功能材料概论8(半导体材料)
半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 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金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
半导体材料
所以扩散和漂 + + + + + + 移这一对相反 + + + + + + 的运动最终达 到平衡，相当 + + + + + + 于两个区之间 没有电荷运动， + + + + + + 空间电荷区的 厚度固定不变。
扩散运动
PN结的单向导电性
PN结加上正向电压、正向偏置的意
思都是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意
按其功能及应用： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波 半导体材料、敏感半导体材料等； 按材料种类：无机半导体、有机半导体； 按化学组成：元素半导体、化合物半导体；
按结构：晶态和非晶态半导体
一、 元素半导体
在IIIA族-VIIA
族的金属和非金属
交界处大约有十几
种，如Ge, Si, Se, Te等，其中最重要 的有Si和Ge。
与金属和绝缘体相比， 半导体材料的发现是 最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯 技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界 认可。
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， 1833年，英国法拉第最先发现硫化银的电阻 随着温度的变化情况不同于一般金属，一般 情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但 法拉第是随着温度的上升而降低。这是半导 体现象的首次发现。 1835年，蒙克发现了单向导电现象。
3.2.4 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
符号
P 阳极
P
N
N 阴极
(2)、伏安特性 I
半导体材料青少年科普-概述说明以及解释
半导体材料青少年科普-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述半导体材料是一种特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的电导特性。
在现代科技发展中，半导体材料发挥了重要的作用，应用广泛。
本文将介绍半导体材料的定义和特性，并探讨其在各个领域的应用。
在讲解半导体材料之前，我们将先对本文的结构进行简要介绍。
1.2文章结构文章结构的目的是为了让读者更好地理解和吸收文章的内容。
本文的结构如下：1. 引言：这一部分将概述半导体材料青少年科普的背景和重要性，概括文章的内容和结构，并明确文章的目的。
2. 正文：这一部分将详细介绍半导体材料的定义、特性和应用领域。
其中，将解释半导体材料的基本概念和原理，包括电子能带、禁带宽度、载流子等重要概念。
同时，还将介绍半导体材料在电子学、光电子学、能源等领域的广泛应用，并列举一些具体的实例来说明。
3. 结论：这一部分将总结青少年科普的重要性，强调鼓励青少年学习和探索半导体材料的意义。
同时，还可以提供一些学习和探索的方法和资源，以激发读者的兴趣和热情。
通过以上的结构安排，读者可以清晰地了解到这篇文章的整体内容和安排。
同时，这样的结构也有利于增强读者对半导体材料青少年科普的理解和兴趣，促进他们更深入地学习和探索相关知识。
1.3 目的本文旨在向青少年介绍半导体材料的知识，以培养他们对科学和技术的兴趣，并激发他们对这一领域的学习和探索热情。
具体目的如下：1. 提供基本概念：通过介绍半导体材料的定义和特性，让青少年了解何为半导体以及它们与其他常见材料的区别。
这将为他们进一步学习半导体技术和应用打下坚实的基础。
2. 拓宽科学视野：半导体材料是现代科学和技术的重要基础，应用广泛且前景可观。
通过了解其应用领域，青少年将逐渐认识到半导体技术的重要性，并对这一领域的发展趋势充满好奇。
3. 培养创新思维：半导体材料的研究和应用需要创新的思维和解决问题的能力。
通过学习和探索半导体材料，青少年将锻炼他们的观察力、实验设计和数据分析等科学技能，并在解决实际问题的过程中培养创新思维。
什么是半导体材料
什么是半导体材料
半导体材料是一种在电性能上介于导体和绝缘体之间的材料。
这种特殊材料的电子态介于导体和绝缘体之间，具有晶体结构并且在固态物质中广泛应用。
半导体材料具有许多独特的电学和光学性质，使得它在现代电子器件中扮演着重要的角色。
半导体材料的电导率通常随温度和掺杂杂质浓度的变化而变化，这种特性使得它们可以被用作电子器件的基础材料。
半导体材料的孤对电子能带结构对其电学性质起着关键作用。
在这种材料中，价带是指带有价电子的最高能级，而导带是指带有自由电子的最低能级。
两个带之间的能隙决定了材料电导率的大小。
通过控制材料成分和制备工艺，可以调节半导体材料的电导率和光吸收特性，以满足不同应用的需求。
半导体材料在各种电子器件中都有广泛的应用，例如二极管、场效应晶体管、光伏电池和激光器等。
通过不同的工艺和设计，可以将半导体材料制成各种功能强大的电子器件，从而推动科学技术的发展。
总的来说，半导体材料是一种具有独特电学性质的材料，其电子态介于导体和绝缘体之间。
通过控制材料结构和成分，可以调节半导体材料的电学性质，使其在各种电子器件中发挥关键作用，推动现代科技的发展。
(完整版)半导体材料的分类_及其各自的性能汇总
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
半导体材料
直接跃迁
间接跃迁
(2) 导带结构
半导体材料的导带结构是比较复杂的，对材料的性能 和应用有明显的影响，下面以 Si、 Ge、 GaAs为例作简 单介绍： a)实验发现 GaAs的导带底附近等能面形状为球面， Ge、 Si的等能面为旋转椭球面。因此GaAs的许多性质 (如电 阻率、磁阻效应等)呈各向同性，可用标量表示, Ge、Si 的许多性质呈各向异性。 b)如果导带极值不在k空间原点，按对称性的要求，必然 存在若干个等价的能谷。具有多个能谷的半导体称为多 能谷半导体，如Ge和Si是典型的多能谷半导体。 如果导带极值在k空间原点处，只有单个极值，称为单 能谷半导体，如GaAs为单能谷半导体。
m*ε H εi 2 m0 ε
εi的意义？
m*为载流子的有效质量，m0为电子的惯性质量,ε为母体 晶体的相对介电系数，H为氢原子的基态电离能。
能带结构
画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带 顶和导带底都称为带边，分别用Ev和Ec表示它们的能量，带隙 宽度Eg＝Ec-Ev。
以Ge、Si、GaAs的能带为例。可以讨论三个方面：
第二章 各种固体材料及其应用
固体材料
功能材料
电功能材料 主要参考书：
1）«功能材料学概论», 马如璋, 蒋民华, 徐祖雄 主编, 北 京冶金工业出版社, 1999年
2）«新材料概论», 陈光, 崔崇 主编, 科学出版社,2003年
结构材料
磁功能材料
光功能材料 功能转换材料
3) «功能材料概论», 殷景华，王雅珍，鞠刚 主编,哈尔滨工 业大学出版社，1999年
半导体材料的分类
属之间具有半导体性质的元 素有十二种，B，C，Si，P，S，Ge，As，Se，Sn，Sb，Te 和I。其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。 硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料。
半导体材料有哪些元素
半导体材料有哪些元素半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。
半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。
如二极管就是采用半导体制作的器件。
半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。
今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
具有半导体特性的元素，如硅、锗、硼、硒、碲、碳、碘等组成的材料。
其导电能力介乎导体和绝缘体之间。
主要采用直拉法、区熔法或外延法制备。
工业上应用最多的是硅、锗、硒。
用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。
其他硼、碳（金刚石、石墨）、碲、碘及红磷、灰砷、灰锑、灰铅、硫也是半导体，但都尚未得到应用。
在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体，其中C表示金刚石。
C、P、Se 具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低，Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
功能材料概论总复习
LOGO 0.156
（e） 物理吸附储氢 利用吸附储氢材料对氢分子的吸附作用而储氢。吸 附储氢材料主要有分子筛、活性炭、高比表面积活性炭、新型吸附剂 （碳纳米管、碳纳米纤维和纳米石墨等碳纳米材料 ）等。
Ⅰ 碳纳米管
1997.3 单壁碳纳米管中的储氢 ——《nature》 1999.7 碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量——《science》 1999.11 室温下在单壁碳纳米管上的储氢——《science》 5wt%~20wt% 2010.2 回顾碳纳米管储氢——《carbon》 1998~2010，CNTS储氢量逐年下降
库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用力多么 微弱，它们都能形成束缚态。
这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相 互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。
从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降低。
LOGO
、
如右图所示：
电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而 造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用。这
物理因素：热、光、幅射、机械力
物理－化学因素：热氧、光氧
LOGO
高聚物的分类
天然高分子材料 合成高分子材料
1、按来源
改性的天然高分子材料 改性合成高分子材料 为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，除 基本组分聚合物之外，还要添加各种添加剂，因此严格 地说，高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的。 LOGO
当 T<Tc 时，金属内的库柏对开始形成（形成后体系能量下降），这时所有 的库柏对都以大小和方向均相同的动量运动，库柏对在能量上比单个电子运 动要稳定，因此，体系中仅有库柏对的运动，库柏对电子与周围其它电子没 有能量交换，也就没有电阻，金属导体就具有了超导电性 。库柏对的数量 十分巨大 , 当它们向同一方向运动时, 就形成了超导电流 。 由于库柏对引力并不大，当温度较高时，库柏对被热运动打乱而不能成对。 同时，离子在晶格上强烈地不规则振动，使形成库柏对的作用大大减弱。 LOGO
《半导体材料》PPT课件
• 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。
精选课件ppt
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。
精选课件ppt
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。
精选课件ppt
47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
精选课件ppt
精选课件ppt
25
精选课件ppt
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
精选课件ppt
39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
精选课件ppt
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。
半导体材料报告
半导体材料—硅摘要半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。
利用半导体材料制作的各种各样的半导体器件和集成电路，促进了现代信息社会的飞速发展。
本文就半导体硅材料作了简单介绍。
引言能源、信息、材料是人类社会的三大支柱。
半导体硅材料则是电子信息产业(尤其是集成电路产业)和新能源、绿色能源硅光伏产业的主体功能材料，硅材料的使用量至今仍然占全球半导体材料的95％以上，是第一大电子功能材料，且早已是一种战略性的物资和产业。
[1]20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命，随着科技的发展，半导体材料越来越多。
[2]半导体材料是一类具有半导体性能、可用于制作半导体器件和集成电路的电子材料．硅材料是当今产量最大、应用最广的半导体材料，是集成电路产业和光伏产业的基础。
硅材料的发展对推动我国相关产业实现技术跨越、增强国际竞争力、保持社会经济可持续发展和保障国家安全均起着重要作用。
[3]1、硅的分类硅也是极为常见的一种元素，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。
然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。
硅在宇宙中的储量排在第八位。
在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧。
硅根据物理性质分为无定形硅和晶体硅两种。
1.1无定型硅无定型硅又称非晶硅，非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。
在70年代确实有过制备非晶硅的沸沸扬扬的高潮。
事实上，非晶硅光电池已经广为使用，例如许多太阳能计算器、太阳能手表、园林路灯和汽车太阳能顶罩等就是用非晶硅作为光电池的基本材料的。
非晶硅在太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。
功能材料基础知识
名词解释：1.半导体材料的概念：电阻率在10-4~1010 Ω·cm范围内，并对外界因素，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。
2.本征半导体：半导体按有无杂质可分为本征半导体和杂质半导体，半导体的禁带宽度较小，约为1.602×10- 19 J附近，例如室温下硅为1.794×10-19 J(1.12eV)，因此室温下由晶体中原子振动就可以使少量的电子受到激发，从价带跃至导带，即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场的作用下显示出导电性。
3.化合物半导体：由两种或两种以上的元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构(如不确定就是固溶体半导体)等半导体性质的化合物称之为化合物半导体.4.固溶体半导体：元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导体。
它是由二个或多个晶格结构类似的元素或化合物相互溶合而成.5.半导体陶瓷的概念：半导体陶瓷是指电性能介于导电陶瓷和绝缘陶瓷之间的一类材料,其电阻率介于10-4至107之间.6.热敏陶瓷：是材料的电阻率随温度改变而发生突变的一类陶瓷,可用作温度传感器,线路温度补偿,制作热敏电阻等.7.高温超导——网上自查8.超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去．保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。
即:超导体内磁感应强度B总是等于零。
迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。
9.所谓光致抗蚀，是指高分子材料经过光照后，分子结构从线型可溶性转变为网状不可溶性，从而产生了对溶剂的抗蚀能力。
而光致诱蚀正相反，当高分子材料受光照辐射后，感光部分发生光分解反应，从而变为可溶性。
如目前广泛使用的预涂感光版，就是将感光材料树脂预先涂敷在亲水性的基材上制成的。
晒印时，树脂若发生光交联反应，则溶剂显像时未曝光的树脂被溶解，感光部分树脂保留了下来。
反之，晒印时若发生光分解反应，则曝光部分的树脂分解成可溶解性物质而溶解。
半导体材料是什么意思
半导体材料的定义和应用
半导体材料的本质
半导体材料是一种介于导体（如金属）和绝缘体之间的材料。
在此类材料中，
电子的导电能力介于导体和绝缘体之间。
这种中间状态赋予了半导体材料在现代电子学和光电领域中独特的应用价值。
常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
半导体材料的晶体结构
半导体材料通常具有有序的晶格结构，这种结构有助于在其内部形成电子的自
由移动通道。
这种晶格结构为半导体的电学性能和光学性能奠定了基础，也决定了其在电子器件中的应用范围。
半导体材料在电子器件中的应用
半导体材料广泛应用于电子器件制造中，其中最典型的应用是在集成电路（IC）制造中。
集成电路是现代电子设备的核心组成部分，其中大量的晶体管和电容器等元件都是利用半导体材料制造的。
除了集成电路，半导体材料还被广泛应用于光电器件制造中，如太阳能电池、LED、激光器等。
这些器件利用半导体材料的光学性能实现能源转换和光信号调控
等功能。
未来半导体材料的发展趋势
随着科技的不断发展，人们对半导体材料的性能要求也在不断提高。
未来，半
导体材料的发展趋势可能包括：开发新型半导体材料，提高材料的导电性能和光学性能，拓展半导体材料在生物医学领域的应用等方向。
结语
半导体材料作为现代电子学和光电领域的重要组成部分，扮演着关键的角色。
通过不断的研究和创新，半导体材料将继续推动人类对电子技术和光电技术的发展，为未来科技进步带来更多惊喜和机遇。
第1章半导体材料 83页PPT文档
CuCr2S3C
稀土氧、硫、硒、碲化合物 EuO EEuS EuSe EuTe
非晶态 半导体
有机 半导体
元素 化合物 芳香族化合物 电荷移动络合物
Ge Si Te Se GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te 多环芳香族化合物
元素半导体
具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其 是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都 是用硅材料制作的。
n为导带电子浓度，N＋d为电离施主浓度，p价带上空穴浓度
nNd p
Nd为电离施主浓度
把n、p代入电中性方程得：
Nd
Nd
12expEF
Ed
kBT
N cex (E p k cB T E F ) 1 2 eN x E dFp E dN vex (E p k F B T E v) kB T
二元化合物半导体
它们由两种元素 组成，主要是有 III-V族化合物半 导体、II-VI族化 合物半导体、IVVI族化合物半导 体、II-IV族化合 物半导体，铅化 合物及氧化物半 导体等。
三元化合物半导体
以A1GaAs相GaAsP为代表的二元化合物半导 体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；
利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表 明InP是制作转移器件的更好半导体材料。
2. n型和p型半导体
半导体掺杂——改变半导体的性质、载流子类型……
人工掺杂——半导体材料设计——器件……
掺杂工艺——扩散、离子注入……
掺杂种类：
施主掺杂（n型）——高价元素掺杂，杂质原子提供的价 电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导 带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。
【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。
半导体材料介绍
《功能材料论》论文--半导体材料介绍班级：09050102学号：28姓名：李华林半导体材料介绍学号：0905010228姓名：李华林摘要：本文主要介绍半导体材料的发展、分类、一些特性参数和制备工艺以及半导体材料在生活中的应用。
半导体在我们的日常生活中应用很广泛，半导体材料的一些结构和参数决定了它的特性。
以非晶硅a-Si:H为例，它就是一种半导体材料中的非晶态半导体，其结构和性能决定了它在制作太阳能电池方面的应用。
现在人们现在研究了有关它的一些性质，并研究和改善它的一些缺点，例如疲劳效应、载流子的寿命短和扩速长度小等。
关键词：半导体材料；导电能力；载流子；电阻率；电子；空穴；薄膜。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、二元化合物半导体、多元化合物半导体和非晶态半导体与有机半导体。
半导体的发展与器件紧密相关。
可以说电子工业的发展的半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能。
1941年用多晶硅制成检波器，是半导体材料的开始，1948-1950年用切克劳斯基法成功拉出了锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管。
1951年用四氯化硅锌还原法制出了多晶硅；第二年用直拉法成功的拉出了世界上第一根硅单晶；同年制出了硅结型晶体管，从而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。
60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体材料质量提出了更高的要求，促使硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开始向高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展。
半导体材料绪论通用课件
半导体材料的分类
总结词
半导体材料可根据其元素组成、能带结构、载流子类 型等不同特征进行分类。
详细描述
根据元素组成，半导体材料可分为元素半导体和化合 物半导体两大类。元素半导体是由单一元素组成的， 如硅、锗等；化合物半导体则是由两种或两种以上元 素组成的化合物，如砷化镓、磷化铟等。根据能带结 构，半导体材料可分为直接跃迁型和间接跃迁型半导 体。根据载流子类型，半导体材料可分为n型和p型半 导体，分别指电子导电和空穴导电的半态的化学原料在衬底上沉 积成膜。
具体技术
包括热丝化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、 金属有机物化学气相沉积等。
溶胶-凝胶法
定义
将固体材料溶解在有机溶剂中， 形成溶胶，再通过凝胶化过程形 成凝胶，最后经过热处理得到所 需材料。
优点
可制备高纯度、高均匀性的薄膜 材料，适用于制备多种类型的半 导体材料。
半导体材料的应用领域
总结词
半导体材料广泛应用于电子、通信、能源、医疗等领域。
详细描述
在电子领域，半导体材料被用于制造集成电路、微电子 器件等，实现电子产品的微型化、高效化和智能化。在 通信领域，半导体材料被用于制造光电子器件、激光器、 探测器等，实现高速、大容量信息传输和处理。在能源 领域，半导体材料被用于制造太阳能电池、风力发电设 备等，实现可再生能源的转换和利用。在医疗领域，半 导体材料被用于制造医疗设备、生物传感器等，实现疾 病的早期诊断和治疗。
自组装与生物功能化半导体材料
自组装技术
自组装技术是一种利用分子间的相互作 用力，将分子自发地聚集在一起形成有 序结构的技术。在半导体领域，自组装 技术可用于制备具有特定功能的纳米结构。
VS
生物功能化
将生物分子或生物活性物质与半导体材料 结合，实现半导体的生物功能化是当前研 究的热点。这种生物功能化的半导体材料 在生物传感器、生物成像和药物输送等领 域具有广泛的应用前景。
半导体机能材料
半导体机能材料
半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，应用于照明、电力电子器件、新能源、移动通信和军事等多个领域。
半导体材料具有点缺陷、线缺陷、原生缺陷和二次缺陷等缺陷。
1833年，英国物理学家、化学家、数学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）首次发现了半导体的性质，并预言其他物质可能具有相似性质。
1947年，第一个晶体管问世，开启了电子学新时代，为半导体工业化生产和制备技术打下了基础。
1963年成功开发了液相外延法，并出现了金属有机化学气相外延法等。
1969年，江畸玲和朱肇祥首先提出了超晶格的概念。
半导体材料可按化学成分进行划分，将具有特殊结构和性能的非晶态半导体和有机半导体分别归为一类。
半导体材料生产包括晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试和封装。
关键技术有晶体生长、杂质控制和离子注入。
半导体材料具有杂质敏感性、热敏性、环境特性等主要特性。
半导体产业已经成为高科技发展的支柱产业，将为科技建设和发展作出更大的贡献。
当前第三代半导体技术发展仍面临缺乏顶层设计、原始创新能力和人才储备不足等瓶颈。
功能材料概论8(半导体材料)
国际上于1941年开始用多晶硅材料制成检波器，可以认为是半导 体材料应用的开始。 1948~1950年用切克劳斯基法成功地拉出了锗单晶，并用它制成了 世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管(点接触三极管)。 1951年用四氯化硅还原法制出了多晶硅，第二年用直拉法成功地 拉出世界上第一根硅单晶，同年制出了硅结型晶体管，从而大大 推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。 20世纪60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工 艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体 材料质量提出了更高的要求。这促使硅材料在提纯，拉晶、区熔 等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开始向高纯度，高完整 性、高均匀性和大直径方向发展。
<1GHz
120oC 低 低 否 杂讯多，不易克服 高 大 低 高
7.3.2 氮化镓（GaN）
GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研 制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等 半导体材料一起被誉为第三代半导体材料。（硅和锗被称为第一代 电子材料，III-V族化合物半导体包括GaAs、GaP、InP及其合金， 被称为第二代电子材料，SiC、c-BN、GaN、AlN、ZnSe和金刚石等 宽禁带半导体材料被称为第三代电子材料。 ）
功能材料学教案-第08章半导体材料
第08章半导体材料20世纪70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进，尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进入信息社会。
微电子技术集中反映了现代电子技术的开展特点。
大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料更加明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性和大尺寸方向开展。
半导体材料的开展与器件紧密相关。
可以说，半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开发的主要动力。
而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能，并促进了新器件的产生。
目前，利用多种气相沉积技术人们还制造一系列薄膜晶体，其中的分子束外延技术可以人为地改变薄膜晶体的晶体结构。
异质结、超晶格、量子阱等新材料的出现，改变了人们设计电子器件的思想。
半导体材料的开展，有着光明的前景。
8.1 半导体材料分类元素半导体元素半导体大约有十几种，在元素周期表上大多数位于IIIA族～VIIA族的金属与非金属的交界处，如Si, Ge〔锗，三声〕, Se〔硒，音西〕, Te〔碲，音帝〕等。
化合物半导体1. 二元化合物半导体〔1〕IIIA-VA族化合物半导体由IIIA族元素Al，Ga，In和V A族元素P，As，Sb〔锑，音梯〕组成的9种化合物半导体，如AlP，AlAs，A1Sb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb等。
〔2〕ⅡB-VIA族化合物半导体由ⅡB元素Zn，Cd，Hg与VIA 元素S，Se，Te组成的化合物半导体，如CdS，CdTe，CdSe等。
〔3〕IV A-IVA族化合物半导体由IVA族的各元素之间组成的化合物半导体，如SiC等。
〔4〕IV A-VIA族化合物半导体由IVA和VIA族元素组成的化合物半导体，如GeS，GeSe，SnTe，PbS，PbTe等。
〔5〕V A-VIA族化合物半导体V A族和VIA族元素组成的化合物半导体，如AsSe3，AsTe3，AsS3，SbS3等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3. 固溶体半导体
固溶体是由二个或多个晶格结构类似的元素化合物相互溶合而成。元 素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导 体。它的一个重要特性是禁带宽度（Eg）随固溶度的成分变化，因此 可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。例如Ge-Si固溶体Eg 的变化范围约在0.7~1.2ev，GaAs-GaP固溶体Eg变化范围约在 1.35~2.25ev。所以可以利用GaAs1-xPx，随x变化而作出能发不同波长 的发光二极管。Sb2Te3-Bi2Te3相Bi2Se3-Bi2Te3是较好的温差电材料。 固溶体半导体用于制备光电子器件、各种波长的激光器、探测器、光 电子集成电路、特种晶体管等 。 又有二元系和三元系之分。如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，VA-VA组 成的Bi-Sb二元系固溶体；(ⅢA-VA)-(ⅢA-VA)组成的三元化合物固溶 体，如GaAs-GaP组成的镓砷磷(Ga-As1-xPx)固溶体和(ⅡA-ⅥA)-(ⅡAⅥA)组成的，如HgTe-CdTe两个二元化合物组成的连续固溶体碲镉汞 (Hg1-xCdxTe)等。
在短短20年间，先后出现了上千种化合物半导体材料。
70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进，尤其是微电子 技术的兴起，使人类从工业社会进入信息社会。 微电子技术是电子 器件与设备微型化的技术，一般来说是指半导体技术和集成电路技 术。它集中反映出现代电子技术的发展特点，从而出现了大规模集 成电路和超大规模集成电路。
按组成和结构分类：元素半导体、化合物半导体、固溶体 半导体、非晶态半导体、有机半导体。
1. 元素半导体 元素半导体大约有十几种处于IIIA族-VIIA族的金属与非金 属的交界处，如Si、Ge、B、Se、Te以及S、P、As、Sb、 Sn等的同素异形体。
硅在整个半导体材料占绝对优势。目前，90％以上的半导 体器件和电路都是用Si来制作的。
第七章 半导体材料
电阻率介于导体与绝缘体之间，其范围为10–3~1010Ω·cm 的一种 固体物质。电流是由带正电的空穴和带负电的电子的定向传输 实现的。
7.1 半导体材料发展概述
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最 先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情 况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的 电阻是随着温度的上升而降低（负电阻温度系数）。这是半导体现 象的首次发现。 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照 下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被 发现的半导体的第二个特征。 1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向 有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通 的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效 应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与 氧化铜的整流效应。
GaN的电学特性是影响器件的主要因素。 未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约 为4×1016/cm2，一般情况下所制备的p型样品，都是高补偿的。 宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2～6.2eV)，可以覆 盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半 导体材料都无法达到的。 主要在蓝光和紫光发射器件上应用。 国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源， 将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命， 而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核 心技术和基础。
室温下GaN禁带宽度为3.4 eV。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。 高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G） 高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环 境） 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（制备通讯设备非常需要）
5.有机半导体
有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合 物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，苯的衍生 物，萘、蒽等。一些有机半导体具有良好的性能，如聚乙烯咔 唑衍生物有良好的光电导特性，光照后电导率可改变两个数量 级。C60也属有机半导体。
7.3 化合物半导体材料
7.3.1 砷化镓（GaAs）
由于太空中几乎没有重力，在这种特殊的环境中，各种比重不同的物质 可以在一起“和平共处”，几乎没有地面上的对流和沉淀等现象，可以 生长出地面上得不到的结构完整、性能优良的晶体材料。
7.2 半导体材料基本概念和分类
7.2.1 半导体材料基本概念
7.2.2 半导体材料的分类
按功能和应用分为：微电子材料、光电半导体材料、热电半导 体材料、微波半导体材料、敏感半导体材料等；
与锗，硅材料发展并行， 化合物半导体材料的研制也早在50年代初 就开始了。1952年人们发现ⅢA-VA族化合物是一种与锗、硅性质类 似的半导体材料，其中砷化镓(GaAs)具有许多优良的半导体性质。 随后各种GaAs 器件如GaAs激光器，微波振荡器(耿氏效应器件)等几 十种GaAs器件相继出现。
随着GaAs化合物半导体材料的出现，其他化合物半导体材料如ⅡAⅥA族化合物、三元和多元化合物等也先后制备成功。
c. IVA族元素之间组成的IVA-IVA族化合物半导体，如SiC等。 d. IVA和VIA族元素组成的IVA-VIA族化合物半导体，如GeS、GeSe、 SnTe、PbS、PbTe等共9种。 e. VA族和VIA族元素组成的VA-VIA族化合物半导体，如AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3等。 （2）多元化合物半导体
发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件 和半导体激光器等。GaAs在无线通讯方面具有众多优势，GaAs是功率放 大器的主流技术。
砷化镓 硅
最大频率范围
最大操作温度 电子迁移速率 抗辐射性 聚光能 高频下使用 功率耗损 元件大小 材料成本 产品良率
2～300GHz
200oC 高 高 是 杂讯少 小 小 高 低
利用非晶硅(a-Si)材料制成了太阳能电池(Solarcell)和其他非晶硅器 件：如存贮器件，传感器件、视频器件、 MOS（金属氧化物半导 体 metal oxide semiconductor）晶体管等器件，都已获得可喜的 进展和成果。 然而，现阶段无论是非晶半导体的理论，还是它在技术领域中的 应用，都只是刚刚被开拓，有的还很不成熟，仍有许多工作尚待 深入，但非晶半导体的前景是很广阔的。 此外，利用多种化学和物理气相淀积技术，可制造一系列薄膜晶 体，其中分子束外延的成功使人为改变晶体结构、制造超晶格材 料成为可能。 在宇航微重力条件下对晶体生长的一系列研究，为半导体材料的 发展，提供了光明的前景。（神舟二号 - 太空实验室）
国际上于1941年开始用多晶硅材料制成检波器，可以认为是半导 体材料应用的开始。 1948~1950年用切克劳斯基法成功地拉出了锗单晶，并用它制成了 世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管(点接触三极管)。 1951年用四氯化硅还原法制出了多晶硅，第二年用直拉法成功地 拉出世界上第一根硅单晶，同年制出了硅结型晶体管，从而大大 推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。 20世纪60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工 艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体 材料质量提出了更高的要求。这促使硅材料在提纯，拉晶、区熔 等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开始向高纯度，高完整 性、高均匀性和大直径方向发展。
周期 2 3 4 锌Zn ⅡB ⅢA 硼B 铝Al 镓Ga ⅣA 碳C 硅Si 锗Ge ⅤA 氮N 磷P 砷As 硫S 硒Se ⅥA ⅦA
5
镉Cd
铟In
锡Sn
锑Sb
碲Te
碘I
2. 化合物半导体
（1）二元化合物半导体 a. IIIA族和VA族元素组成的IIIA-VA族化合物半导体。即Al、Ga、In 和P、As、Sb组成的9种IIIA-VA族化合物半导体，如AlP、AlAs、 Alsb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等。 b. IIB族和VIA族元素组成的IIB-VIA族化合物半导体，即Zn、Cd、Hg 与S、Se、Te成的12种IIB-VIA族化合物半导体，如CdS、CdTe、 CdSe等。
4. 非晶态半导体
非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，有时 也叫无定形物质。在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻 体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、光、温度等）时，就 呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半导 体。主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体及 GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。非晶态半导体材料 在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应 用方面都有令人鼓舞的前景。例如，a-Si 太阳能电池产量已占总太 阳能电池产量的30％，它不仅占领了计算器等家用电器电源的市场， 而且装备了太阳能电池汽车和模型飞机；500kW的电站己投入试运 行。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好 （几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力。
在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前 景，是很优越的微波材料，其硬度高，又是一种良好的涂层保护材 料。
在室温下，GaN不溶于水、酸和碱；在热的碱溶液中以非常缓慢的 速度溶解；NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN，可用 于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测；GaN在HCL或H2气中，在 高温下呈现不稳定特性；而在N2气下最为稳定。