第6章-电子与微电子材料-63-半导体材料
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。
目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。
（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。
同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。
（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料第一节半导体金刚石的制备及应用第二节低维半导体材料及应用第三节有机半导体材料（一）教学方法与学时分配按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。
半导体物理_第六章
第6章
半导体中的非平衡过剩载流子
本章学习要点： 1. 掌握过剩载流子产生与复合的概念； 2. 掌握描述过剩载流子运动特性的连续性方程及扩散 方程； 3. 掌握双极输运方程及其典型的应用实例； 4. 建立准费米能级的概念； 5. 了解分析过剩载流子的复合过程及其寿命； 6. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响。
过剩载流子的产生 当有外界激发条件（如光照）时，会把半导体价带中的 电子激发至导带，从而在导带中产生导电电子，同时也 会在价带中产生导电空穴，即受到外部激励时，半导体 材料相对于热平衡状态额外产生了电子－空穴对。 额外产生的电子------过剩电子 额外产生的空穴------过剩空穴
过剩电子的产生率为：gn′ 过剩空穴的产生率为：gp′ 单位---cm-3·s-1 对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩 电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有：
如果半导体材料受到外部的激励(如温度的突然 升高），那么在原来热平衡浓度的基础上，会增加额 外的导带电子和价带空穴----非平衡过剩载流子，过 剩载流子是半导体器件工作的基础。 本章重点学习描述非平衡过剩载流子随空间位置 和时间变化状态---双极输运方程，这是研究分析PN 结和双极型晶体管特性的基础。
在小注入条件下，对于N型半导体材料少数载流子空 穴的浓度将以时间常数η p0进行衰减，且
η
p0：过剩少数载流子空穴的寿命。
多数载流子电子和少数载流子空穴的复合率也完全相 等，即：
半导体制造工艺第6章金属化
6.2 金属化类型
图6-3 多层铜互连技术
6.2 金属化类型
6.2.5 阻挡层金属 在上一节介绍到铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，如果
铜扩散进入二氧化硅或硅中将破坏器件的性能，这也是铜互连迟迟 未被采用的主要原因之一。事实上，很多金属与半导体接触并在高 温处理时都容易相互扩散，比如铝和硅、钨和硅相互扩散。为了防 止上下层材料相互扩散必须在它们中间引入阻挡层金属，如图6⁃ 4所 示。阻挡层金属必须足够厚，以达到阻挡扩散的目的，通常对于特 征尺寸为0．25μm的器件中阻挡层金属厚度约100nm，而对于 0．18μm工艺水平的器件其阻挡层金属厚度约20nm。 1)能很好地阻挡材料的扩散。 2)高电导率和很低的欧姆接触电阻。
6.3 金属淀积
6.3.2 蒸发 在半导体制造早期，蒸发法是最主要的金属淀积方法。然而为
了获得更好的台阶附覆盖能力以及更高的淀积速率，从20世纪70年 代的后期开始，在大多数硅片制造技术领域里溅射已经取代蒸发。 尽管如此，在一些对薄膜台阶附覆盖能力要求不太高的中小规模集 成电路制造中仍在使用蒸发法淀积金属薄膜。在封装工艺中，蒸发 也被用来在晶片的背面淀积金，以提高芯片和封装材料的粘合力。
图6-1 金属互连线与半导体区之间的接触
6.2 金属化类型
6.2.1 半导体制造中对金属材料的要求 金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。但
是随着芯片集成度越来越高，金属化技术也越来越重要，甚至一度 成为制约集成电路发展的瓶颈。早期的铝互连技术已不能满足高性 能和超高集成度对金属材料的要求，直到铜互连技术被应用才解决 了这个问题。硅和各种金属材料的熔点和电阻率见表6⁃1。为了提高 IC性能，一种好的金属材料必须满足以下要求： 1)具有高的导电率和纯度。 2)与下层衬底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。 3)与半导体材料连接时接触电阻低。 4)能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。 5)易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形。
第六章-纳米材料
第二节 纳米材料旳制备
纳米材料制备措施分为：物理法、化学 法和综正当。 物理法是最早采用旳纳米材料制备措施， 这种措施是采用高能耗旳方式，强制材 料细化得到纳米材料。例如，惰性气体 蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法 等。
化学法采用化学合成措施，合成制备纳米材料，例如，沉 淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶凝胶法等。
2、化学制备法
(1)湿化学法制备纳米粉体 湿化学法较简朴，易于规模生产，尤其适合
于制备纳米氧化物粉体。主要有沉淀法、水热 法、乳浊液法等。
沉淀法一般是在溶液状态下将不同化学成份 旳物质混合，在混合溶液中加入合适旳沉淀剂 制备纳米粒子旳前驱体沉淀物，再将此沉淀物 进行干燥或煅烧，从而制得相应旳纳米粒子。
6.3.1 基本原理
STM旳基本原理图如下：图中圆圈为原子，中间深色部分 为原子核，周围浅色部分和分散旳黑点是电子云，下面11个 原子代表被测测试样面。
STM旳基本原理是量子隧道效应。 在经典力学中，当势垒旳高度比粒子 旳能量大时，粒子是无法越过势垒旳。 然而，根据量子力学旳原理，此时粒 子穿过势垒出目前势垒另一侧旳概率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ并不为零。这种现象称为隧道效应。
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术是20世纪80年代末期诞生并正在 崛起旳新科技，它旳基本涵义是在纳米尺寸范围内 认识和改造自然，经过直接操作和安排原子、分子 发明物质。纳米科技是研究由尺寸之间旳物质构成 旳体系旳运动规律和相互作用以及可能旳实际应用 中旳技术问题旳科学技术。纳米科技主要涉及： （1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米 材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学； （6）纳米加工学；（7）纳米力学。
当针尖和样品旳间距足够小时(<0.4nm)，在针尖和样品面 间施加一偏置电压，便会产生隧道效应。电子在针尖和样品 面之间流动，形成隧道电流。在相同旳偏置电压作用下，伴 随探针一样晶面旳间距减小，隧道电流不久增大(可增大1～2 个数量级)，同步针尖原子和样品面原子旳电子云部分重叠， 使两者之间旳相互作用大大增强。因为隧道电流随距离呈指 数形式变化，所以，样品面上因为电子排列形成旳“凹凸不 平”旳表面，造成隧道电流剧烈变化。检测变化旳隧道电流 经计算机处理，便能得到样品面旳原子排列情况。
半导体材料与器件专业
半导体材料与器件专业引言半导体材料与器件是现代电子科学与技术的重要分支领域。
随着信息技术的迅猛发展，半导体材料与器件的研究与应用日益广泛，对于推动社会进步和经济发展具有重要作用。
本文将全面、详细、完整地探讨半导体材料与器件专业的相关内容，包括材料与器件的基本概念、研究方向、应用领域以及发展趋势等。
半导体材料与器件的基本概念半导体材料半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有介电常数相对较小、导电性能相对较弱的特点。
常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，广泛应用于电子信息领域。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、集成电路等。
半导体材料与器件的研究方向半导体材料的研究方向1.材料的生长与制备技术：研究半导体材料的生长机制、制备工艺以及优化方法，以提高材料质量和性能。
2.材料的性能表征与测试：研究半导体材料的光电性能、电子输运性质等，通过材料表征与测试手段获取与分析材料性能。
3.材料的能带结构与能带工程：研究半导体材料的能带结构，通过能带工程手段调控材料的能带结构，以实现特定的功能与性能要求。
半导体器件的研究方向1.器件的设计与模拟：利用计算机辅助设计工具，对半导体器件进行设计与模拟，分析其电学特性与工作原理。
2.器件的制造与加工技术：研究半导体器件的制造工艺与技术，包括光刻、薄膜沉积、离子注入等，以实现高精度与高可靠性的器件制造。
3.器件的封装与封装技术：研究半导体器件的封装方式与封装工艺，以保护器件并提供合适的引脚连接方式。
4.器件的可靠性与故障分析：研究半导体器件的可靠性问题，探索其寿命特性与故障机理，并提出相应的改进与优化方案。
半导体材料与器件的应用领域通信与信息技术领域半导体材料与器件在通信与信息技术领域具有广泛应用。
例如，光通信器件利用半导体材料的光电转换特性，实现大容量、高速率的光信号传输。
集成电路则提供了计算机和通信设备等现代电子产品所必需的处理和存储功能。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
材料的电学性能
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
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定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为
半导体材料与微电子器件性能关联分析
半导体材料与微电子器件性能关联分析随着科技的不断发展，微电子器件在现代社会中扮演着非常重要的角色。
而半导体材料作为微电子器件的核心材料之一，对于微电子器件的性能具有重要的影响。
本文将深入探讨半导体材料与微电子器件性能之间的关联。
首先，我们需要了解半导体材料的基本特性。
半导体材料的特点在于其具备介于导体和绝缘体之间的电导率。
与导体相比，半导体材料的电导率较低；而与绝缘体相比，半导体材料的电导率则较高。
这种特性使得半导体材料成为微电子器件的理想选择。
半导体材料中最常见的一类是硅（Si）材料。
硅材料具有良好的半导体特性，广泛应用于微电子制造中。
此外，氮化镓（GaN）等材料也在近年来得到了广泛关注。
不同的半导体材料具有不同的物理和电学特性，因此在微电子器件中的应用也有所不同。
半导体材料的性能与微电子器件的性能息息相关。
首先，半导体材料的能带结构对其导电性能起到了关键的影响。
能带结构决定了半导体中电子和空穴的分布状态。
当半导体材料被施加电场或加热时，电子和空穴会在能带内进行移动，从而产生电流。
因此，能带结构直接影响了半导体材料的导电性能。
其次，半导体材料的掺杂水平对微电子器件的性能也具有重要的影响。
掺杂是指向半导体材料中引入杂质原子，以改变其导电性能。
根据掺杂类型的不同，可以分为N型掺杂和P型掺杂。
N型掺杂是向半导体材料中引入多余的电子，增加其导电性能；P型掺杂则是引入多余的空穴，也会改变半导体材料的导电性能。
适当的掺杂水平可以提高微电子器件的导电性能和性能稳定性。
另外，半导体材料的载流子迁移率也对微电子器件的性能起到重要作用。
载流子迁移率是指电子或空穴在半导体材料中的移动速度。
它反映了半导体材料中的载流子注入效果以及电流的传输能力。
如果载流子迁移率较高，电流将更顺畅地通过半导体材料，微电子器件的性能将得到显著提升。
此外，半导体材料还需要具备良好的热稳定性和机械性能。
在实际应用中，微电子器件会受到高温、环境湿度等外界因素的影响。
第6章半导体结型器件
太阳能光电池主要用作电源，对它的要 求是转换效率高、成本低。
硅材料研究得最充分，硅光电池具有一 系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱 响应范围宽，频率特性好，能耐高温。
硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视 效率曲线相似，且价格比硅光池便宜。很 适合作光度测量的探测器，但由于稳定性 很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵 光电池
结果在N区将积累电子，P区将积累空 穴，产生了一个与内建电场方向相反的 光生电场，于是在P区和N区之间造成光 生电势差；如果光照保持不变，积累过 程达到动态平衡状态，从而给出一个与 光照度相应的稳定的电势差，称为光生 电动势，光强越强，光生电动势也就越 大。
2、工作模式
结型光电器件在有光照条件下，从理论 上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置。 但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈 现单向导电性(和普通二极管一样)，没有光 电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才 产生明显的光电效应。
由于i层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度 增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子 效率提高。
第八章 电荷耦合成像器件
固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用 靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序 进行扫描就能获得视频信号，即器件本身 就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺 序输出（称自扫描）视频信号的全过程。
电极 光电池
N P
+ 正极
栅状
N P
2DR
上电极 前极 SiO2 保护膜 —N-Si P-Si
下电极 Al 后极
上电极
P-Si
保护膜
N-Si
2CR
下电极
符号
I
P
N
RL
联结电路
Ip Ij
I u
电路与模拟电子技术_第6章 半导体器件
在放大区，硅管的发射结
压降UBE一般取0.7V，锗 管的发射结压降UBE一般取0.3V。
（2）输出特性
①放大区 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点：IC＝ I B ②截止区
，IC仅由IB决定。
条件：两个PN结均反偏。
特点是IB＝0、IC＝ICEO≈0，无放大作用。 ③饱和区 条件：两个PN结均正偏。 特点：UCE≤1V，有IB和IC ，但IC≠ IB。 IC已不受IB控制
2.主要参数 （1）电流放大系数 直流放大系数
和β
IC IB
交流放大系数β＝△IC／△IB≈ （2）穿透电流ICEO （3）集电极最大允许电流ICM
（4）集电极最大允许耗散功率PCM
(5)反向击穿电压U(BR)CEO
PC＝UCEIC
6.4 场效应管 三极管称电流控制元件；场效应管称电压控制元件。
场效应管具有输入电阻高（最高可达 1015Ω ）、噪声低、 热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。
6.4.1 绝缘栅场效应管的结构和符号
6.4.2 场效应管的伏安特性和主要参数
使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压 UGS （ th ）， 称为开启电压。
当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失， 这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。 场效应管的主要参数： 增强型MOS管的开启电压UGS（th）， 耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off） 低频跨导
6.3 三极管 三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。
6.3.1 三极管的结构和分类 结构：三个区、 二个结、 三个电极。
分类：三极管如按结构可分为NPN型和 PNP型；按所用的 半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功 率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。
半导体材料课后题答案
绪论1.半导体的基本特性？①电阻率大体在10-3~109Ω•cm范围②整流效应③负电阻温度系数④光电导效应⑤光生伏特效应⑥霍尔效应2.为什么说有一天，硅微电子技术可能会走到尽头？①功耗的问题存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的，当芯片集成度越来越高耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题？②掺杂原子均匀性的问题一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎么保证在每一个期间的杂质原子的分布式一模一样的呢？是硅微电子技术发展遇到的又随着器件尺寸的减小，绝缘介质SiO2的厚度也在减小，当减小到几个纳米的时候，及时很小的电压，也有可能使器件击穿或漏电。
量子隧穿漏电时硅微电子技术所遇到的另一个问题。
如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应就不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不再适用第一章⒈比较SiHCl3氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点？⑴三氯氢硅还原法优点：产率大，质量高，成本低，是目前国内外制备高纯硅的主要方法。
缺点：基硼、基磷量较大。
⑵硅烷法优点①除硼效果好；（硼以复盐形式留在液相中）②无腐蚀，降低污染；（无卤素及卤化氢产生）③无需还原剂，分解效率高；④制备多晶硅金属杂质含量低（SiH4的沸点低）缺点：安全性问题相图写出合金Ⅳ由0经1-2-3的变化过程第二章⒈什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：⑴分凝现象：含有杂质的晶态物质溶化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象较分凝现象。
⑵平衡分凝系数：固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。
K0=C S/C L⑶有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度C S与固体内部的杂质浓度C L0的比值定义为有效分凝系数K effK eff=C S/C L0⒉写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。
《微电子与集成电路设计导论》第六章 新型微电子技术
纳电子器件——Memristor忆阻器 ➢ 全称记忆电阻（Memristor），是表示磁通与电荷关系的电路器件。
特点
➢ 电阻取决于多少电荷经过了器件。 ➢ 若电荷以一个方向流过，电阻会增加；
如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。 ➢ 具有记忆能力，断电后电阻值保持不变。
纳电子器件——石墨烯
➢ 它是已知材料中最薄的一种，且牢固坚硬； ➢ 优良的导电特性：它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
优势
➢ 碳纳米管FET沟道为一维结构，载流子 迁移率大大提高。
➢ 碳纳米管FET参与碳纳米管导电的是表 面。
➢ 碳纳米管FET通过选择源漏材料，可完 全消除源漏结势垒
图6.4.2 CNT-FET典型结构示意图
纳电子器件——有机分子场效应晶体管
该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2 个纳米，是目前世界最小的晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。
2006年3月， 佐治亚理工学院 （Georgia Institute of Technology） 的研究 员宣布，成功地制造了石墨烯平面场效应 晶体管并观测到了量子干涉效应。并基于 此研究出根据石墨烯为基础的电路。
6.4.2 纳电子材料
纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这 是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。
人类社会是在不断征服自然和不断攀登科技顶 峰而前进的，纳米技术也是如此。
现在世纪纳米技术和纳米材料，正向新材料、 微电子、计算机、医学、航天、航空、环境、 能源、生物技术和农业等诸多领域渗透。
纳米打假
纳米技术并非高不可攀，但也决非人人都能“纳”一把， 因此，我们要提前做好纳米技术的打假工作，建立一套十分 严格的评审和考核制度，为纳米技术的发展创造良好的空间， 防止样样都要“纳”一把现象的发生，尽量避免恶意炒作 “伪纳米”，不能等到造成极其严重的恶果后，再去打与堵。
半导体材料课件III-V族化合物半导体的特性 GaAs单晶的生长方法
高效太阳电池
霍尔元件
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
GaAs在我们日常生活中的一些应用
遥 控 器 是 通 过 GaAs 发 出 的 红 外光把指令传给主机的。
家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等 材 料 为 衬 底 做 成 的 发光二极管。
吉林大学电子科学与工程学院
CD， DVD，BD光盘是用以 GaAs为衬底制成的GaAlAs激 光二极管进行读出的。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
非凝聚体系p-T-x相图各投影图的含义
GaAs体系 p-T-x相图
¾G a - A s 的 T - x 图 ， 反 映 体 系sGaAs+l+g三相平衡时的 温度与xAs组成的关系。
质很不相同，把这种不对称性叫做极性
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
极性（闪锌矿是非中心对称的）
[111]
Ⅲ
[111]
Ⅴ
表面A
Ⅲ
ⅤⅤ ⅢⅢ
Ⅴ
[1 1 1]
Ⅲ
Ⅴ
表面B
[1 1 1]
闪锌矿结构在[110]面上的投影 显示在[111]方向和[1 1 1] 方向的差别
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
从垂直[111]方向看，GaAs是一系列由Ga原子和As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。如[111]和[111]是不同的。 III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性
直接3.4eV 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV
半导体物理课件：第六章 p-n结
当存在外间电压时，电压主要降落在这个势垒区，而扩散
区和中性区几乎没有。
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2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.2 p-n结电流电压特性
6.2.1 p-n结电场和电势 泊松方程
何为泊松方程? 其来历? 反映一定区域电势、电场、电荷之关系。
由麦克斯韦方程的微分形式：
D
D r0E
dV 2
6.2.3 理想p-n结的电流电压关系
计算电流密度方法 – 计算势垒区边界处注入的非平衡少子浓度， 以此为边界条件，计算扩散区中非平衡少子 的分布 – 将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出 扩散密度，再算出少数载流子的电流密度 – 将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式
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引言
6.1 p-n结及其能带图 6.2 p-n结电流电压特性 6.3 p-n结电容 6.4 p-n结击穿 6.5 p-n结隧道效应
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6.1 p-n结及其能带图
6.1.1 p-n结的形成及杂质分布
p型半导体和n型半导体结合，在 二者的交界面形成的接触结构， 就称为p–n结。
空穴漂移 电子扩散
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电子漂移 空穴扩散
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6.2.2 非平衡p-n结的能带图
反向偏压V
(p负，n正，V<0)
外加电场n→p 内建场n→p →外加电场加强了内建 场的强度，势垒升高
→n区的EF低于p区的EF
p区电子被不断的抽走 ——少子的抽取
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半导体及其常用器件
电工电子技术 (3)热击穿 当PN结两端加的反向电压过高时，反向电流会继续急剧 增长，PN结上热量不断积累，引起结温升高，载流子增 多，反向电流一直增大下去，结温一再持续升高循环，超 过其容许值时，PN结就会发生热击穿 热击穿而永久损坏。 热击穿的过程是不可逆的，所以应尽量避免发生。
空间电荷区的 电阻率为什么很 高？ 试述雪崩击穿和齐纳击穿 的特点。 的特点。这两种击穿能否造 成PN结的永久损坏 ？ 结的永久损坏
PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。 但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和 电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。
章目录
电工电子技术
4. PN结的单向导电性
章目录
电工电子技术
PN结反向偏置时的情况
章目录
电工电子技术
PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单 单 向 导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 导电性
章目录
电工电子技术
2. 本征半导体和杂质半导体
(1)本征半导体 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价 元素，即每个原子最外层电子数为4个。
+
Si(硅原子)
Si +4 Ge +4
+
Ge(锗原子)
因为原子呈电中性， 因为原子呈电中性，所 以简化模型图中的原子 核只用带圈的+4 +4符号表 核只用带圈的+4符号表 示即可。 示即可。
一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数 载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体 的导电能力可增强几十万倍。 掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自 由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电 子，而不能移动的离子带负电。
《半导体材料》课件
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
【教学大纲】半导体材料
《半导体材料》教学大纲课程名称：半导体材料课程类别：选修课适用专业：材料化学考核方式：考查总学时、学分：32 学时、2学分一、课程教学目的《半导体材料》是化学与材料科学学院材料化学专业的一门选修课。
半导体科学发展的基础。
本课程主要介绍半导体晶体生长方面的基础理论知识，初步掌握单晶材料生长、制备方法以及常用的锗、硅、化合物半导体材料的基本性质。
通过本课程的学习，使学生掌握半导体材料的相关知识，从而对半导体材料的制备和性质有较全面的认识。
二、课程教学要求本课程的任务是使学生获得半导体晶体生长方面的基础理论知识，初步掌握单晶材料生长、制备方法以及常用的锗、硅、化合物半导体材料的基本性质等相关知识。
三、先修课程学生学习完《功能材料概论》、《材料物理导论》和《材料物理化学》以后开设本课程。
四、课程教学重、难点本课程的重点是掌握半导体晶体生长方面的基础理论知识，单晶材料生长、制备方法以及常用的锗、硅、化合物半导体材料的基本性质等相关知识。
本课程的难点是半导体材料的不同制备方法和过程，以及与所制备出来材料的性质之间的关系。
五、课程教学方法与教学手段教学方法：课程讲授中采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
教学手段：在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。
六、课程教学内容第一章半导体材料概述 ( 1学时)1．教学内容：(1)人类对半导体材料的使用和研究历史，(2)半导体材料的发展历史和基本特性和分类。
2．重、难点提示(1)教学重点：半导体材料的基本特性及其应用。
(2)教学难点：硅晶体的各向异性。
第二章硅和锗的化学制备（4学时）1．教学内容（1）硅和锗的基本晶体结构和物理化学性质。
（2）化学提纯制备高纯硅的三氯氢硅氢还原法和硅烷法。
（了解硅、锗的化学提纯）2．重、难点提示(1)教学重点：高纯硅的制备。
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室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，当磷 掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。
2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4 +4 +3 +4
+4
+4 +4
多数载流子—— 空穴
电子空穴对 P型半导体
空穴
－ － －－
－ － －－
－ － －－
受主离子 少数载流子——自由电子
掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数 目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子， 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数 目将增加几十万倍。
+4 +4 +4
+4 +4 +4
空穴
自由电子
+4 +4 +4
当温度升高或受到光的 照射时，束缚电子能量增 高，有的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参与导电 ，成为自由电子。
自由电子产生的同时，在 其原来的共价键中就出现 了一个空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
本征半导体
完全纯净、具有一定晶体结构的半导体
➢ 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。
（2） 杂质半导体
在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的， 其导电能力相当低。
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体 称为杂质半导体。
如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂 半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。
由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类— —N型半导体和 P型半导体。
不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种 多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。
总结
(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半 导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少
数载流子，此外还有不参加导电的正离子。
(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半
导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子， 此外还有不参加导电的负离子。 (3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子 由本征激发产生，其浓度与温度有关。 常用的杂质元素
1) N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，
称为N型半导体。
N型半导体
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4 +4 +5 +4 +4 +4
电子空穴对
自由电子
N型半导体 ++ + +
++ + +
++ + +
多数载流子—自由电子
少数载流子—空穴
施主离子
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体。
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。
+
+
Si Ge
提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键
共价键
价电子受到激发，形成自 由电子并留下空穴。
自由电子和空穴同时产生
半导体中的自由电子和空 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。
微电子半导体
光电半导体
按功能和应用分： 热电半导体 微波半导体
按组成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
气敏半导体 ∶
无机半∶导体：元素、化合物
有机半导体
按结构分：
晶体：单晶体、多晶体 非晶、无定形
一、 无机半导体晶体材料(组分)
无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。 1. 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
C B
稀少
Te Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As
I S Sb
不稳定,易挥发
（1）本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，
常称为“九个9”。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
束缚电子
本征半导体的共价键结构
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都紧紧束缚 在共价键中，不会成为自 由电子，因此本征半导体 的导电能力很弱，接近绝 缘体。
6.3 半导体材料
6.3.1 半导体材料概述 6.3.2 半导体的分类及特点 6.3.3 PN 结 6.3.4 单质硅半导体材料 6.3.5 重要的化合物半导体 6.3.6 半导体的应用
第七章 半导体材料的应用 第八章 半导体材料的发展展望
6.3.1 半导体材料概述
什么是半导体？
从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、
绝缘体。电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻
温度系数→半导体。 R
绝缘体
电阻率：
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10-6Ωcm
半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞108Ωcm
半导体
负的温度系数 T
电阻温度系数图
定义
➢ 半导体材料（semiconductor material） 是一类具有半导体性能（导电能力介于导 体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～ 1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器 件和集成电路的电子材料。
半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化 电学性质
绝缘体
半导体
导体
1012—1022 Ω.cm
10-6—1012 Ω.cm
≤10-6Ω.cm
2.负电阻温度系数 Si：T=300K ρ=2 x
105
Ωcm
exp( Ea K BT
)
T=320K ρ=2 x 104Ωcm
3.具有整流效应
6.3.2 半导体分类及特点
➢ 凡具有上述两种特征的材料都 可归入半导体材料的范围。反 映半导体内在基本性质的却是 各种外界因素如光、热、磁、 电等作用于半导体而引起的物 理效应和现象，这些可统称为 半导体材料的半导体性质。构 成固态电子器件的基体材料绝 大多数是半导体，正是这些半 导体材料的各种半导体性质赋 予各种不同类型半导体器件以 不同的功能和特性。半导体的 基本化学特征在于原子间存在 饱和的共价键。
载流子的产生与复合：
价电子 共价键
硅原子
➢ 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。
➢ 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。