IIV 族半导体纳米晶体材料PPT课件
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件
化合物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
半导体器件的基础知识幻灯片PPT
将而要施主出杂现质电因子失数去一大个于价空电穴子数成为或正空离穴子数。大而在于这电种子半数导。体 把 数中目载多流的子载主流要子是称自多数由 载电流子子，，自数由目电少子的带载负流子电 称荷少 数〔载Ne流ga子tiv。e〕是，自故由命电名为子N为型多半数导体还。是于空是穴用为这样多的数示，意取图 决 于表掺示。杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
第二讲纳米材料及其应用PPT课件
宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽，表明它们对可
见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同， 而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都 呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳 米粒子的反射率为l%，金纳米粒子的反射率小于 10％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子 变黑。
纳米氮化硅、SiC及A12O3粉对红外有一个宽频 带强吸收谱。这是由于纳米粒子大的比表面导致了 平均配位数下降，不饱和键和悬键增多。
例：
• 常规 A12O3 烧结温度在2073—2l73K，在一定条 件下纳米A12O3 ，可在1423K至1773K烧结，致密 度可达99．7％。 • 常规Si3N4烧结温度高于2272K，纳米氮化硅烧 结温度降低673-773K。
• 纳米TiO2在773K时加热，呈现出明显的致密 化，而晶粒仅有微小的增加，致使纳米微粒 TiO2在比大晶粒样品低873K的温度下烧结就能 达到类似的硬度。
I
2434NV2 nn1122
n22 n22
I0
乳光强度与入射光的波长的四次方成反比。
故入射光的波长愈短，散射愈强。例如照射在溶
胶上的是白光，则其中蓝光与紫光的散射较强。
故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色，
而透射光呈现橙红色。
光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与 此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子 与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的 差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒 的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有 同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现为以下几方面。
纳米材料PPT课件
微生物合成
利用微生物作为生物反应器，通过发酵或培养微生物来制备纳米材料。该方法 具有高产量、环保等优点，但需要选择合适的微生物种类和生长条件。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
高效电池
01
利用纳米材料提高电池的能量密度和充电速度，延长电池寿命。
太阳能电池
02
通过纳米结构设计提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本。
纳米材料分类
01
02
03
按组成分类
根据组成元素的种类，纳 米材料可分为金属、非金 属和复合材料等类型。
按维度分类
根据在纳米尺度上的维度 数，纳米材料可分为零维 （0D）、一维（1D）和 二维（2D）纳米材料。
按应用领域分类
根据应用领域，纳米材料 可分为电子、能源、环境、 生物医学等领域所需的特 定功能材料。
微乳液法
利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成微乳液，然后在微乳液中加入反应物 进行化学反应，最终得到纳米材料。该方法可制备出粒径均匀、形貌可控的纳米材料，但 制备过程较为复杂。
生物法
生物分子自组装
利用生物分子间的相互作用，如氢键、离子键等，将生物分子组装成纳米结构。 该方法具有条件温和、环保等优点，但制备过程较慢且产量较低。
燃料电池
03
利用纳米材料改善燃料电池的氧电极反应性能，提高燃料电池
的效率和稳定性。
医学领域
药物传输
利用纳米材料作为药物载体，实现药物的定向传输和精确释放。
医学成像
利用纳米材料提高医学成像的分辨率和对比度，为疾病诊断提供 更准确的信息。
生物检测
利用纳米材料的高灵敏度特性，实现生物分子的快速、高灵敏度 检测。
化学法
利用微生物作为生物反应器，通过发酵或培养微生物来制备纳米材料。该方法 具有高产量、环保等优点，但需要选择合适的微生物种类和生长条件。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
高效电池
01
利用纳米材料提高电池的能量密度和充电速度，延长电池寿命。
太阳能电池
02
通过纳米结构设计提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本。
纳米材料分类
01
02
03
按组成分类
根据组成元素的种类，纳 米材料可分为金属、非金 属和复合材料等类型。
按维度分类
根据在纳米尺度上的维度 数，纳米材料可分为零维 （0D）、一维（1D）和 二维（2D）纳米材料。
按应用领域分类
根据应用领域，纳米材料 可分为电子、能源、环境、 生物医学等领域所需的特 定功能材料。
微乳液法
利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成微乳液，然后在微乳液中加入反应物 进行化学反应，最终得到纳米材料。该方法可制备出粒径均匀、形貌可控的纳米材料，但 制备过程较为复杂。
生物法
生物分子自组装
利用生物分子间的相互作用，如氢键、离子键等，将生物分子组装成纳米结构。 该方法具有条件温和、环保等优点，但制备过程较慢且产量较低。
燃料电池
03
利用纳米材料改善燃料电池的氧电极反应性能，提高燃料电池
的效率和稳定性。
医学领域
药物传输
利用纳米材料作为药物载体，实现药物的定向传输和精确释放。
医学成像
利用纳米材料提高医学成像的分辨率和对比度，为疾病诊断提供 更准确的信息。
生物检测
利用纳米材料的高灵敏度特性，实现生物分子的快速、高灵敏度 检测。
化学法
纳米材料的结构与性质PPT幻灯片
13
(2)表面原子数的增加 随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧提 高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数急剧下降。
表面原子数占全部原子 数的比例和粒径之间的 关系
14
(3)表面能 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说
增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸 引力而对体系做功。
11
(1)比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。
质量比表面积、体积比表面积 当颗粒细化时，粒子逐渐减小，总表面积急剧增大，
比表面积相应的也急剧加大。
12
如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
第二章 纳米材料的结构与性能
2.1 纳米材料的分类及特性 2.2 纳米微粒的物理特性 2.3 纳米碳材料 2.4 纳米晶体材料 2.5 纳米复合材料
1
2.1 纳米材料的分类及特性
纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度
范围内或由纳米基本单元构成的材料。
一、纳米材料的分类 按结构(维度）分为4类： （1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米
尺度—纳米颗粒、原子团簇等。 （2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米
尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。 （3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳
米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。 （4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块
体 2
按组成分类 纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳 米高分子、纳米复合材料 按应用分类 纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用 材料、纳米敏感材料、纳米储能材料 按材料物性分类 纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光 学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电 材料
(2)表面原子数的增加 随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧提 高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数急剧下降。
表面原子数占全部原子 数的比例和粒径之间的 关系
14
(3)表面能 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说
增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸 引力而对体系做功。
11
(1)比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。
质量比表面积、体积比表面积 当颗粒细化时，粒子逐渐减小，总表面积急剧增大，
比表面积相应的也急剧加大。
12
如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
第二章 纳米材料的结构与性能
2.1 纳米材料的分类及特性 2.2 纳米微粒的物理特性 2.3 纳米碳材料 2.4 纳米晶体材料 2.5 纳米复合材料
1
2.1 纳米材料的分类及特性
纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度
范围内或由纳米基本单元构成的材料。
一、纳米材料的分类 按结构(维度）分为4类： （1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米
尺度—纳米颗粒、原子团簇等。 （2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米
尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。 （3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳
米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。 （4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块
体 2
按组成分类 纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳 米高分子、纳米复合材料 按应用分类 纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用 材料、纳米敏感材料、纳米储能材料 按材料物性分类 纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光 学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电 材料
II-V 族半导体纳米晶体材料
被Gaponik
等人进一步发展, 他们采用改 进的方法合成了CdTe, HgTe 及具有核壳结 构的量子点纳米晶体.截至到目前, 这种方 法已经合成了CdS,CdSe, CdTe, 与HgTe等 纳米晶体. 虽然这种方法能够较大批量的合 成量子点, 但反应温度低, 产物结晶差, 得到的量子点发光效率较低, 因此采用高沸 点有机溶剂的热注入方法在1990 年应运而 生.
最近的研究结果表明Cd3P2
纳米晶的带隙发 光机制主要来自于晶体内部浅层的“暗电子 态”, 通过表面修饰, 表面诱捕非辐射跃 迁受到抑制, 以此可以提高Cd3P2 纳米晶的 带隙发光.
合成方法
最早报道II-V
半导体纳米晶合成的是1960 年Haacke 采用镉与红磷在维克瓶中合成得 到, 反应温度500°C. 此后, Henglein 与 Weller 等人将II-V纳米晶体的合成引入到 水体系, 在含有保护剂的碱性溶剂中通入 PH3, H3As 及H2S, Cd 源为高氯酸镉水溶液, 保护剂是六甲基偏磷酸.
禁阻辐射：所谓禁阻就是指电子跃迁时跃迁
前后的轨道空间分布有较大差异，往往是位 置上不重合，造成虽然跃迁所需的能量并不 高，但跃迁的概率仍然很低，体现在紫外吸 收上就是本来吸收的波数较低，所需的能量 较小，跃迁应该更容易些，但实际上吸光度 反而很小。
小组成员： 徐映嵩、王哲飞、任会权
II-V 族半导体是由第二副族元素(Zn, Cd) 与第五主族元素(N, P, As 等)形成的化合物. II-V 半导体纳米晶体(亦称量子点)具有禁带 窄、Bohr 半径大、电子有效质量小、通过 改变量子点尺寸, 能够实现宽波段发光, 较IIVI 材料, 其具有更多的共价键成分, 性质稳 定等优点, 是应用于太阳能电池、生物标记 及LED 的理想材料.
半导体的基本知识讲义PPT讲稿
2020/7/15
20
• 施主和受主杂质均称为替位式杂质。
• 但事实上，一块半导体中常常同时含有施主和
受主杂质，当施主数量超过受主时，半导体就 是N型的，反之，受主数量超过施主时则是P 型的。
• 一般在N型单晶的生产中，通常以掺磷为主，
在P型单晶中以掺硼为主，目前太阳能单晶的 生产中，以掺硼的P型为主。
• 绝缘体——凡不能导电的物质均为绝缘体，
生活中常有的物质有橡胶，塑料，木材， 玻璃，陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它 们的电阻率在10*E9欧姆半导体——在导体和绝缘体之间还有一种被称
为半导体的物质。主要有硅、锗、砷化镓、锑 化锢、磷化镓、磷化锢等。其中硅和锗为单一 元素的半导体，而砷化镓等为化合物半导体。
迹象。 2020/7/15
15
晶向
• 晶体中由位于同一平面的原子所组成的平
面称为晶面，晶格中每一个平行排列的直 线方向称为晶向（见下图）。
2020/7/15
16
<100>晶面
<100>晶向
2020/7/15
17
• 单晶生长按生长方向主要有两种，即
<111>和<100>，目前在太阳能单晶的 生产中，基本上都是采用拉<100>方向的， 其特征为表面有四根对称的棱线。
• 硅的比重为2.33克/立方厘米
• 本征——指半导体本身的性质以区别于
外来掺杂的影响，而完全靠半导体本身
提供载流子的状况，理论上本征半导体
是纯净的，事实上在未掺杂的半导体中，
2020/7/15
8
• 有两种载流子参加导电——在半导体中，参与
导电的载流子有两种，即“电子”与“空穴”， 而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为 主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
二维材料-ppt课件
24
现状
在2013年底，宁波墨西科技有 限公司和重庆墨希科技有限公司 先后建成年产300吨石墨烯生产 线和年产100万平米的生产能力 的石墨烯薄膜生产线，并将石墨 烯的制造成本从每克5000元降 至每克3元（300万/吨）。
今年年初，浙大教授高超成 功研发了一种新型、廉价、无毒 的铁系氧化剂，使石墨烯制备过 程快、成本低、无污染，适用于 工业化大规模制备。《自然—通 讯》审稿人对该技术的评价是 “该方法对石墨烯未来的进一步 应用具有重要意义。””
14
国内国际最新进展应用前景
国内
大连化物所发表二维 材料催化研究
深研院新材料学院用 二维材料实现了高性 能钠电池 （Fe3(PO4)2•8H2O）
宁波材料所合成出前 过渡族金属碳化物二 维纳米晶体材料
国际
等离子体在二维材料上 有新举动 二维超导材料上观察到 磁激发态（二硒化铌晶体） 世界上最黑的材料，可 以用喷枪进行喷涂，这种 名叫Vantablack S-VIS 的材料能够吸收99.8%的 光线
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
21
22
锡烯，
超高导电效率石墨烯。Fra bibliotek单原子层厚
度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、
比铜导电性好
过渡金属二硫族化合物（TMDC）
与石墨烯相当的透明度和柔性
单层二硫化钼（MoS2）晶体管
有效吸收光，有效发射光，在太阳能电
池和光电探测器
23
评估这些材料的应用潜力至少还需要20年 二维材料面对的一个主要问题，是如何 廉 价地生产均一、无缺陷的二维薄层。胶带 法适用于制备层状TMDC和磷烯，但太耗 时以至于无法用于大规模制备。黑磷块状 材料的制备也很昂贵，因为需要将自然存 在的白磷放在超高压力中。目前还没有人 较为完美地从零开始生长单层二维材料， 更不必说物理学家认为有前途的分层结构 了。
现状
在2013年底，宁波墨西科技有 限公司和重庆墨希科技有限公司 先后建成年产300吨石墨烯生产 线和年产100万平米的生产能力 的石墨烯薄膜生产线，并将石墨 烯的制造成本从每克5000元降 至每克3元（300万/吨）。
今年年初，浙大教授高超成 功研发了一种新型、廉价、无毒 的铁系氧化剂，使石墨烯制备过 程快、成本低、无污染，适用于 工业化大规模制备。《自然—通 讯》审稿人对该技术的评价是 “该方法对石墨烯未来的进一步 应用具有重要意义。””
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国内国际最新进展应用前景
国内
大连化物所发表二维 材料催化研究
深研院新材料学院用 二维材料实现了高性 能钠电池 （Fe3(PO4)2•8H2O）
宁波材料所合成出前 过渡族金属碳化物二 维纳米晶体材料
国际
等离子体在二维材料上 有新举动 二维超导材料上观察到 磁激发态（二硒化铌晶体） 世界上最黑的材料，可 以用喷枪进行喷涂，这种 名叫Vantablack S-VIS 的材料能够吸收99.8%的 光线
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
21
22
锡烯，
超高导电效率石墨烯。Fra bibliotek单原子层厚
度的碳薄片柔韧、透明，比钢铁强度高、
比铜导电性好
过渡金属二硫族化合物（TMDC）
与石墨烯相当的透明度和柔性
单层二硫化钼（MoS2）晶体管
有效吸收光，有效发射光，在太阳能电
池和光电探测器
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评估这些材料的应用潜力至少还需要20年 二维材料面对的一个主要问题，是如何 廉 价地生产均一、无缺陷的二维薄层。胶带 法适用于制备层状TMDC和磷烯，但太耗 时以至于无法用于大规模制备。黑磷块状 材料的制备也很昂贵，因为需要将自然存 在的白磷放在超高压力中。目前还没有人 较为完美地从零开始生长单层二维材料， 更不必说物理学家认为有前途的分层结构 了。
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II-V 族纳米晶体的光学性质
当半导体从外界吸收能量(光、电、高能粒子), 价 带的电子将被激发至导带, 这一过程叫做吸收(Abs).被 激发到导带的电子为非平衡态载流子, 它们可能自发地 或受激地从激发态跃迁到基态, 恢复到平衡态, 并将吸 收的能量以光的形式辐射出来, 这一过程叫做发射(PL). 然而量子点的尺寸、化学计量比及颗粒尺寸的分布状态 都将影响到其光吸收性能. 正如前面所介绍的, 由于量 子尺寸效应, 随着量子点的尺寸的减小, 量子点吸收峰 蓝移. 蓝移原因在于量子点的载流子的动态与其谐振能 量的增加而致. 当量子点尺寸小于1 nm 时, 量子点的吸 收光谱接近于单分子吸收特征, 常常会在吸收谱中发现 窄的强吸收峰,在这种情况下, 通常称该类量子点为 “魔法团簇”(magic-sized clusters)即分子团簇.
最近的研究结果表明Cd3P2 纳米晶的带隙发 光机制主要来自于晶体内部浅层的“暗电子 态”, 通过表面修饰, 表面诱捕非辐射跃 迁受到抑制, 以此可以提高Cd3P2 纳米晶的 带隙发光.
II-V 族半导体纳米晶的合成
合成方法 最早报道II-V 半导体纳米晶合成的是1960
年Haacke 采用镉与红磷在维克瓶中合成得 到, 反应温度500°C. 此后, Henglein 与 Weller 等人将II-V纳米晶体的合成引入到 水体系, 在含有保护剂的碱性溶剂中通入 PH3, H3As 及H2S, Cd 源为高氯酸镉水溶液, 保护剂是六甲基偏磷酸.
右图给出 半导体能 带结构随晶体颗粒尺寸的变化示意图. 一般来
说, 当半导体晶体的颗粒尺寸减小至1~20 nm 时, 即: 半导体纳米晶体的尺寸比其材料的 Bohr 半径小或者与Bohr半径相当, 半导体将 表现出量子尺寸效应, 其最突出的特性是随着 尺寸的变化其光学性质发生渐变, 人们可以通 过改变量子点的尺寸, 实现在从紫外到红外区 域内的发光波长的调控(400~2000 nm). 半导 体NCs 的主要特性原因来自于纳米晶体的尺寸 效应、介电限域效应和表面效应。（接下页）
II-V 族半导体纳米晶体材料
小组成员： 徐映嵩、王哲飞、任会权
简介
II-V 族半导体是由第二副族元素(Zn, Cd) 与第五主族元素(N, P, As 等)形成的化合物. II-V 半导体纳米晶体(亦称量子点)具有禁带 窄、Bohr 半径大、电子有效质量小、通过 改变量子点尺寸, 能够实现宽波段发光, 较IIVI 材料, 其具有更多的共价键成分, 性质稳 定等优点, 是应用于太阳能电池、生物标记 及LED 的理想材料.
Байду номын сангаас
每个纳米晶体大约有几百到上千的原子组成, 其中表面原子占的比例很大, 当载流子被限 制在一个小于其德布罗意波长, 或者小于2 倍Bohr 半径的势垒区域内, 量子限域效应 表现的尤为突出（此图右侧）给出了带有配 体的胶体纳米晶的示意图.
Fojtik 于1982 年, 首先将具有明显量子效 应的材料称之为量子点材料(Q-material), 也就是我们通常称之为的量子点, 化学家则 称之为超分子材料, 或者人造超分子. 由于 量子点具有可调的光学性质, 这类材料已经 被广泛应用于荧光材料、生物标记、光致发 光与电致发光器件、太阳能电池材料、及光 学元器件等领域. 迄今, 有关II-VI, III-V, 与IV-VI 族半导体纳米晶的合成有很多, 代 表性有CdSe, CdTe, CdS, InP, InAs,PbS, PbSe, 及PbTe（Se硒、Cd镉、Te碲、Pb铅）
光致发光性质
光致发光由于激子辐射而得到的, 激子的 形成是由于外来光子激发而致. 根据激子路径, 光致发光可以分为两类, 即: 荧光与磷光发光。
当入射光的能量(hve)大于或等于半导体量
子点的带隙时, 入射光子则被吸收, 在半导体 材料内部形成激子, 由于激子不稳定, 则会通 过能量耗散的方式漂移至激发态的低能级, 待 一定的时间后, 处于激发态中的激子会回迁至 基态能级, 这样就伴随向外发光的结果, 相比 较于激发光, 该辐射能量要小, 因此在绝大多 数情况下,光致发光的波长要大于入射波长. 这种辐射被称之为荧光辐射.
的尺寸大小.
图(a)给出Xie 等人采用热注射法得到的 Cd3P2量子点在紫外灯下照射所表现出从蓝色 (460 nm)到红外(1500 nm)发光的样品,图 (b)是尺寸在1～10 nm 的所对应的荧光光 谱图(PL)。
荧光量子寿命测定
虽然已有研究从表面化学和配体角度来考察 II-V 量子点的荧光过程中载流子动力学的 有关问题,但无论对于哪一种II-V 量子点 仍没有定论. 但在研究中利用时间关联单光 子计数法测定了Cd3P2.
磷光辐射与荧光辐射的机制相同, 但在某些 条件下，之所以被称之为磷光. 是由于量子 点辐射能量随带隙的变化而变化, 因此可以 通过控制量子点大小, 得到不同带隙的量子 点, 从而可实现不同波段的发光. 由于禁阻 辐射等原因, 辐射光波长有的很长。
最好的例子是不同尺寸的Cd3P2纳米晶体所表 现出不同的发光颜色. 在热注射法合成Cd3P2 量子点过程中, 可以通过控制反应温度、生 长时间、及保护剂等方法调节Cd3P2 量子点
序言
半导体纳米晶体(nanocrystals, 简称 NCs), 也称之为胶体纳米晶体 (colloidalnanocrystals)或量子点 (quantum dots, 简称QDs), 是一种介于分 子与块体材料的亚稳态晶体, 它的电子结构 不同于分子的离散能级, 也不同于体材料的 连续能带结构, 而是介于两者之间的特殊的 能带结构.
II–V 族半导体材料因具有更多的共价键成分, 在使用中表现出很好的稳定性. 虽然已有 Cd3P2与Cd3As2半导体纳米体的合成报道, 但有 关II–V 族半导体纳米晶的研究尚未取得理想 的结果.但由于其优良特性，仍有人研究， 现就已发现的成果向大家做一定的展示。望 大家对其进行一定的深入研究。