半導(dǎo)體材料

1、第六章,半導(dǎo)體材料,,,半導(dǎo)體材料是構(gòu)成許多有源元件的基體材料，在光通訊設(shè)備、信息的儲(chǔ)存、處理、加工及顯示方面都有重要應(yīng)用，如半導(dǎo)體激光器、二極管。半導(dǎo)體集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和光電二極管等等。它是能源、信息、航空、航天、電子技術(shù)必不可少的一種功能材料，在電子信息材料中占有極其重要的地位。當(dāng)前，半導(dǎo)體材料已成為投資密集、人才密集、技術(shù)密集的高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)，受到電子科學(xué)與材料科學(xué)界的極大關(guān)注，美、日等國都把它列入人尖端材料范疇。半導(dǎo)體工業(yè)

2、的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。本章在介紹半導(dǎo)體相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，講述了半導(dǎo)體材料的分類、制備工藝和應(yīng)用情況。,前 言,,,內(nèi)容簡介,半導(dǎo)體材料特性及其發(fā)展 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體材料的分類 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 硅基太陽能電池材料,6.1半導(dǎo)體材料特性及其發(fā)展,物質(zhì)按其導(dǎo)電的難易程度可以分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。 導(dǎo)體：善于傳導(dǎo)電流的物體，其電阻率很小。（導(dǎo)電能力最強(qiáng)，

3、電解液，碳，金屬，金屬元素價(jià)電子數(shù)少于4個(gè)。） 絕緣體：電阻率極高的物體。（導(dǎo)電能力最弱，橡膠，石英，價(jià)電子數(shù)8個(gè)。） 半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。（導(dǎo)電能力介于二者之間，價(jià)電子數(shù)4個(gè)。） 半導(dǎo)體材料的電阻率在10-4Ω·cm－10l0Ω·cm之間。但是單從電阻率的數(shù)值上來區(qū)分是不充分的，比如在儀器儀表中使用的一些電阻

4、材料的電阻率數(shù)值也在這個(gè)范圍之內(nèi)，可它們并不是半導(dǎo)體材料。,半導(dǎo)體材料特性半導(dǎo)體材料發(fā)展,1)電阻率受雜質(zhì)含量的影響極大。如果一塊純硅摻入百萬分之一的雜質(zhì)，就會(huì)使它的電阻率降低一百萬倍。所以人們可以通過控制雜質(zhì)的含量來精確控制其導(dǎo)電能力，制造出各種符合需要的元器件。2)電阻率變化受外界條件影響很大。利用半導(dǎo)體對(duì)溫度變化十分敏感的特性，人們可以制造出能感受萬分之一攝氏度溫度變化的熱敏電阻，用于自動(dòng)化控制裝置。同樣，利用半導(dǎo)體對(duì)光的敏感

5、特性，可開發(fā)各種類型的光敏電阻，用作自動(dòng)控制元件。如 CdS。InSb等可用于制作紅外光探測(cè)元件。3)半導(dǎo)體元器件體積小、質(zhì)量輕。一片手指大小的單晶硅片上就可集成成千上萬個(gè)精致的晶體管，人們用肉眼根本分辨不出來，只有在放大凡萬倍的顯微鏡下才能看清楚。,6.1.1 半導(dǎo)體材料的特性,4）可靠性高，壽命長?，F(xiàn)代晶體管的壽命比電子管長100倍－1000倍，被稱為“半永久性”器件；而集成電路又比分立元件電路可靠性高100倍，大規(guī)模集成電路又

6、比中、小規(guī)模集成電路可靠性高100倍以上。5）省電、效率高、成本低。世界上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)要使用接近一個(gè)火車頭的功率來驅(qū)動(dòng)，而現(xiàn)在同樣功能的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)只要兩節(jié)電池就足夠了。 因此，人們通常把電阻率在范圍內(nèi)且對(duì)外界因素，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、溫度、壓力及周圍環(huán)境氣氛非常敏感的材料稱為半導(dǎo)體材料。,6.1.1 半導(dǎo)體材料的特性,6.1.2 半導(dǎo)體材料發(fā)展,關(guān)于半導(dǎo)體的研究可以追述到19世紀(jì)30年代。1833年法拉第（Far

7、aday）發(fā)現(xiàn)硫化銀的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。1874年布勞恩（Braun）發(fā)現(xiàn)硫化鉛與金屬探針的接觸處有整流效應(yīng)，揭示了半導(dǎo)體材料的最基本性質(zhì)。從19世紀(jì)后期到20世紀(jì)初，人們對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行了大量的研究。后來人們把注意力逐步集中到單晶鍺和單晶硅的制備與提純上，到第二次世界大戰(zhàn)期間，已用上了用Ge制造的微波檢波器。1947年J．巴?。˙radeen）等人用Ge制成點(diǎn)接觸晶體管，開創(chuàng)了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元。1958年J.S.

8、C.基比爾（Kilby）制成了第一塊集成電路，為其后大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,6.1.2 半導(dǎo)體材料發(fā)展,而后，以GaAs（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體和固溶體半導(dǎo)體的研究促進(jìn)了微波器件、異質(zhì)結(jié)和光電子器件的發(fā)展，1962年用GaAS材料第一次制成了半導(dǎo)體激光器。 1972年（AlGa）As/GaAs超晶格半導(dǎo)體材料的誕生，標(biāo)志著人類已經(jīng)進(jìn)人設(shè)計(jì)、制造、研究人工半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。 目前，半導(dǎo)體材料和光電子材

9、料已成為21世紀(jì)信息社會(huì)的兩大高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。它的發(fā)展將會(huì)使通信、高速計(jì)算、大容量信息處理、存儲(chǔ)與顯示、空間防御、電子對(duì)抗以及武器裝備的微型化、智能化等產(chǎn)生巨大的技術(shù)進(jìn)步。,（1）能帶的形成,a、外層電子共有化,對(duì)大量原子有規(guī)則地排列成晶體時(shí)，由于原子離得很近，每個(gè)電子不僅受到本身原子核的作用，而且受到鄰近原子核的影響,內(nèi)層電子因受原子核的牢牢束縛而影響較小；價(jià)電子或外層電子卻不同，外層電子受鄰近原子的作用更強(qiáng)，容易脫離原來的原子

10、而進(jìn)入到其他原子當(dāng)中。 即電子不再分屬各個(gè)原子所有，而是屬于整個(gè)原子所共有，這稱電子的共有化。,6.2 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ),一、晶體的能帶結(jié)構(gòu),因?yàn)楫?dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，它們是N重簡并的，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（10-22ev），因?yàn)槟芰坎钌跣?，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。通常在一定條件下

11、電子不能占有的能量范圍稱為禁帶。,b、能帶的形成,（2）電子填空能帶的情況,a、滿帶：各能級(jí)都被兩個(gè)自旋相反電子填滿的能帶。,,,滿帶,,當(dāng)電子從原來狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子不能形成電流。,導(dǎo)帶,,電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。故稱為導(dǎo)帶。,b、導(dǎo)帶：能級(jí)沒有被電子填滿的能帶。,c、空帶：各能級(jí)都沒有被電子填充的能帶。,d、價(jià)帶：價(jià)電子所處的帶稱為價(jià)帶。,（3）導(dǎo)體、半

12、導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu),a、導(dǎo)體：價(jià)帶是導(dǎo)帶或等效導(dǎo)帶。,導(dǎo)帶,滿帶,滿帶,空帶,滿帶,空帶,重疊,相連,b、絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大。,滿帶,空帶,例如金剛石中兩個(gè)碳原子相距15納米時(shí)，Eg=5.33電子伏。,c、半導(dǎo)體：價(jià)帶是滿帶，但是禁帶寬度較小。,導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的不同，主要是能帶結(jié)構(gòu)不同。,禁帶,例如硅?Eg=1.14電子伏，鍺?Eg=0.67電子伏，砷化鎵?Eg=1.43電子伏。,金屬導(dǎo)電與半導(dǎo)體導(dǎo)電的差別

13、：金屬導(dǎo)電的載流子是自由電子，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子是導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴。,半導(dǎo)體的基本能帶情況： 價(jià)帶基本填滿（OK時(shí)價(jià)帶為滿帶），導(dǎo)帶基本上全空，兩者中間的禁帶很窄。這就意味著，其價(jià)電子不需太多的熱、電、磁或其他形式的能量就使其激發(fā)到導(dǎo)帶中去，價(jià)帶頂隨之產(chǎn)生空穴。半導(dǎo)體的導(dǎo)電即是依靠導(dǎo)帶底的少量電子或者價(jià)帶頂?shù)纳倭靠昭▽?shí)現(xiàn)的。,（4）半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的基本特征 －直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體,直接帶

14、隙,間接帶隙,二、本征半導(dǎo)體、空穴、及其導(dǎo)電作用,本征半導(dǎo)體：完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 純度：99.9999999%，“九個(gè)9” 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。T=0K 且無外界激發(fā)，只有束縛電子，沒有自由電子，本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。T=300K，本征激發(fā)，少量束縛電子擺脫共價(jià)鍵成為自由電子。不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，很少實(shí)際應(yīng)用。,,共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為

15、束縛電子,,,,掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子,本征半導(dǎo)體,半導(dǎo)體導(dǎo)電的兩個(gè)方面,自由電子的運(yùn)動(dòng)束縛電子的運(yùn)動(dòng),與金屬導(dǎo)電相比，金屬導(dǎo)電只有自由電子的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榻饘贈(zèng)]有共價(jià)鍵，而半導(dǎo)體有共價(jià)鍵,所以有兩個(gè)方面。,空穴,直接描述束縛電子的運(yùn)動(dòng)不太方便。 用我們假想的（自然界不存在的）、帶正電的、與束縛電子反方向運(yùn)動(dòng)的那么一種粒子來描述束縛電子的運(yùn)動(dòng)比較方便，這種粒子起名叫做“空穴”。,三、半導(dǎo)體中的載流子－電子和空穴,,

16、,,,Eg,,,,,,,,,,,,,躍遷,傳導(dǎo)電子,空穴,空穴的有效質(zhì)量是價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量的負(fù)值，即為正。,,導(dǎo)電機(jī)制：,（本征導(dǎo)電）,導(dǎo)帶底電子沿外加電場(chǎng)反方向漂移價(jià)帶頂電子沿外加電場(chǎng)方向的漂移,嚴(yán)格地說，只有在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶被電子填滿，導(dǎo)帶是空的，此時(shí)材料地電導(dǎo)率為0。隨著溫度的升高，價(jià)帶中的部分電子躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留有等量的空穴。電子的這種運(yùn)動(dòng)稱為熱激發(fā)。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型實(shí)際上有電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電兩種類型。禁帶

17、寬度越寬，激發(fā)越困難。 一般認(rèn)為，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度小于等于2.5ev；絕緣體的禁帶寬度大于等于2.5ev。 在具有一定禁帶寬度的半導(dǎo)體材料中，載流子數(shù)量是溫度的函數(shù)。,本征半導(dǎo)體的載流子濃度,四、雜質(zhì)半導(dǎo)體：有n型和p型,n型：本征半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)的雜質(zhì)原子，多余電子導(dǎo)電。,例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）所形成的半導(dǎo)體。摻入AS以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電

18、子，此電子成為自由電子。,施主能級(jí)和施主電離,當(dāng)雜質(zhì)提供帶有電子的能級(jí)時(shí)，如上圖所示，電子由施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶遠(yuǎn)比由價(jià)帶激發(fā)容易。這種主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為n型半導(dǎo)體。,p型：本征半導(dǎo)體中摻入微量三價(jià)的雜質(zhì)原子，空穴導(dǎo)電。,例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（B）所形成的半導(dǎo)體摻入B以后，B是三價(jià)，與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還缺少一個(gè)電子，從而形成一個(gè)空穴，形成空穴導(dǎo)電。,,受主能級(jí)和受主電離,當(dāng)雜質(zhì)提供禁帶中空的能級(jí)

19、時(shí)，如圖所示，電子由價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)比激發(fā)到導(dǎo)帶容易得多。這種主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為p型半導(dǎo)體。,雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴分布,應(yīng)用Fermi-Dirac分布可以得到：,施主能級(jí)被電子占據(jù)的概率,受主能級(jí)被空穴占據(jù)的概率,電離施主濃度,電離受主濃度,五、平衡載流子與非平衡載流子,平衡載流子濃度： 電荷輸運(yùn)現(xiàn)象中，外場(chǎng)的作用，只是改變載流子在一個(gè)能帶中能級(jí)之間的分布，而沒有引起電子在能帶之間的躍遷，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中的

20、載流子數(shù)目都沒有改變。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。  但是, 有另外一種情況：在外界作用下，能帶中的載流子數(shù)目發(fā)生明顯改變，即產(chǎn)生非平衡載流子。                    

21、   大多數(shù)情況下,非平衡載流子都是在半導(dǎo)體的局部區(qū)域產(chǎn)生的.它們除了在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)以外,還要作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,漂移電流與擴(kuò)散電流,半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運(yùn)動(dòng)會(huì)引起導(dǎo)電電流。,引起載流子定向運(yùn)動(dòng)的原因有兩種：,由于電場(chǎng)而引起的定向運(yùn)動(dòng)――漂移運(yùn)動(dòng)。（漂移電流）,由于載流子的濃度梯度而引起的定向運(yùn)動(dòng)――擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。（擴(kuò)散電流）,（一）漂移電流（drift current）,在電

22、子濃度為n,空穴濃度為p的半導(dǎo)體兩端外加電壓V，在電場(chǎng)E的作用下，空穴將沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，電子將沿與電場(chǎng)相反方向運(yùn)動(dòng)：,(二）擴(kuò)散 電 流（diffusion current）,五、非平衡載流子,非平衡載流子的產(chǎn)生： （1）光輻照 （2）電注入,光電導(dǎo)是指半導(dǎo)體受到光照而使其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。左圖表示光電導(dǎo)和照射波長關(guān)系（光電導(dǎo)光譜特性）的典型關(guān)系曲線，縱軸是光照之下電導(dǎo)的變化與原電導(dǎo)之比。從左圖可以看出，當(dāng)光照到半導(dǎo)體上，價(jià)

23、帶上的電子接收能量，使電子脫離共價(jià)鍵。當(dāng)光的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值時(shí)，價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，在晶體中產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴，這兩種載流子都參與導(dǎo)電，由光產(chǎn)生的附加電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。,光電導(dǎo),光電導(dǎo)與波長的關(guān)系曲線（a）和能帶圖（b）,光電導(dǎo)光譜特性的測(cè)量，已成為確定半導(dǎo)體禁帶寬度的有效方法，即 式中Eg—禁帶寬度（又稱能帶隙）；

24、 E-——施主雜質(zhì)能級(jí)（導(dǎo)帶底能級(jí)）； E＋——受主雜質(zhì)能級(jí)（價(jià)帶頂能級(jí)） h——普朗克常數(shù)； ——光電導(dǎo)急劇增加時(shí)的光頻。 從上圖的能帶圖可知，只有能量大于的光子，才能激發(fā)價(jià)帶電子到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子和空穴，引起光電導(dǎo)現(xiàn)象－本征光電導(dǎo)。,,,光電導(dǎo),一、 PN結(jié)的形成,在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將

25、在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,因濃度差 ? 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū),? 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng),? 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移,?內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,ＰＮ 結(jié),最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,PN結(jié)的形成過

26、程,PN 結(jié)形成的過程可參閱上圖 。,二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。,P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。,(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)

27、電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。,PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如下圖。,PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,(2) PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻

28、性。,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。,PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖。,PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,p－n結(jié)及其應(yīng)用 典型的通過

29、p－n結(jié)的電流和電壓的關(guān)系。當(dāng)電壓是使帶正電的空穴由p區(qū)至n區(qū)、帶負(fù)電的電子由n區(qū)到p區(qū)時(shí)，電流隨電壓增長很快；而電壓方向相反時(shí)，則電流很小。 利用這種現(xiàn)象，發(fā)展了高效率的半導(dǎo)體整流器； 在p－n結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展了整個(gè)晶體管技術(shù)。當(dāng)光照時(shí)，可在n區(qū)與p區(qū)之間產(chǎn)生電勢(shì)差－光電伏特效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，發(fā)展了效率較高的半導(dǎo)體光電池，提供了一條把光能直接轉(zhuǎn)換為電能的有效途徑。,,,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,半導(dǎo)體材料的分類方法很多，按

30、其物質(zhì)和結(jié)構(gòu)屬性可分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和超晶格半導(dǎo)體；按化學(xué)組成可分為無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體，無機(jī)半導(dǎo)體又分為晶態(tài)半導(dǎo)體和非晶態(tài)半導(dǎo)體，晶態(tài)半導(dǎo)體又分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體；按晶體結(jié)構(gòu)可分為Si等金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體、GaAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體和CdS等密排六方結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，下面僅對(duì)無機(jī)半導(dǎo)體材料予以介紹。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,1.元素半導(dǎo)體材料 根據(jù)半導(dǎo)體材料的純度和是

31、否有意摻雜元素的種類，還可將元素半導(dǎo)體材料劃分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。 （l）本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體:非常純且缺陷極少的半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體中導(dǎo)電的電子－空穴對(duì)是由共價(jià)鍵破裂產(chǎn)生的。在 OK時(shí)，本征半導(dǎo)體的價(jià)帶被電子全部充滿，而導(dǎo)帶又全空，此時(shí)不存在任何自由載流子，故絕緣。一旦溫度升高，由于熱激發(fā)便會(huì)使價(jià)帶中的電子越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，產(chǎn)生一定導(dǎo)電性?？梢姳菊靼雽?dǎo)體中，導(dǎo)電也是由熱激活產(chǎn)生的，所以它也與空位密度和溫

32、度有關(guān)。利用半導(dǎo)體對(duì)溫度的敏感性而制作出熱敏感電阻。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,1.元素半導(dǎo)體材料 （2）雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入高一價(jià)的元素，如Si、Ge中加人P、Sb、Bi、As(砷)等，造成半導(dǎo)體的載流子是電子，這樣的半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。 摻入少一價(jià)電子的元素，如 Si、Ge中加人 B、Al、In、Ga等，造成半導(dǎo)體的載流子是空穴，這樣的半導(dǎo)即是p型半導(dǎo)體。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,2.化合物半

33、導(dǎo)體材料 化合物半導(dǎo)體的種類繁多，性質(zhì)各異，因此可以滿足不同要求，有廣闊的應(yīng)用前景。特別是當(dāng)它們具備了Si、Ge所沒有的特性時(shí)，就顯得更為突出。Ⅲ－V族、Ⅱ－VI族、IV族和氧化物半導(dǎo)體材料得到了優(yōu)先發(fā)展。（1）Ⅲ－V族化合物半導(dǎo)體 特點(diǎn):①它具有優(yōu)異的高溫動(dòng)作性能，優(yōu)良熱穩(wěn)定性和耐輻射性。 ②具有適于高頻、高速開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。 ③可制成禁帶寬度、點(diǎn)陣常數(shù)、遷移率等連續(xù)變化半導(dǎo)體材料。 應(yīng)用：在

34、這類化合物中（GaAs、AlSb、GaSb、InAs），曾發(fā)現(xiàn)有明顯的光電效應(yīng)。如 GaAs和 InAs主要應(yīng)用在太陽能電池中；InAs還是一種光電導(dǎo)、光電磁或 p－n結(jié)伏特效應(yīng)的近紅外探測(cè)器的良好材料；InSb的禁帶寬度較小，是制造紅外線探測(cè)器和濾波器的良好材料。在新型半導(dǎo)體材料中，Ⅲ－V族化合物有取代硅的趨勢(shì)。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,2.化合物半導(dǎo)體材料 (2)Ⅱ－VI族半導(dǎo)體 Ⅱ－N族化合物是由Ⅱ族元素（Z

35、n、Cd、Hg）和 VI族元素（O、S、Se、Te）相互作用而成的。 特點(diǎn):該類半導(dǎo)體材料具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，禁帶范圍較寬，發(fā)光色彩比較豐富。另外，它們的電導(dǎo)率變化范圍也很廣，而且隨溫度升高可以使禁帶寬度變小，從而使電子從價(jià)帶升到導(dǎo)帶。 應(yīng)用：此類化合物半導(dǎo)體材料在激光器、發(fā)光二極管、熒光管和場(chǎng)致發(fā)光器件等方面有廣闊的應(yīng)用前景。例如用可見光照射CdS可以激勵(lì)光電導(dǎo)特性；又如 CdTe薄膜能產(chǎn)生高達(dá) 100V的光電壓

36、，是一種良好的太陽能電池用半導(dǎo)體材料。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,2.化合物半導(dǎo)體材料 (3)IV－IV族化合物半導(dǎo)體 其中的代表是SiC 和Ge－Si合金。(4)多元化合物半導(dǎo)體 多元化合物半導(dǎo)體：大多數(shù)多元化合物半導(dǎo)體為固溶體，故也稱半導(dǎo)體固溶體。按照金屬固溶體稱為合金，非金屬固溶體稱為混晶的習(xí)慣，多元化合物半導(dǎo)體有時(shí)也被稱作混晶半導(dǎo)體。考慮到半導(dǎo)體中有些并不形成連續(xù)固溶體，故我們把兩種元素以上的化合物半

37、導(dǎo)體統(tǒng)稱為多元化合物半導(dǎo)體。①三元化合物半導(dǎo)體可用來制作激光器、制作紅色發(fā)光二極管。②四元化合物半導(dǎo)體制作優(yōu)質(zhì)器件和延長器件的使用壽命。,6.3 半導(dǎo)體材料的分類,2.化合物半導(dǎo)體材料 (5)薄膜半導(dǎo)體①同質(zhì)外延型，如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/ GaP；②異質(zhì)外延型，如 Si/A12O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；③超晶格薄膜，如 GaAs—GaAlAs（周期重復(fù)）/GaAs；④非晶薄

38、膜，如αSi/玻璃或金屬，αSi－αSi－αSi1-xGax/玻璃或金屬。 薄膜半導(dǎo)體獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它可以解決用體單晶難以解決或根本無法解決的問題，如： ①固溶體的偏析； ②提高半導(dǎo)體純度及晶體完整性； ③生長異質(zhì)結(jié)； ④生長特殊結(jié)構(gòu)； ⑤制造三維電路。,鍺、硅半導(dǎo)體,Ge、Si的物理性質(zhì),鍺、硅半導(dǎo)體,Ge、Si的晶體結(jié)構(gòu),鍺、硅半導(dǎo)體,Ge、Si的能帶結(jié)構(gòu),鍺、硅半導(dǎo)體,Ge、Si單晶中

39、的雜質(zhì),Ⅲ、Ⅳ族雜質(zhì)：受主或施主其它雜質(zhì)：復(fù)合中心或陷井，對(duì)導(dǎo)電性影響不大,鍺、硅半導(dǎo)體,Ge、Si單晶中的缺陷,位錯(cuò)：一方面，吸引其周圍點(diǎn)缺陷，增加少子壽命 一方面，晶格畸變?cè)龃螅馆d流子復(fù)合，少子壽命減小刃位錯(cuò)：懸掛鍵，受主能級(jí),位錯(cuò)密度與載流子壽命的關(guān)系,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體的一般性質(zhì),Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體的化學(xué)鍵和極性,Ⅲ、Ⅳ

40、族化合物半導(dǎo)體,GaAs半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,InSb半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,,,,,,,,GaP半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,GaAs中的雜質(zhì)和缺陷,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,施主： Se, S, Te取代As受主：Zn,Be,Mg,Cd,Hg取代Ga兩性雜質(zhì)：Si,Ge,Sn,Pb中性雜質(zhì)：B,Al,In,空位是重要的點(diǎn)缺陷,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體的一般性質(zhì),Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅱ、Ⅳ族

41、化合物半導(dǎo)體的一般性質(zhì),Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的晶體結(jié)構(gòu),Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的能帶結(jié)構(gòu),Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的雜質(zhì),Ⅱ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體,6.4 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,l.半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用(1)鍺單晶：適合制作高頻器件和低噪音器件；目前在激光和紅外技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。(2)硅單晶：具有高、中阻值的硅單晶主要用來制造整流二極管和可控硅整流器；只有中阻值的p型單晶硅主要用于集

42、成電路；硅的外延片則是制作各種晶體管的主要材料。(3)砷化鎵：適于制作高速集成電路、微波集成電路和光集成電路，在光電器件、固體微波器件。發(fā)光二極管及電子計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。GaAs可制作半絕緣材料。,6.4 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,2.半導(dǎo)體材料在光電子器件中的應(yīng)用(1)半導(dǎo)體太陽能電池材料 硅是重要的半導(dǎo)體太陽能電池材料，除此之外，其他許多半導(dǎo)體材料均可制作太陽能電池，但由于它們的禁帶寬度不同。吸收太陽光的能量也有所差異。

43、(2)半導(dǎo)體光電陰極材料 光照到半導(dǎo)體表面時(shí)，若光子能量較大，半導(dǎo)體表面的電子受到激發(fā)就可能逸出體外，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，利用這個(gè)原理做成的陰極稱之為光電陰極。有光電子發(fā)射的陰極，通過電場(chǎng)加速并配以熒光成像，即可制成光轉(zhuǎn)換器、微光管、光電倍增器、高靈敏電視攝像管、圖像增加器等。(3)半導(dǎo)體激光器材料 制作半導(dǎo)體激光器的材料很多，有短波也有長波；激發(fā)方式可以是電注式，也有電子束激勵(lì)及光激勵(lì)等；但它們必須具有直接躍遷型

44、的能帶結(jié)構(gòu)。,6.4 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,3.半導(dǎo)體材料在微波器件上的應(yīng)用 微波通訊技術(shù)中常用的半導(dǎo)體微波器件主要有場(chǎng)效應(yīng)晶體管、體效應(yīng)晶體管（GaAs）。硅雪崩二極管、電調(diào)變?nèi)荻O管、PIN二極管、GaAS變?nèi)莨芎突匦吾樀取?.半導(dǎo)體材料在電聲耦合器上的應(yīng)用 GaAs是制作電聲耦合器的優(yōu)良材料。它可用來作微波延遲線、濾波器、放大器等。 5.半導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用對(duì)制作傳感器用的材料有如下幾點(diǎn)要求：1）變換功

45、能（效果）大： 2）感應(yīng)范圍要廣； 3）靈敏度和精度要高； 4）穩(wěn)定性和再現(xiàn)性好； 5）體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長。 半導(dǎo)體材料是制造各類傳感器的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它的應(yīng)用為儀器的微型化、數(shù)字化、高精度化開辟了廣闊的前景。,4.5 硅基太陽能電池材料,太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當(dāng)中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研

46、究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅基太陽能電池和薄膜電池，這里主要講的硅基太陽能電池。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,1.硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：,圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。,4.5.

47、1 硅基太陽能電池原理,當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖：,圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑?/p>

48、五個(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而N型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。 當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)

49、體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。(如下圖所示）,4.5.1

50、 硅基太陽能電池原理,由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)(如圖 梳狀電極)，以增加入射光的面積?！　×硗夤璞砻娣浅９饬?，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左

51、右。將反射損失減小到5％甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池(通常是36個(gè))并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,2.硅太陽能電池的生產(chǎn)流程   通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。,習(xí)題,1. 簡述半導(dǎo)體材料的特性。3.用能帶理論闡述半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)特性。4.何謂光電