半导体器件电子学-Ch1

2。SiC半导体材料的特性 由四族Si原子和C原子组成的化合物半导体
SiC晶体结构:具有同质多型的特点
几种典型的晶体结构
• SiC和Si材料性质： • 六方结构SiC的解理面是（1100）（1120）(0001)
SiC的技术特性：
• 高硬度材料；莫氏硬度9.2-9.3， 金刚石10
缺点：SiC常规工艺很难处理，SiC的结构变数太大。
GaN体材料是最理想的。但目前还不能生长出大尺寸 的材料。 掺杂：n-GaN: Si，Ge，Sn（Selenium）
p-GaN：Mg，（1989）Zn，Be，Hg，C Basic Parameters :
Zinc Blende crystal structure
金刚石结构：
◆闪锌矿结构
◆纤锌矿结构
§1.2 新型宽带半导体材料的特性 1。GaN半导体材料的特性
由三族元素Ga和五族元素N，III-V族化合物半导体。 晶体结构分为: 闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶 纤锌矿结构(Wurtzite crystal structure )六角 GaN在1932年人工合成。 （参考书：Nitride Semiconductors and Device
X-Ray Detectors
• 制备X-ray探测器。
Conducting Windows for Solar Cells Optics Piezoelectronics Surface Acoustic Wave Generation Acousto-Optic Modulator Pyroelectricity：热电现象。 Negative Electron Affinity
Energy separation between M-L-valleys degeneracy 6 eV 300 K
Energy separation between Γ valley and A valleys 1.3 ~ 2.1 eV 300 K
Energy separation between A-valley degeneracy
一种结构：GaN发射极，SiC基极。导带带隙差几乎 为零，但价带有很大带隙差。提高发射区发射效率 。散热性能好。
Photo-Transistors：光电晶体管。 基区通过UV光照射后，产生光注入空穴。实现对集 电极电流的控制。
Thyristors：晶闸管 形成pnpn结构，实现电流的开关控制。
Memory Device：存储器器件是基于电荷存储。半导 体材料中带电载流子寿命依赖于电荷逃脱陷阱的激活 能。而带隙越宽，通过复合损失的电荷逃脱的可能性 就越小。GaN的存储器具有最高的读出效率。
立方晶第一布里渊区－－截角八面体
Wurtzite crystal structure
Energy gaps, Eg 3.47 eV
0K
3.39 eV
300 K
Energy gaps, Eg, dir 3.503 (2) eV 1.6 K;
photoluminescence, from excitonic gap adding the exciton
半导体器件电子学-Ch1
2020/7/31
《半导体器件电子学》课程大纲
第一章 现代半导体材料晶体结构和特性（10学时）
§1.1半导体的基本特性与常见半导体材料 §1.2 新型宽带半导体材料的特性 §1.3 Si材料的SOI结构特性 §1.4半导体材料的压电特性
第二章 载流子输运特性及非平衡态（14学时）
能带工程：由于可能通过选取不同比例的x，而改变混晶的
物理参数(禁带宽度， 折射率等)，这样人们可以根据光
学或电学的需要来调节配比x。
通过调节不同元素的组分，才能实现禁带宽度的变化。在光 电子、微电子方面有很重要的作用。
三、常见半导体的结构类型 ◆金刚石结构：Si、Ge ◆闪锌矿结构：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、 AlSb、CdTe ◆纤锌矿结构：GaN、AlN、SiC
SiC材料的优势：
3.44
eV 300K;
temperature dependence below 295 K given by:
Eg(T) - Eg(0) = - 5.08 x 10-4 T2/(996 - T), (T in K) .
Electron affinity 4.1 eV 300 K
Conduction band Energy separation between Γ valley and M-L valleys 1.1 ~ 1.9 eV 300 K
GaN器件的未来：
Optoelectronics : LED 1994年，Nakamura报道了商业化GaN基超亮度LED。在固 态照明SSL方面有着巨大的潜力。
Optoelectronics : LD 通过GaAlN组成异质结，制备出边发光LDs。（Edgeemitting）.只有Nichia制备出CW 20C下， 工作1000aN器件的未来： Electronics： GaN带隙宽，使之最适合高温应用的半导体材料。高
迁移率有利于高频应用。
多数为二维器件应用。
Bipolar Transistors： HBT（Heterojunction Bipolar Transistor) 由于电流横向流动，功率消耗很小。
• 耐磨材料：金刚石10，SiC 9.15
• 热稳定性：常压下不可能熔化，高温下，SiC升华 分解为C和硅蒸汽，残留下来的石墨以原晶体的赝 形存在。
• 化学性质：SiC表面生产SiO2层能防止SiC的进一步 氧化。在高于1700℃温度下SiO2熔化并迅速发生氧 化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质，如熔融的 Na2O2，或Na2CO3-KNO3混合物。在300℃下可溶于 NaOH+KOH。
Effective conduction band density of states ： 1.2 x 1018 cm-3 300K Valence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.02eV 300K
Effective valence band density of states 4.1 x 1019 cm-3 300K
Energy of crystal-field splitting Ecr 0.04 eV300 K Energy of crystal-field splitting Ecr 22(2) meV 300 K;
calculated from the values of energy gap Eg,dir (given above) Effective valence band density of states 4.6 x 1019 cm-3 300 K
GaN材料的外延生长： 其结构取决于使用的衬底类型
六角晶体衬底长出纤锌矿结构 立方晶体衬底长出闪锌矿结构 目前常用的衬底：sapphire Al2O3，蓝宝石 缺点：晶体结构不好，与氮化物的热匹配不好 优点: 来源广，六角结构，容易处理，高温稳定。 由于热匹配不好，缓冲层要厚。
SiC作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。
Effective conduction band density of states 2.3 x 1018 cm-3 300 K
Valence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.008 eV 300 K Energy of spin-orbital splitting Eso 11(+5,-2) meV 300 K;
Hadis Morkoc）
III族的氮化物有三种晶体结构：
闪锌矿结构、纤锌矿结构、盐石岩结构（NaCl） 对于AlN、GaN和InN，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤 锌矿结构。
GaN、InN通过薄膜外延生长在立方晶的（110）晶面上，如Si ，MgO，GaAs，才能生长出闪锌矿结构。
纤锌矿结构六角的，有两个晶格常数c和a，是复式格子 。沿c轴方向移动5/8c形成。 闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶 单胞中含有4个基元（4个III族原子和4个V族原子） 复式格子。
UV Detectors GaAlN/GaN异质结探测器其波段覆盖太阳盲区，是理想的 紫外探测器材料。
"太阳光谱盲区"是指波长在220～280纳米的紫外波 段，这一术语来自下列事实:太阳辐射(紫外辐射 的主要来源)的这一波段的光波几乎被地球的臭氧 层所吸收，所以"太阳光谱盲区"的紫外辐射变得 很微弱。这样，由于空域内太阳光等紫外辐射的 能量极其有限，如果出现导弹羽烟的"太阳光谱 盲区"紫外辐射，那么就能在微弱的背景下探测 出导弹。
Ⅱ-Ⅵ 族化合物（AIIBVI） Ⅱ－Ⅵ：Zn，Cd，Hg —— S，Se，Te ZnO、ZnS、TeCdHg等
Ⅵ-Ⅵ 化合物（AIVBiV） SiGe、SiC。
混合晶体构成的半导体材料 ◆两种族化合物按一比例组成，如 xAⅢCⅤ+(1-x)BⅢCⅤ，
xAⅡCⅥ+(1-x)BⅡCⅥ，SixGe1-x，
1 eV300 K also The energy separations between the Γ9 state and the two Γ7 states can be calculated from the energy separations of the A-, B-, C-excitons.
第三章 半导体结特性的电子学分析（6学时）
§3.1 PN结的模型 §3.2求解空间电荷区的近似解析模型
第一章 现代半导体材料晶体结构和特性