第4章 半导体材料概述
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。
华南理工半导体物理—第四章
E=0 2
1 6 3 随机热运动 4
5
当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上 受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向 被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上 ，此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity) 一个电子由于随机 的热运动及漂移成分两 者所造成的位移如图所 示。 值得注意的是，电 子的净位移与施加的电 场方向相反。
电离杂质散射 • 半导体中的电离杂质形成正、负电中心， 对载流子有吸引或排斥作用，从而引起载 流子散射。
电离杂质散射几率
Pi N iT
3
2
上式表明，随着温度的降低，散射几率 增大。因此，这种散射过程在低温下是 比较重要的。
Байду номын сангаас
晶格振动散射
半导体晶体中原子的振动是引起载流子 被散射的主要原因之一。
mn n 0.26 0.911030 kg 1000104 m2 / V s c q 1.6 1019 C
1.48 1013 s 0.148 ps.
又
1 3 3kT 2 mn vth kT vth 107 cm / s 2 2 mn
所以，平均自由程则为
漂移运动，迁移率与电导率
• 漂移运动：载流子在电场力作用下的定向运动， 定向运动的速度称为漂移速度
j E
vd n E
j nqvd
jn nqn E
n nqn
J jn j p (nqn nq p ) E
(nqn nq p )
载流子散射
j E
dI dV J E ds dl
半导体中电流的大小还可以从另一个角度 来理解。
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
第半导体物理课件 第四章
用，对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密 相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半 个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散 射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不 变，－－弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能 量有较大的改变，－－非弹性散射。
迁移率和杂质与温度关系
杂质浓度较低，迁移率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高，迁移率下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子迁移率缓慢上升，直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大，所以迁移率随温度升高而增大；温度继续升 高后，又以晶格振动散射为主，故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射．对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的．但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限于讨论各向同性的 散射。
5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点：
a、声学波散射： Ps∝T3/2 b、光学波散射：P o∝[exphv/k0T）]-1
2）电离杂质散射：即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。
3)其它散射机构
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体的n型和p型概要
在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
10
模拟电子技术基础
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
22
3.杂质半导体
杂质半导体的示意图
多子—空穴 P型半导体 多子—电子 N型半导体
－
－ － 少子—电子
－ － －
－
－
－ －
+
+ +
+
+ +
+ + +
+ + +
－ －
少子—空穴
多子浓度——与杂质浓度有关
少子浓度——与温度有关
23
4.掺杂工艺简介
杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩 散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由 高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓 度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高 温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内， 杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由 离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电 路，因为二者互补不足，相得益彰。
14
3.杂质半导体
应当注意，通过增加施主原子数可以提高半导 体内的自由电子浓度，由此增加了电子与空穴 的复合几率，使本征激发产生的少子空穴的浓 度降低。由于电子与空穴的复合，在一定温度 条件下，使空穴浓度与电子浓度的乘积为一常 数，即 pn = pini 式中pini分别为本征材料中的空穴浓度和电子 浓度，可以得到如下关系式： pn = ni2
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
第四章 平衡半导体
n0
Nc
exp
Ec EF
kT
2.8 1019
exp
0.22 0.0259
5.731015 cm3
p0
Nv
exp
Ev
EF kT
1.04 1019
exp
0.90 0.0259
8.43103 cm3
说明：此半导体为 n 型半导体
4. 1. 3 本征载流子浓度
本征半导体中：
说明：在某一温度下的给定半导体材料，n0和 p0的乘积总是一个常数。
另外一种推导方法
n0
Nc
exp
Ec EF
kT
p0
Nv
exp
EF kT
Ev
n0
p0
Nc Nv
exp
Ec Ev
kT
exp
Eg kT
n0 p0 ni2
说明：在某一温度下的给定半导体材料，n0和 p0的乘积总是一个常数。
0.01727ev
ni2 2.81019
1.04 1019
200 300
3
exp
1.12 0.0727
5.9
109
ni 7.68104 cm3
说明：当温度降低100摄氏度时，本征载流子 浓度降低大约六个数量级。
4. 1. 4 本征费米能级位置
电子和空穴浓度相等
Nc
exp
Ec
EFi kT
0.27 0.03453
6.43
1015
cm3
说明：任意温度下的该参数值，都能利用 T=300K 时 Nv 的取值及对应温度的依赖关系求 出
例题分析 III：
计算 T=300k 时硅中的热平衡电子和空穴
第04章 半导体分立器件
串联限幅器的输出电压波形是输入电压波形中高于 稳压二极管击穿电压的部分，它可以用来抑制干扰 脉冲，提高电路的抗干扰能力。 并联限幅器的输出电压波形是输入电压波形中低于 稳压二极管击穿电压的部分，它可以用来整形和稳 定输出波形的幅值，还可以将输入的正弦波电压整 形为方波电压。
（3）稳压二极管的主要参数
a．稳定电压UZ
– 稳定电压UZ是指稳压二极管反向击穿后的稳定工 作电压值。
b．稳定电流IZ
– 稳定电流IZ是指工作电压等于稳定电压时的工作 电流。
（4）稳压二极管的应用
a．基准电压源
U0 R
UL
C
DZ
RL
– 所示，为利用稳压二极管提供基准电压源的电路。 交流电压经过变压器降压，桥式整流电路整流和电 容器滤波后，得到直流电压U0，再经过电阻R和稳 压管DZ组成的稳压电路接到负载上，便可得到一个 比较稳定的电压。
的电场与阻挡层原来的电场方向相同，使得阻挡层内总的电
场增强，阻挡层变宽。外加反向电压破坏了原来阻挡层内扩 散和漂移的平衡，使电场的漂移作用占了优势。因而，P区 和N区中的多数载流子的扩散运动被阻止。由于本征激发， P区中的少数载流子电子一旦运动到PN结的边界处，在电场
的作用下被拉到N区，形成电子电流。同样，N区的少数载
第4章 半导体分立器件
4.1 概 述 半导体分立器件种类繁多，通常可分为半导体 二极管、晶体三极管、功率整流器件和场效应 晶体管等。
半导体二极管又可分为普通二极管和特殊二极 管两种。普通二极管包括整流二极管、稳压二 极管、恒流二极管、开关二极管等。特殊二极 管包括肖特基势垒管（SBD）、隧道二极管 （TD）、位置显示管（PIN）、变容二极管、 雪崩二极管等。
第四部分：用多位数字表示器件在日本电子工业协 会（JEIA）的注册登记号，它不反映器件的任何特 征，但登记号数越大，表示越是近期产品。 第五部分：用字母A、B、C、D等表示这一器件是 原型号产品的改进产品。
半导体器件物理(第四章)_Part1_238403818
半导体器件物理进展第四章CMOS的等比例缩小、优化设计及性能因子CMOS Scaling, Design Optimization, and Performance FactorsPart 1 MOSFET模型及小尺寸效应内容提要：MOSFET结构及其偏置条件MOSFET的漏极电流模型MOSFET的亚阈区特性与温度特性 MOSFET的小尺寸效应MOSFET的缩比特征长度MOSFET的速度饱和效应1. MOSFET结构及其偏置条件MOSFET在实际集成电路中的剖面结构如下图所示。
横向：源-沟道-漏;纵向：M-O-S；几何参数L：沟道长度；W：沟道宽度；t ox：栅氧化层厚度；x j：源漏结深；MOSFET的发展简史：早期：主要采用铝栅电极，栅介质采用热氧化二氧化硅，扩散形成源、漏区，其与栅电极之间采用非自对准结构，场区采用厚氧化层隔离；中期：栅极采用N型掺杂的多晶硅栅，源、漏区与栅极之间采用自对准离子注入结构，场区采用硅的局部氧化工艺（LOCOS）实现器件隔离；后期：栅极采用互补双掺杂（N型和P型）的多晶硅栅，源漏区与栅极之间采用LDD（轻掺杂漏）结构和金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离（STI）技术。
近期：栅极采用难熔金属栅极（例如W、Mo等），栅介质采用高K介质材料（例如氧化铪等），源、漏区与栅极之间采用自对准金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离或其它介质隔离技术。
一个自对准MOSFET的工艺制造过程以NMOS器件为例，包含四个结构化的光刻掩模：（1）场区光刻掩模：利用氮化硅掩蔽的LOCOS局部氧化工艺，在P型掺杂的硅单晶衬底上定义出器件有源区和场氧化层隔离区；（2）栅极光刻掩模：通过多晶硅的淀积、光刻和刻蚀工艺，定义出器件的多晶硅栅电极；（3）接触孔光刻掩模：通过对源漏有源区及多晶硅栅电极上二氧化硅绝缘层的光刻和刻蚀工艺，定义出相应的欧姆接触窗口；（4）铝引线光刻掩模：通过铝布线金属的溅射、光刻和刻蚀工艺，定义出器件各引出端的铝引线电极；对于包含PMOS器件的CMOS工艺，则还需要增加一步N阱区的掩模及其光刻定义。
半导体是啥材料
半导体材料的特性和应用
半导体材料是一类在导电性能上介于导体和绝缘体之间的材料。
它的电导率介
于金属和绝缘体之间，因此在电子学中具有重要的应用价值。
半导体材料的特性主要取决于其电子结构和晶格结构。
主要特性：
1.能带结构：半导体材料的能带结构决定了其导电性能。
在晶体中，
价带和导带之间存在一个带隙，只有当外加能量足够大时，电子才能从价带跃迁到导带。
2.载流子：半导体中存在两种载流子，即电子和空穴。
在摄氏零度时，
半导体中几乎没有自由载流子存在，而在升温时，电子和空穴会被外加电场或光照激发出来，从而形成电流。
3.掺杂：通过加入少量的杂质可以改变半导体的导电性能。
掺杂有两
种类型：N型掺杂和P型掺杂，分别用掺入施主杂质和受主杂质来增加载流
子的浓度。
应用领域：
1.电子器件：半导体材料是电子器件制造的重要基础材料，如二极管、
晶体管、集成电路等，广泛应用于电子产品中。
2.光电领域：半导体材料还可用于光电器件的制造，如太阳能电池、
激光器、LED等，对光电转换具有重要作用。
3.传感器：利用半导体材料的特性，可以制造各种传感器，如光敏传
感器、压力传感器、温度传感器等，用于检测环境中的各种信号。
4.通信：半导体材料在通信领域中应用广泛，如光通信系统、微波器
件等，为信息传输提供必要的支撑。
总的来说，半导体材料以其独特的电学特性，在现代电子领域中扮演着不可或
缺的角色，为人类社会的科技进步和生活带来了巨大便利。
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
第四章 半导体中载流子的输运现象在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。
我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。
半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。
由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。
其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。
载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体内形成电流。
此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。
载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流－电压特性。
因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。
4.1漂移电流密度如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加电场的作用下，电子和空穴将产生净加速度和净移位。
电场力的作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。
载流子电荷的净漂移会产生“漂移电流”。
如果电荷密度为ρ的正方体以速度dυ运动，则它形成的电流密度为()4.1dr fdJ ρυ=其中ρ的单位为3C cm - ，drfJ 的单位是2Acm -或2/C cms 。
若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度epρ=，e 为电荷电量191.610(e C -=⨯库仑），p 为载流子空穴浓度，单位为3cm -。
则空穴的漂移电流密度/p drfJ可以写成：()()/ 4.2p drf dpJ ep υ=dp υ表示空穴的漂移速度。
空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为()*4.3p F m a eE==e 代表电荷电量，a 代表在电场力F 作用下空穴的加速度，*pm 代表空穴的有效质量。
如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。
但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。
半导体物理分章答案第四章
• 漂移运动 • 迁移率 • 电导率
1、漂移运动
漂移运动：载流子在外电场作用下的定向运动。
E
漂移运动
电子 空穴
结论
在严格周期性势场（理想）中运动的载流子 在电场力的作用下将获得加速度，其漂移速度应 越来越大。
实
E
际
电子
情
况
载流子的散射 载流存子在破在坏半周导期体性中势运场的动作时用，因不素断：与振动 着载的 流晶 子格 速原 度子 的或 大杂小晶质及格杂缺离方热质陷子向振发均动 生发碰生撞改，变碰 ，撞 这后 种 现象称为载流子的散射。
3、多能谷半导体的电流密度及电导有效质量
硅在三个晶轴方向上分布六个对称的为旋转椭球等能面 的能谷，则
Jx
n 3
q1Ex
n 3
q2 Ex
n 3
q3Ex
1 3
nq(1
2
3 )Ex
令 J x nqc Ex
其中
c
1 3
(
1
2
3 )
q n
mc
对于硅、锗，均可证明
重新分布，设低能谷处电子的有效质量为m1*，迁移率为μ1， 电子浓度为n1，状态密度为N1；高能谷的相应各物理为m2*、 μ2、n2和N2，则双能谷半导体的电导率为：
q(n11 n22 ) qn
式中n =n1 + n2，为总载流子浓度，
n11 n22 n
为平均迁移率。
在电场作用下通过此样品的电流密度及及平均漂移速度为：
J E qnE qnvd
vd
E
第四章_半导体的导电性
设有N个电子以速度v沿某方向运动，N(t)表示在t时刻尚
未遭到散射的电子数。则 t 到 t＋△t 时间内被散射的电 子数为N(t) P△t，即：
N (t ) N (t t ) N (t ) Pt
当△t很小时，可以写为：
dN t N t＋t －N t lim ＝－ PN t t 0 dt t
30
4.2.2 载流子的散射
3）其他散射机构
a. 中性杂质散射：在温度很低时，未电离的杂质(中性杂质)的数目
比电离杂质的数目大得多，这种中性杂质也对周期性势场有一定 的微扰作用而引起散射．但它只在重掺杂半导体中，当温度很低，
晶格振动散射和电离杂质散射都很微弱的情况下，才起主要的散
射作用． b. 位错散射：位错线上的不饱和键具有受主中心作用，俘获电子后
h l 3 2 1 f h l P0 1 2 nq
k0T
k 0T
n q＝
exph a k0T 1
1
γl为声子频率， nq为平均声子数 ，f h γ k0T 为T的缓缓变函
l
பைடு நூலகம்
其值值0.6变化到1.0
散射几率随温度的变化主要取决于 平均声子数，其随温度按指数上升:
14
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
总漂移电流密度为：
J nqn ＋pqp E
与欧姆定律微分形式比较得
到半导体电导率表示式为：
nq n ＋pq p
电子和空穴的漂移运动
15
4.2.1 漂移运动
迁移率与电导率
对于n型半导体（n>>p），电导率为
nqn
对于p型半导体（p>>n），电导率为：
半导体物理与器件第四章3
n0 Na pa p0 Nd nd
在非简并条件下， 且杂质完全电离 （常温低掺杂）：
n0 p0 ni 2
nd pa 0
n0 p0 ni 2
n0 Na p0 Nd
n02 Nd Na n ni
n0
Nd Na 2
Nd Na 2 n i 2
2
对n型半导体 一般 掺杂 所以 ：
Nd ni
n0 Nd
则：
Nc Ec EF kT ln Nd
可用另外一种方式来推导费米能级位置：
由
EF EFi n0 ni exp kT
当
Na Nd ni
n0 p0 ni
当有效掺杂浓度远小于ni时，对于非简并完全电离的补偿 半导体，多子浓度近似等于本征载流子浓度，此时半导体 具有本征半导体的特性 特别的当
Na Nd 0 ni 半导体为完全补偿半导体
n0 p0 ni
杂质半导体的载流子浓度与杂质浓度的关系： 一定温度下，当杂质浓度小于ni时，n0，p0都等于ni， 材料视为本征的。 一定温度下，当杂质浓度大于ni时，多数载流子由杂质浓 度决定，随杂质浓度增加而增加，少数载流子随之减少。
4.6 费米能级的位置
从热平衡电子浓度的表达式：
Ec EF n0 N c exp kT Nc Ec EF kT ln n0
在常温下，杂质完全电离的 非简并半导体 ，载流子浓度由此前的与掺杂 浓度有关的方程给出。 即n0 为 ：
同样，对于掺入受主杂质的p型非本征半导体材料，在室 温下，对于1016cm-3左右的典型受主杂质掺杂浓度来说， 其掺杂原子也已经处于完全电离状态。
半导体材料是什么
半导体材料是什么
半导体材料，作为一类在电子行业中广泛应用的材料，其特性和应用场景备受
关注。
通过探究半导体材料的定义、特性和应用领域，我们能够更深入地了解这一领域的重要性。
定义
半导体材料是指在电导率介于导体和绝缘体之间的材料，其电导度比绝缘体高
但比导体低。
半导体材料在晶体结构方面具有晶体性，其电子的原子轨道布局使得在一定条件下能形成能带结构。
特性
具有以下几个主要特性： - 热激发的载流子 - 随温度升高，电导率变化显著 - 具有负温度系数 - 断带较窄 - 电子与空穴的传输 - 受光照射影响
应用领域
半导体材料广泛应用于电子、光电子、集成电路、太阳能电池等领域。
其中，
集成电路是应用最为广泛的领域之一。
半导体材料在集成电路中作为微小电子元件，承担着信息传输、存储和处理等重要功能。
此外，半导体材料还被广泛应用于半导体激光器、光电探测器等光电子领域，以及高效率的太阳能电池中，对环境友好的新能源领域也有广泛应用。
发展趋势
随着科技的进步和工业需求的不断增加，半导体材料的研究和应用也在不断向
着更高效、更节能、更环保的方向发展。
未来，随着半导体材料的不断创新和应用领域的拓展，相信其在电子与光电子领域的重要地位将会进一步巩固并发挥更加重要的作用。
【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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常温常压下发生向金 刚石转变的结构变相， 为金刚石的人工合成 提供了潜在的新途径
金刚石薄膜CVD淀 积前在衬底上涂一层 C60对成核起明显促 进作用
炭笼分子结构
3）碳纳米管（CNT）
碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米 的中间空闭合管状物。
螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米 管为半导体，其余为导体
替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有 了希望
双壁碳纳米管纳机电系统用
3、灰锡
锡有两种同素异形体，灰锡和白锡 灰锡：不稳定；具有金刚石结构，立方晶系 白锡：四方晶系 窄禁带特征有可能用于远红外探测器方面
气敏半导体 微电子半导体
∶ ∶
按组成 按结构
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
单晶半导体 晶体
多晶半导体 非晶、无定形半导体
2）元素的电负性与原子的结合
电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共 有电子偶的能力。
其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。
其一般规律为：价电子数相同的原子，电子壳层 越多，电负性越弱，电子壳层数相同的原子，价 电子数越多，电负性越强。
电负性决定原子结合性质
同种元素结合：电负性小者倾向于按金属键结合 （铜、银、金），电负性大者倾向于按共价键结合 （金刚石、硅、锗）
化合物结合：电负性差别较大的两种元素倾向于按 离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于按 共价键结合
3）半导体的晶体结构
晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复 排列构成的固体物质，具有规则几何外形。
按ABAB顺序堆垛
半导体的晶体结构
结构类型
半导体材料
极性差别
金刚石型
Si，金刚石，Ge
闪锌矿型 GaAs，ZnO，GaN，SiC 小（共价键占优势）
纤锌矿型 InN，GaN，ZnO，SiC
大
NaCl型
PbS，CdO
4.2 元素半导体
硒 结晶炭 灰锡 锗 硅
周期表中半导体相关元素
周期
4、 锗
1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期 表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。
1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿 中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium） 以纪念他的祖国。
Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50 年代，Ge是主要的半导体电子材料
夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
晶胞中质点的占有率
体心
面心
棱边 顶角
晶胞中各质点的占有率
立方晶胞
体心： 1 面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
金刚石结构
金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构 成的立方点阵为金刚石结构 8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子
109º28´
闪锌矿结构
闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成 的立方系晶体点阵称为闪锌矿结构 按ABCABC顺序堆垛
纤锌矿结构
纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型 变体，具有六角对称性
2、结晶炭
1）金刚石
金刚石薄膜具有禁带很宽、高热 导率、高临界击穿电场、高电子 饱和速度、低介电常数，适合制 造高性能电力电子器件和高温电 子学器件
电阻率很高，但掺杂可使电阻率 降低
高热导率 ，可作切割工具燃料
对光的折射率高，吸收系数低， 在光电子学领域存在潜在的应用 价值
金刚石2）C60来自锗的分布 锗在地壳中含量约为 百万分之一，分布极 为分散，常归于稀有 元素；
1. 在煤和烟灰中； 2. 与金属硫化物共生； 3. 锗矿石
锗
锗的应用
属金刚石结构 由于Ge的禁带较
窄，器件稳定工 作温度远不如硅 器件高，加之资 源有限，目前， Ge电子器件不到 总量的10%，主 要转向红外光学 等方面。
第四章 半导体材料概述
第四章 半导体材料概述
4.1 半导体材料的晶体结构与分类 4.2 元素半导体 4.3 化合物半导体 4.4 有机半导体 4.5 非晶半导体 4.6 精细结构半导体
4.1 半导体材料的晶体结构与分类
1）半导体材料的分类
光电半导体
按功能和应用
热电半导体
微波半导体
a
立方 Cubic
c ba 四方 Tetragonal
c ba
正交 Rhombic
c
c
c
ba
c ba
ba
a b
三方 Rhombohedral 六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic 三斜 Triclinic
晶系 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 三斜
晶轴 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c
大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸 作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石 复杂组成的大门。
晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点 作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重 复出现的结果。
晶胞参数
我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。
构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、 β、γ称为晶胞参数。
它们决定了晶胞的大小和形状。
七大晶系
c
b
αβ γ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
2
硼B 碳C 氮N
3
铝Al 硅Si 磷P 硫S
4
锌Zn 镓Ga 锗Ge 砷As 硒Se
5
镉Cd 铟In
锑Te
1、硒
实际应用的最早半导体材料
禁带较宽，大于1.7ev
分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红 硒、灰硒）
主要用来制作光电池、摄像靶、整流器；
硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等 优点
5、 硅
硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。