半导体物理与材料

E1
允带
Ec
E(K)Energy
E2
禁带
简化为 电 子
能 量
Eg
E3
K
Ev
Eg EC EV
Einstein光电效应实验。我们简单回顾一下。这个实验引入了重 要的一个关系。图1-5c 中的直线的斜率是h/q。因此h可以通过这个实 验测得。Y轴的截止电压由金属的功函数（work function）W决定。 光子（photon）的能量为E=hν，只有当入射光的能量大于W时，才 使电子从金属表面逸出，并产生光电流。
世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的 GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低位错密 度生长的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。
InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快； 但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技 术尚未完全突破，价格居高不下。
半导体电导率的特征：
1、 变化范围很宽； 2、 随温度上升明显； 3、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载
流子浓度剧增），电导率急剧增加）； 4、 波长合适的光照射，光激发会使载流子浓
度和电导率增加（这实际上就是半导体的光 电导现象）。
➢ 除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外， 许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效 应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pn结、 金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触 (即异质结)等由界面所表现出来的结特性以及电场 对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特 性。
The band gap of the most commonly used semiconductors is of order 1eV,for Si,Eg=1.1eV.
半满带
导带
导带
满带
金属
价带
半导体 能g很大（比如碳5 eV），导带中有很少的电子，因为任何粒子 在室温的能量是kT的量级,即大约0.025 eV，因此很少有电子能够受到激 发而穿过禁带。碳的金刚石结构在很多情况下是绝缘的。而硅的禁带宽 度小于1.1 eV，导带中将有很多电子，自由电子的浓度以Eg/2kT的幂级数 变化。在绝缘体中，导带几乎是空的；而在金属中，导带由部分电子占 据，因而自由电子移动可以导电。
硅中掺入杂质磷，并使磷原子在纯硅中的浓度达到2 1016 cm3
时，硅在室下的电导率可相应增加到 102 S / cm 左右，即 比纯硅的电导率增加5个数量级。硅的原子数密度 为 51022cm3 ，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分 之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺 入半导体的杂质总量可以正确控制，因此利用这一特点 可在很宽的范围内改变半导体的电导率，甚至改变电传 导的类型，使负载流子传导变为正载流子传导(或相反)。
1.2.1 能带（Energy Bands）
目前尽管出现了新材料和新技术，但是半导体材 料主要仍然是Si,占80%。
为什么硅应用如此广泛？ 1）就是因为它是周期表中第Ⅳ族元素，而且是半导体； 2）它的电阻率（resistivity）可以通过掺杂来控制； 3）可以形成pn结， 4）可以在一片晶片（wafer）上制作大量的器件，而且
➢ 这些特性是一些半导体器件较以工作的基础， 也是本课程介绍的重点之一。
半导体材料的种类：
半导体材料在元素周期表中位于周期表 （Periodic Table）第Ⅳ族（ Ⅳ column or family） 及其邻近的族。
按照组成分类
无机半导体
按结构分类 按功能分类
按照研究及应用时代分类 目前主要材料仍然是Si,占80%。
III-V族超晶格、量子阱材料：
GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等GaAs、InP基 晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功 地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。
宽带隙半导体材料：
宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、III族氮化物 （2014年诺贝尔物理奖）、碳化硅、立方氮化硼以及IIVI族硫、锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特 别是SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、 高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研 制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电 路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采 以及国防等方面有着广泛的应用前景。
1994年日本NTT 就研制成功沟道长度为30nm 纳米单 电子晶体管,并在150K观察到栅控源-漏电流振荡。 1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件。 1998年Yauo等人采用0.25mm工艺技术实现了128Mb 的单电子存储器原型样机的制造，这是单电子器件在 高密度存储电路的应用方面迈出的关键一步。
23等材料和金刚石薄膜等材料因具有高热导率因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
半导体物理与材料、器件 概论
西安交大理学院 王红理
主要内容
第一章 概论 第二章 材料特性和基本的PN结关系
第三章 PN结二极管 第四章 双极晶体管
第五章 结型、金属-氧化物-半导体场效应晶体管
作业占20%，考试占80%
主要参考书
刘恩科：半导体物理学 叶良修：半导体物理学 曾树荣：半导体器件与物理基础 施敏： 半导体器件与物理 忻贤堃：半导体物理与器件
GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010
英国《自然》杂志报告说，美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓 晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优 良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。
成本低 ； 5）带隙Eg合适，比Ge性能优越。
氢原子模型：
20世纪处，丹麦物理学家Niels Bohr，为了解释所观察到的 线状光谱时，提出了氢原子模型。在这个模型中，他假设围绕 氢原子核的电子的轨道只能有固定的轨道数，r1、r2、r3。
每个轨道对应一个特定的能级，E1、E2、E3，
E1
En
m0q4
第一章 概论
1.1 半导体材料与器件的发展历史
➢
《半导体物理》与《半导体物理与器件》是半导体物理、微电子
专业最重要的两门课。
➢
本课程需要《固体物理》、《半导体物理》、《量子力学》的基
础知识。
➢
人类已经进入21世纪，这是社会高度信息化的世纪。计算机网络
和通信技术的进步是信息化发展的标志.今天，无论何时何地，人们都
硅基应变异质结构材料：
GeSi/Si应变层超晶格材料, 因其在新一代移动通信上的 重要应用前景， 而成为目前硅基材料研究的主流。 Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达200GHz，噪音 在10GHz下为0.9dB，其性能可与GaAs器件相媲美。
一维量子线、零维量子点：
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应以及非线性光学 效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型 半导体材料，是新一代量子器件的基础。
在半导体器件中，最重要的不是把电子移走，而是使电子从里面的 能带跃迁到最外面部分填充的能带。因此最重要的参数是带隙Eg，它主 宰着半导体的性质。决定Eg的有室温电导率和光响应的截止波长（very important for Photoelector diodes），只有光的能量大于Eg，才能将电 子激发到导带。
微电子学的主体是在以晶体管、二极管为单元的各种半导体器件的基 础上构成的集成电路。
光电子学是在半导体和电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门高 技术学科，主体是半导体光电子学。
半导体器件和材料的理论的发展主要依赖于量子力学的进展。从Plan ck的黑体辐射定律开始的1900年，1906年Einstein的光电效应理论 （使普朗克常数可以测量），紧接着是Rutherford 和Bohr的原子理 论，1924年De Broglie 的波粒二相性概念，1926年的Schrǒdinger 的波动方程，1927年Heisenburg 的不确定原则，Pauli不相容原理， 当然还有Fermi和Dirac的工作。 量子力学、固体物理就是解决能带、 能级的问题。
1920年 1940年 1960年 1980年
半导体 激光器 发明
2010年
第一个点接触式的Ge晶体管 (transistor) 获1956年诺贝尔物理奖
1.2 什么是半导体？ 从导电性划分 固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体材料的电导率介于金属与绝缘体之间，并 且在很宽的范围内可以变化，并且具有负的电阻 温度系数，这正是半导体材料的优点，是广泛应 用的基础。
1960
1963年砷化镓 微波振荡效应
1970
1965年 J.B.Mullin发明氧 化硼液封直拉法砷 化镓单晶
主要半导体材料的发展现状：
Si单晶:
增大直拉硅单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。 8英寸，12英寸已实现大规模生产，18英寸也进入生产，27 英寸正在研制中。
GaAs和 InP单晶：
8 02 h2 n2
, rn
0n2h2 q2 m0
, (n
1, 2,3...)
E2
E3
如果电子从一个大轨道到另一个小轨道上，原子的能量就从大 变小，以光子的形式释放出。
实际电子的轨道比这个模型复杂得多。但是吸收和辐射光谱的 主要特点都可以用这个简单的模型来解释。
我们关心的不是一个原子，而是形成固体半导体的原子群。 在晶体固体中，能量轨道的氢原子模型被修改为：取代一系列分立 的（discrete）能级（energy level）的是一系列能带（energy bands），能带之间是能隙Eg（energy gap）(禁带宽度)。Ec称为导 带,Ev称为价带。
108 106 102 102 106 1010 1014 1018 1022 : S / cm
金属 半导体
绝缘体
各种材料的电导率
: S / cm
100
300
1000 T(K)
锗和铜的电导率随温度的变化
电导率随掺杂的变化：
纯硅的电导率很低，室温时的载流子浓度约
为 103 S / cm ，电导率约为 21010 cm3 。若在这种纯
GaN,AlN,InN
Ⅳ-Ⅵ族
GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTe
Ⅴ-Ⅵ族
AsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3
金属氧化物
CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO
合金半导体 非晶态半导体
有机半导体
半导体材料制备技术发展史：
1950
1960
硅外延技术
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 半导体激光器
砷化镓是一种感光性能比当前广泛使用的硅更优良的材料，理论上它可 将接收到的阳光的40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，因此卫星和太 空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板的材料。然而，传统的砷化镓晶 片制造技术每次只能生成一层晶片，成本居高不下，限制了砷化镓的广泛 应用。
美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发出的新技术可以生 成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离 出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可 以像“盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技术进 行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电池板。
元素半导体
Ⅱ族：Zn,Cd Ⅲ族：B,Al,Ga,In
元素半导体 Ⅳ族：C,Si,Ge,Sn Ⅴ族：P,As,Sb
Ⅵ族：N,S,Se,Te
化合物半导体
化合物半导体
Ⅳ-Ⅳ族
SiC
Ⅲ-Ⅴ族 InP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAs
Ⅱ-Ⅵ族
CdS、CdTe、CdSe、ZnS
Ⅲ-Ⅵ族
可以高速交换信息，使区域性很强的政治、经济、文化国际化。
➢
但是，如果没有以晶体管为基础的微电子学的发展就谈不上个人
计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的光电子
学的发展就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技术。
本课程介绍半导体物理、微电子学和光电子学领域主要半导体材料和
器件的基本原理。
1994年俄德联合小组首先研制成功InAs/GaAs量子点材料，1996年量 子点激光器室温连续输出功率达1W，阈值电流密度为290A/cm2，1998年 达1.5W。
2000年初，中科院半导体所研制成功室温双面CW输出3.62W、工作波 长为960nm左右的量子点激光器，为目前国际报道的最好结果之一。