1半导体材料

受半导体技术推动的信息时代的到来称之为第二次工 业革命的开始；

“谁掌握了半导体技术（微电子技术），谁就掌握了 主动权”
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1.1 绪论
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1.1.1 什么是半导体材料？

定义一： 依据材料导电能力的高低来区分导体、半导体、 绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的材 料定义为半导体。 导体：电阻率小于10－4cm； 绝缘体：电阻率大于1010 cm； 半导体：电阻率介于于10－4cm 到1010 cm
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半导体的导电能力还与某些外部条件有关。 相对金属和绝缘体，半导体的电阻率对光照、 磁场和电场等外部条件的敏感性要强得多。 金属的电阻率随着温度的升高而升高，而半 导体的电阻率基本上随着温度的升高而下降。 只在有效杂质浓度较高时的某一段温度区为 正数。 (T ) 0 T 在接近绝对零度的极低温下，金属电阻率普 遍会极度下降，有许多金属还会成为电阻率 无穷小的超导体；而半导体的电阻率则一般 会极度增大，达到绝缘体的水平。
半导体材料是现代社会文明的先导 是现代工业的基石


1946年电子管计算机与1976年微机的指标对比：由于 集成电路的采用，计算机体积缩小30万倍，功耗降低 了5万多倍，重量降低了6万倍，平均故障率和价格大 幅度的下降，计算机的普及率迅速提高； 半导体器件深入到日常生活和工业生产等各个领域。 世界人均晶体管占有量本世纪初已超过1亿只。有人把
第一章 半导体材料概述
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文明的发展速度






超过800代人生活在树林与洞穴的非人工住所。 只有120代人认识并使用过轮子。 约40代人使用过风车与水车。 约20代人认识并使用过钟表。 约10代人了解印刷术。 约5代人乘坐过轮船与火车旅游。 约4代人使用电灯。 约3代人乘坐汽车旅行，使用过电话与吸尘器。 约2代人乘飞机旅行，使用过无线电与冰箱。 只有当代人到过外太空，使用原子能、笔记本电脑。
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绝缘体

能带之间的禁带宽度非常大，或杂质的电离能较 高，通常情况下电阻率很高。

某些晶体由外层轨道分裂而成的能带是被电子填 满的满带，自然不能导电。
理想的绝缘材料：在其熔点以下的任何温度，只 要外加电压小于其击穿电压，就没有可察觉的电 流通过。
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半导体

Fra Baidu bibliotek
两个被禁带隔开的能带，各可容纳4N个电子。 绝对零度时，所有的共价电子正好填满能量较 低的一个能带，称此能带为价带；而能量较高 的能带在绝对零度时完全空着，但在非零温度 下会有少许电子，其定向运动能有效传递电流， 因而称此能带为导带。 在非零温度下，半导体的价带顶部附近有少量 电子被激发到导带底部。同时，价带因缺失了 这些电子出现少许空状态，即产生了可以导电 的荷正电的载流子空穴。

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主要半导体材料及其分类
无 晶 机 体 材 料
元 素半 导体
金刚 石 Ge Si -Sn Se …
化
III-V GaAs GaP GaSb GaN InAs InP InSb InN AlN … GaAsP InGaA s AlGaIn N … II-VI CdS CdSe CdTe ZnS ZnSe ZnTe HgS HgSe HgTe … TeCdH g ZnSeT e …
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能带理论
导体 导体 Eg 导体
半导体 绝缘体 Eg Eg
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导体三种能带情况
1、能带与能带之间有带隙存在，但是在任何温度下，价 电子都是占满能带的一部分，在这个能带中还有一部 分状态是空的； 2、一个能带完全被电子占满，但和下一个空能带之间恰 好能量连续没有能量间隔； 3、一个能带完全被电子占满，和另外一个空能带重合； 对于这3中情况从能级图上来看，是因为其共有 化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。在外电场的 作用下，大量共有化电子很易获得能量，形成电流。
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金属、半导体与绝缘体之间的界限并不绝对


半导体材料是一种电阻率易变，且变化范围很宽 的材料，具有电阻率的结构和组分敏感性 。 某些结构完整且不包含杂质，或杂质浓度极低的 高纯结晶态半导体，以及大多数未掺杂的非晶态 半导体，室温下也会具有跟绝缘体不相上下的高 电阻率； 当它们含有足够高浓度的某些特殊杂质时，其电 阻率又会下降到金属的电阻率范畴，甚至比某些 导电性欠佳的金属电阻率还低。 金刚石等宽禁带材料，不含杂质的高纯状态呈 高阻如绝缘体 ，在有效杂质浓度足够高时又呈低 阻如良导体。

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元素半导体
大约十几种，处于元素周期表中ⅢA— ⅦA族的金属与非金属的交界处，有人称为 半导体、半金属范围。 Ge、Si、Se、α -Sn、C、B、P、As、S、Sb、 Te、I等
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无机化合物半导体
据统计可能有四千多种，已发现的约有一 千多种，二千多种是预见性的。 III-V族化合物半导体 II-VI族化合物半导体 IV- IV族化合物半导体 IV-VI族化合物半导体 V-VI族化合物半导体
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二、 按照半导体形态分类
块状 薄膜 精细结构（纳米结构，超晶格结构）

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三、 按照禁带宽度分类
窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC， AlN

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四、按照特性和功能分类
微电子材料：集成电路、器件 光电子材料：激光器，探测器等 热电材料：半导体制冷器 微波材料：微波高频器件 敏感材料： 压敏、温敏、湿敏、气敏传感器

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半导体材料定义二
在绝对零度无任何导电能力；但其导电 性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照 等外部条件和材料的纯度与结构完整性等 内部条件十分敏感。
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1.1.2 半导体材料的分类
一、 按组分、结构分类
元素半导体 化合物半导体
结晶形半导体
无机半导体
无定形半导体
有机半导体
元素半导体 化合物半导体
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人类历史上90%的知识与物质财富创造于20世纪！

公元前8-9000年，新石器时代开始； 公元前3000年，青铜时代开始； 公元前1300-1400年，铁器时代开始。18世纪，蒸汽机；19世 纪，电动机发明。第一次工业革命； 20世纪初，半导体技术开始应用，20世纪中期半导体产业开始 形成，开始了以Si等半导体材料为代表的电子材料时代。 3