电工材料及应用课件4

电工材料及应用

超导体:大于106(cm)-1

导体:106~104(cm)-1

半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1什么是半导体？从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带

(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构

原子能级能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态

原子能级

反成键态

成键态价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg金属、绝缘体、半导体的能带特征EgEg金属绝缘体半导体价带导带半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如

Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如

Si中掺的B施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2

ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度

电子浓度n,空穴浓度p6.非本征半导体的载流子在非本征情形:

热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子

n型半导体：电子

p型半导体：空穴少子：少数载流子

n型半导体：空穴

p型半导体：电子7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半导体：电子nNd

空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa

电子

nni2/Na8.过剩载流子

由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流迁移率

电阻率

单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力

载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动

引入迁移率的概念

影响迁移率的因素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2p-n结平衡能带结构重点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合锗、硅半导体Ge、Si的物理性质锗、硅半导体Ge、Si的晶体结构锗、硅半导体Ge、Si的能带结构锗、硅半导体Ge、Si单晶中的杂质Ⅲ、Ⅳ族杂质：受主或施主其它杂质：复合中心或陷井，对导电性影响不大GaAs半导体的能带结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体半导体材料(1)以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置。芯片特征尺寸以每三年缩小计,到2010年可能到极限(0.07μm)（量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大）。但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。

*在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOnInsulator):功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。

*集成系统（IS，IntegratedSystem)：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片(SystemonaChip)。

*集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE，MOCVD及MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电路的发展对材料质量的要求。集成电路发展对材料质量的要求首批产品出现年代1999200220052008工艺水平（

m)0.180.130.100.07

DRAM256M1G4G16G硅片直径(mm)200300300450表面关键杂质(At/cm2)(109)

13

7.5

5

2.5局部平坦度（nm)

180

130

100

100光散射缺陷(个/cm2)

0.29

0.14

0.06

0.03(2)第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物

GaAs电子迁移率是Si的6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。

GaAs用于集成电路其处理容