient）。T继续增加，下降。（2）ABO3型钙钛矿结构。引入微量稀土元素可以使其半导体化。电阻率降到10-2—104（3）不掺杂的BaTiO3，还原气氛中烧结，可以获得常温下电阻率很低的半导体陶瓷材料，但无PTC效应。（4）高温烧成样品，直接淬火至室温，无PTC效应。降温越慢，PTC效应增加。29精选课件ppt（５）单晶无PTC，粉碎后烧成陶瓷（多晶），有明显的PTC。（６）引入微量引入微量但提高室温电阻率。２、PTC机理铁电性+陶瓷多晶特性共同作用。（1）室温下铁电体，存在自发极化，屏蔽着晶界层势垒，使势垒降低。由于屏蔽，晶界电阻次要，室温电阻率主要由晶粒电阻决定（2）温度达TC，自发极化迅速降低，铁电体变顺电体，晶界势垒阻碍电子流通。电阻由晶界电阻决定，呈高阻特性。30精选课件ppt所以，在T增加过程中，在TC附近，突变即PTC效应3、应用温度自控、过电流和过热保护，液面深度h控制突变T与h有关，不同，敏感二、NCT半导体陶瓷负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient)31精选课件ppt过渡金属氧化物按比例混合烧制（Mn、