第一章半导体材料绪论教材课程

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。
二、半导体材料的分类
+4 +4 +4
+4 +4 +4
空穴
自由电子
Baidu Nhomakorabea
+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。
超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的成功
改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造 从“杂质工程”发展到“能带工程”
纳米科学技术的发展和应用,使人类能从原子、分子或纳 米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电 路，必将彻底改变人们的生活方式
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。
二、半导体材料的分类
2. 杂质半导体
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。
(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。
二、半导体材料的分类
多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3–Na2O 红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、…
多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km，而不需放
大。
四、半导体材料的地位、历史和 发展趋势
2.负电阻温度系数 Si：T=300K ρ=2 x 105 Ωcm
T=320K ρ=2 x 104Ωcm 3.具有整流效应
一 、半导体的主要特征
4.光电导效应
在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发 出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增 加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就 是基于这种效应的光电器件。
熟悉砷化镓等化合物半导体的基本性质 掌握相图的识别方法并会用相图来指引实际生产中
工艺条件选择 掌握化学提纯和区熔提纯 掌握晶体生长的原理；通过对外延的学习对半导体
工艺有基本了解 掌握半导体材料制备方法及性能控制原理 了解其他化合物半导体及氧化物半导体材料的性质 了解其他半导体材料的发展趋势
一、 半导体的主要特征
5.具有光生 伏特效应
1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使 半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称 为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
一、 半导体的主要特征
光照对半导体的影响
硫化镉(CdS)半导体薄膜，无光照时的暗电阻为 几十MΩ，光照时阻值下降为几十KΩ
N型半导体
硅原子 多余电子
磷原子
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
二、半导体材料的分类
(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 空穴 硼原子
电子空穴对 P型半导体
空穴
－ － －－
－ － －－
－ － －－
❖Ⅱ-Ⅵ族，Zn0，主要用于光电器件，场致发光 ❖Ⅳ-Ⅵ族，PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件 ❖氧化物半导体，SnO2 ❖硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te) ❖稀土化合物半导体,EuO,TmS
有机物半导体：酞菁类、多环、稠环化合物
二、半导体材料的分类
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”。
绪论的主要内容
❖ 半导体的主要特征 ❖ 半导体材料的分类 ❖ 半导体材料的主要应用 ❖ 半导体材料的发展现状与趋势 ❖ 纳米科技和纳米材料
一、 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
气体、压力、磁场等对半导 体电阻率都产生较大的影响
气敏传感器
压力传感器
霍尔传感器
二、半导体材料的分类
❖ 从功能用途分
光电材料,热电材料,微波材料,敏感材料等
❖ 从组成和状态分
无机半导体,有机半导体,元素半导体,化合物半导体
二、半导体材料的分类
无机物
元素半导体：化学元素周期表 化合物半导体
❖Ⅲ-Ⅴ族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光电器件的主要 材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于 制作红外器件和霍耳器件。
Devices ❖ http://www.sosemi.net/ ❖ http://www.c-e-m.com/
考核方式
❖ 任选课，3个学分，48学时 ❖ 考核方式：闭卷笔试 ❖ 课程成绩评分
—考试70%,平时30% （出勤、课上表现） ❖ 考试内容
—以教材和上课内容为主
学习目的和要求
熟悉硅、锗等元素半导体 包括硅、锗单晶中的杂质和缺陷问题
exp( Ea )
K BT
半导体材料的地位
国民经济
国家安全
科学技术
通信、高速计算、 大容量信息处理、 空间防御、电子对 抗、武器装备的微 型化、智能化
半导体微电子和光电子材料
半导体材料的地位 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
世纪70年代初，石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明， 促进了光纤通信技术迅速发展，使人类进入了信息时代
多数载流子—— 空穴
受主离子 少数载流子——自由电子
三、半导体材料的主要应用
二极管、三极管等分立器件 集成电路 微波器件 光电器件 红外器件 热电器件 压电器件
微电子器件
第一个微处理器（1971）
光电子器件
光纤材料
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F
半导体材料
参考书目与教材:
❖ 《半导体材料》杨树人等 （教材）
❖ 《半导体材料》王季陶 刘明登主编 高教出版社 ❖ 《半导体材料浅释》万群 化学工业出版社 ❖ Robert F.Pierret: Semiconductor Device
Fundamentals(Part1) ❖ Donald A.Neamen: Semiconductor Physics and