第4章 半导体材料概述
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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
C60分子由五原环和 六元环构成的炭笼分 子结构
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。
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。
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。
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
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。
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
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้ 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
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。
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。
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
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
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
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
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
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
C60分子由五原环和 六元环构成的炭笼分 子结构
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。
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。
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。
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
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。
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
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้ 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
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。
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。
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
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
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
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
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