半导体材料

绝缘体：电阻率极高的物体。（导电能力最弱，橡胶，石英，价电子 数8个。）
半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间。（导电能力介于二者之间， 价电子数4个。）
半导体材料的电阻率在10-4Ω·cm－10l0Ω·cm之间。但是单从
电阻率的数值上来区分是不充分的，比如在仪器仪表中使用的一
些电阻材料的电阻率数值也在这个范围之内，可它们并不是半导
的升高而增大。 1874年布劳恩（Braun）发现硫化铅与金属探针的接
触处有整流效应，揭示了半导体材料的最基本性质。 从19世纪后期到20世纪初，人们对半导体材料进行了
大量的研究。后来人们把注意力逐步集中到单晶锗和 单晶硅的制备与提纯上，到第二次世界大战期间，已 用上了用Ge制造的微波检波器。 1947年J．巴丁（Bradeen）等人用Ge制成点接触晶体 管，开创了半导体科学技术的新纪元。 1958年J.S.C.基ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ尔（Kilby）制成了第一块集成电路， 为其后大规模和超大规模集成电路的发展奠定了基础。
体材料。
➢半导体材料特性
➢半导体材料发展
6.1.1 半导体材料的特性
1)电阻率受杂质含量的影响极大。如果一块纯硅掺入 百万分之一的杂质，就会使它的电阻率降低一百万 倍。所以人们可以通过控制杂质的含量来精确控制 其导电能力，制造出各种符合需要的元器件。
2)电阻率变化受外界条件影响很大。利用半导体对温 度变化十分敏感的特性，人们可以制造出能感受万 分之一摄氏度温度变化的热敏电阻，用于自动化控 制装置。同样，利用半导体对光的敏感特性，可开 发各种类型的光敏电阻，用作自动控制元件。如 CdS。InSb等可用于制作红外光探测元件。
6.1.2 半导体材料发展
而后，以GaAs（GaAs）为代表的化合物半导体和固 溶体半导体的研究促进了微波器件、异质结和光电子 器件的发展，1962年用GaAS材料第一次制成了半导 体激光器。
1972年（AlGa）As/GaAs超晶格半导体材料的诞生， 标志着人类已经进人设计、制造、研究人工半导体材 料的新领域。
目前，半导体材料和光电子材料已成为21世纪信息社 会的两大高科技产业的基础材料。它的发展将会使通 信、高速计算、大容量信息处理、存储与显示、空间 防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等产 生巨大的技术进步。
6.2 半导体材料的物理基础
一、晶体的能带结构
（1）能带的形成 a、外层电子共有化
对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很 近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到 邻近原子核的影响,内层电子因受原子核的牢牢束缚而 影响较小；价电子或外层电子却不同，外层电子受邻 近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其 他原子当中。 即电子不再分属各个原子所有，而是属 于整个原子所共有，这称电子的共有化。
b、能带的形成
因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的 分立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原 来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不 相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev），因 为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。通常在一定 条件下电子不能占有的能量范围称为禁带。
第六章 半导体材料
前言
半导体材料是构成许多有源元件的基体材料，在 光通讯设备、信息的储存、处理、加工及显示方面 都有重要应用，如半导体激光器、二极管。半导体 集成电路、半导体存储器和光电二极管等等。它是 能源、信息、航空、航天、电子技术必不可少的一 种功能材料，在电子信息材料中占有极其重要的地 位。当前，半导体材料已成为投资密集、人才密集、 技术密集的高技术新兴产业，受到电子科学与材料 科学界的极大关注，美、日等国都把它列入人尖端 材料范畴。半导体工业的发展水平是衡量一个国家 先进程度的重要标志之一。本章在介绍半导体相关 知识的基础上，讲述了半导体材料的分类、制备工 艺和应用情况。
5）省电、效率高、成本低。世界上第一台电子管计 算机要使用接近一个火车头的功率来驱动，而现 在同样功能的半导体计算机只要两节电池就足够 了。
因此，人们通常把电阻率在范围内且对外界因素， 如电场、磁场、光、温度、压力及周围环境气氛 非常敏感的材料称为半导体材料。
6.1.2 半导体材料发展
关于半导体的研究可以追述到19世纪30年代。 1833年法拉第（Faraday）发现硫化银的电导率随温度
3)半导体元器件体积小、质量轻。一片手指大小的单 晶硅片上就可集成成千上万个精致的晶体管，人们 用肉眼根本分辨不出来，只有在放大凡万倍的显微 镜下才能看清楚。
6.1.1 半导体材料的特性
4）可靠性高，寿命长。现代晶体管的寿命比电子管 长100倍－1000倍，被称为“半永久性”器件；而 集成电路又比分立元件电路可靠性高100倍，大规 模集成电路又比中、小规模集成电路可靠性高100 倍以上。
E
2p
禁带
能带
禁带
2s
1s
o
原子间距
（2）电子填空能带的情况
a、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带。
满带
E
当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作 相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形 成电流。
b、导带：能级没有被电子填满的能带。
导带 电子可在外场作用下跃 迁到高一级的能级形成 电流。故称为导带。
内容简介
➢半导体材料特性及其发展 ➢半导体材料的物理基础 ➢半导体材料的分类 ➢半导体材料的应用 ➢硅基太阳能电池材料
6.1半导体材料特性及其发展
物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、 半导体和绝缘体。
导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小。（导电能力最强，电解 液，碳，金属，金属元素价电子数少于4个。）
E
c、空带：各能级都没有被电子填充的能带。
d、价带：价电子所处的带称为价带。
（3）导体、半导体、绝缘体的能带结构
a、导体：价带是导带或等效导带。
导带
空带
空带
满带
满带
满带
重叠
相连
b、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大。
Eg 禁带
空带
3 ~ 6eV
(Eg 3 ~ 6eV )
例如金刚石中两个碳原子相距15纳米 时，Eg=5.33电子伏。