非晶态半导体
第四章半导体材料
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
τ ——弛豫时间。电子经两次碰撞间的平均自由时间。
电子在运动时受杂质、缺陷碰撞而改变方向，形成阻力
Si：m*=0.5m0；GaAs： m*=0.07m0
价带
价带
n型半导体 型半导体
p型半导体 型半导体
以上杂质能级处于禁带中导带低或价带顶附近，故 称为浅能级杂质 浅能级杂质 如果杂质或缺陷（C、O、N、Fe、Cu、Ag、Au等） 及晶体缺陷（空位、位错），产生的能级往往在禁带中 部，称为深能级 深能级。 深能级 深能级杂质一般是在材料生长、器件制造时无意带进 的。
Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P P P P
施主
P P P P
n型半导体 型半导体
价带
施主
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
Hale Waihona Puke 2、掺杂或调制超晶格 、 同一材料交替改变掺杂类 型，产生系列抛物线势阱。 优点：任何半导体材料都可以做超晶格；杂质引起晶 优点 格畸变小，无明显界面；有效能隙可以调到任何值。 3、多维超晶格 、
一维超晶格 二维超晶格 三维超晶格
二维量子阱
一维量子线
0维量子点
可以出现更多的光电特性
4、应变超晶格 、 晶格常数相差较大的两种材料组成（可以做出比Si 器件更高速的电子器件）
半导体物理发展历程
一、半导体物理的发展历程半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术发展的重要物理基础。
半个多世纪以来,半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展,而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。
温故而知新。
今天,我们重新认识它的发展规律与特点,对于把握半导体物理在21世纪的发展走向具有直接的现实指导意义。
（一）半导体物理早期发展阶段?20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。
1928年布洛赫提出着名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。
1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。
到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。
1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。
1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。
这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。
?晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。
早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。
因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。
直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。
之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。
20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。
第一二三代半导体材料
1.第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。
作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
2.第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
3.第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。
在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。
在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
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
非晶态半导体
• 扩展态与定域态交界处的能量称作迁移率边。
• 由两个迁移率边确定的能量差为迁移率隙。
• T=0K时，能量在定域态范围内的电子的迁移率为零。当电 子态能量通过扩展态与尾部定域态交界处的临界能量，即 进入扩展态时，电子迁移率突增至一个有限值。
• 在T0时，定域态中的电子可以通过与非晶格子相互作用而 进行跳跃式导电，故迁移率并不为零，但与扩展态中电子 的迁移率相比要小得多。
非晶态半导体的本征导电机理
• 除了扩展态的电子外还有局域态电子的电导。 在的温能度态较而高导时电，，电形子成可扩被展激态发电到导迁。移温边度E较C低以时上， 电声子 子只 的能 帮被 助激 从发一到个接定近域态EC跃的迁带到尾另态一，个然定后域通态过 而导电，形成带尾态电导。在温度更低时，电 子的的只 帮 近能 助 程从 跃 跳费 迁 跃米 到 电能导EF以级。上在EF的以温邻下度近的极空能低态量时，状，形态能成通量定过在域声EF态附子 近的电子，只能在能量相近的能级之间作变程 跳跃。
• 考虑到缺陷时，能带图中 应包含带隙中的缺陷态。 戴维斯-莫特提出了右图所 示的能带模型，其中Ex和 Ey分别表示由悬挂键引起 的深受主和深施主态，它 们互相交叠而EF则被钉扎 在二者中间。
• 实际非晶体中的缺陷是很 复杂的，而且还随着制备 过程中的条件不同而改变， 因此不能用这样简单的模 型来说明带隙中的状态。
• 当体系的费米能级处于带尾定域态范围时，只有通过热激 发使电子从定域态跃迁到迁移率边以上的能态才能产生导 电性能，导电性表现为非金属型的。如果费米能级进入扩 展态区域，则处于扩展态中的电子将可象金属中电子那样 导电，导电性表现为金属型的。
• 这种当费米能级通过迁移率边从定域态进入扩展态时发生 的导电性从非金属到金属型的转变称做安德森转变。
非晶态半导体
安德森近似地假设其体系的哈密顿算符
Hˆ En n n V n m
n
nm
式中对m求和是指对n最邻近的格点求和，En是随格点不同而变的。在理想周期势场 中，即没有叠加无规势场时，式中En= E0，为一常数。安德森提出了一个区分扩展 态和定域态的定义：假设一个电子在t=0时处在n格点处的某个态中，由于第二项微
使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有这样结构的
太阳能电池称为叠层电池。理论值可以达到68% 。
理论值
43%
双结 三结
理论值 49%
2008年United Solar公司在Julich 研究中心测试三 结的效率超过 15%
感谢阅读
轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小， 如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻 掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能 带弯曲较小，电池的开路电压受到限 制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料 形成p+-n+结，那么，由于重 掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高， 少子寿命低，电池的性能会很差。
p a–Si - i a–Si - n μc–Si结构
电子在非晶硅中的扩散长度 为10μm，空穴在非晶硅中 的扩散长度为1μm
技术路线图
p a-Si-i a-Si-n μc -Si结构中，p a-Si和μc –Si的厚度大约为 10nm，但是10nm p a-Si会吸收掉20%左右的入射光，削 弱电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小，因 此使用宽带隙透明的非晶碳化硅膜代替p a-Si作窗口层， 此外它还可以通过内建电势的升高提高开路电压。
技术路线图
微晶硅有较高的掺 杂效率，在同样的 掺杂水平下，其费 米能级远离带隙中 央的程度比非晶硅 高。另一方面，微 晶硅的带隙不会因 为掺杂而有明显的 降低，因此用微晶 硅做太阳能电池的 接触层，既可减小 串联电阻，也可增 加开路电压.
(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。
第3章 非晶态材料的基本概念
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3.1.3 非晶态材料的特性
1. 高强度、高韧性
许多非晶态金属玻璃带，即使将它们对折，也不会产 生裂纹。 对于金属材料，通常是高强度、高硬度而较脆，然而 金属玻璃是两者兼顾，不仅强度高、硬度高，而且韧 性也较好。
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• 此外，镧系稀土金属和后过渡金属组成的二元系的共
晶点也很低，在共晶成分附近也能获得非晶态，其中
多数是富稀土合金，如 La-Au18-26, La78Ni22, Gd-Fe3250, Er68Fe32, Gd-Co40-50……
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(3) IIA族金属的二元或多元合金
• Ca-Al12.5-47.5, Ca-Cu12.6-62.5, Ca-Pd, Mg-In25-32, Be-Zr50-70, Sr70Ge30, Sr70Mg30……这类合金形成 非晶态的成分范围非常广。
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❖ 其他的金属玻璃和镍基、钴基非晶态合金也都有 极佳的抗腐蚀能力。
❖ 利用非晶态合金几乎完全不受腐蚀的优点，可以 制造耐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽、磁分 离介质及化学工业的催化剂，目前都以及达到了 实用阶段。
1. 非晶态合金 2. 非晶态半导体材料 3. 非晶态超导体 4. 非晶态高分子材料 5. 非晶态玻璃
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1. 非晶态合金
❖ 非晶态合金也叫金属玻璃，它既有金属和玻璃的优 点, 又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎, 没有延 展性。金属玻璃的强度却高于钢, 硬度超过高硬工具 钢, 且具有一定的韧性和刚性, 所以, 人们赞扬金属玻 璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。
半导体物理学(第七版)+电子工业出版社++刘恩科等编著+PPT第13章非晶态半导体
wsw 100420098
一、非晶态半导体的结构
1.晶体和非晶态固体
晶体特征是其中原子排列具有周期性； 非晶态固体原子排列不具有周期性； 非晶态固体原子排列并非是完全杂乱无章的，在一 个或几个原子范围内有一定排列规律。 例如非晶体硅，每一硅原子周围仍有四个近邻硅原 子，大体保持单晶硅的固体结构，但其键角和键长 发生畸变，键角随机地在109°28’±10°波动。
（3）非晶半导体的能带模型（莫特-CFO模型） 该模型认为由于非晶态的无序，使导带底和价带顶 部分别产生由定域态组成的带尾，它们一直延伸到 禁带中部并互相交叠。费米能级以上带正电，以下 带负电，其本身补钉扎在带隙的中央附近。
图6.能带模型示意图
莫特-CFO模型对于多数非晶半导体是不适合 的，这些材料对红外及部分可见光都是透明 的，说明仍有明确的带隙存在。图6所示的模 6 型一般认为更合理。实际的非晶材料中总是 有缺陷，如杂质、点缺陷处悬挂键及微空洞。
（4）非晶态半导体的化学键结构 非晶固体中，由于微扰作用，成键态能级 分裂为价带，与反键态对应的能级分裂为导 带。 价电子壳层不到半充满时，所有电子可以 不配对，形成的共价键数目与价电子数相等； 价电子壳层中电子超过半满，只有未配对 的电子才能形成共价键，其数目为8-N，N为 价电子数，称为8-N定则。
3.非晶态结构的基本特征 （1）短程有序，长程无序； （2）亚稳性。晶态是自由能最低的状态（平 衡态），用述的两种方法制得的方法自由能 都比晶态的高，不是最稳定状态，但由于动 力学因素，半导体仍能稳定存在称为亚稳态， 并且用第一种方法制备的半导体更稳定。
A，B，C……分别表示构成体系的各种原子，x1，x2， x3……表示各原子所占的百分数。则平均配位数为：
非晶态半导体
非晶态半导体
非晶态半导体是指具有非晶结构的半导体材料，其晶体结构不规则，没有明确的晶体面向，因此也被称为无定形半导体。
这种材料具有很多优异的电学、光学、磁学和力学性质，被广泛应用于太阳能电池、光电器件、储能器件、传感器、液晶显示器等领域。
非晶态半导体的制备方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、离子注入等。
其性质与其组成元素、制备方法、处理工艺等有关。
一般来说，非晶态半导体的电阻率较低，光吸收系数高，载流子迁移率较低，易受到氧化和水分的影响，因此在使用过程中需要注意环境的控制。
当前，非晶态半导体正成为新型半导体材料的研究热点之一。
研究人员正在致力于开发更高效、更稳定的非晶态半导体材料，以满足现代电子、通信、能源等领域的需求。
同时，非晶态半导体的应用也在不断拓展，将为人们创造更多便利、高效、环保的技术产品和服务。
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第十三章 非晶态半导体
第十三章非晶态半导体第十三章Part 113.1 非晶态半导体的分类13.2 非晶态半导体的电子结构13.3 非晶态半导体中的缺陷13.4 非晶态半导体的应用绪论50年代科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，但直到1968年奥弗申斯基关于硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后，才引起人们对非晶态半导体的兴趣。
1975年斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应，使控制电导和制造PN结成为可能，从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。
在理论方面，安德森和莫脱建立了非晶态半导体的电子理论。
1977年以他们在非晶态理论方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖非晶态半导体的分类非晶态半导体的分类目前研究最多的非晶态半导体有两大类：硫系玻璃非晶态半导体四面体键非晶态半导体1、硫系玻璃非晶半导体含硫族元素的非晶态半导体。
例如S、Se、Te 等，它们通常以玻璃态形式出现。
其制备方法通常是熔体冷却或气相沉积。
硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。
非晶态半导体的分类2、四面体键非晶态半导体如非晶Si、Ge、GaAs等。
此类材料的非晶态只能用薄膜淀积的办法（如蒸发、溅射、辉光放电或化学气相淀积等），只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。
四面体键非晶态半导体材料的性质，与制备的方法和工艺条件密切相关。
非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。
不同工艺条件，氢含量不同，直接影响到材料的性质。
非晶态半导体的电子结构一、能带结构非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带。
材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状态。
以四面体键结构的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中四个价电子经SP3杂化，近邻原子的价电子之间形成共价键，其成键态对应于价带；反键态对应于导带。
无论是Ge、Si的晶态还是非晶态，基本结合方式是相同的，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变，因而它们的基本能带结构是类似的 。
一、能带结构然而，非晶态半导体的电子态与晶态比较有着本质的区别：1、不存在周期性，波矢 k 不再是好的量子数；2、非晶态半导体中结构缺陷的大量存在使得电子的平均自由程大大减小，当平均自由程接近原子间距的数量级时，在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。
材料制备技术 7.3非晶态材料的制备
非晶态材料的应用
形状记忆合金
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的 科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯 弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。 但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发 生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来 弯弯曲曲的形状。
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非晶态材料的特性
4.超导电性 由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输 导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。
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非晶态材料的特性
5. 非晶半导体的光学性质
非晶态半导体可分为离子型和共价型两大类。一类 包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属 氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态 Si、 Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。
制备非晶态材料的技术关键是：（1）必须形 成原子或分子混乱排列的状态；（2）将这种 热力学亚稳态在一定温度范围内保存下来， 并使之不向晶态发生转变。
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非晶材料的制备原理和方法
非晶态材料的制备方法： 1. 粉末冶金 制备非晶态材料的早期方法。首先用急冷 法获得非晶粉末，然后用粉末冶金方法将粉 末压制或粘结成型。 粉末冶金技术中的许多问题限制了该法 的应用。
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非晶材料的制备原理和方法
（4）压延法 压延法又称双辊法，将金属液流经石英管 底部小孔喷射到一对高速旋转的辊子之间而 形成金属玻璃条带。 由于辊间有一定的压力，条带从两面冷 却，并由良好的热接触，故条带两面光滑， 且厚度均匀。 但此法工艺要求非常严格。
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半导体物理名词解释
(1)晶态:固体材料中的原子有规律的周期性排列,或称为长程有序。
(2)非晶态:固体材料中的原子不是长程有序地排列,但在几个原子的范围内保持着有序性,或称为短程有序。
(3)准晶态:介于晶态和非晶态之间的固体材料,其特点是原子有序排列,但不具有平移周期性。
(4)单晶:原子呈周期性排列的晶体。
(5)多晶:由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的固体材料。
(6)原子价键:主要的原子价键有共价键、离子键、π键和金属键。
(7)共价键与非极性共价键:共价键是相邻原子间通过共用自旋方向相反的电子对电子云重叠)与原子核间的静电作用形成的,成键的条件是成键原子得失电子的能力相或是差别较小,或者是成键原子一方有孤对电子(配位体),另一方有空轨道(中心离如果相邻原子吸引电子的能力是一样的,则共用电子对不会发生偏移,这样的共价就是非极性共价键。
共价键的数目遵从8-N原则(8)空穴:光激发或热激发等激发因素会使原子键断裂而释放出电子,在断键处少掉1个电子,等效于留下一个带(+q)电量的正电荷在键电子原来所在的位置,这就是空穴（9）半导体的载流子:有两种载流子,带负电的电子和带正电的空穴。
（10)基态:在0K下,半导体中的电子空穴对产生之前的固体所处的状态。
（11）激发态:电子空穴对产生之后的固体所处的状态（12）光激发:光照产生电子空穴对的过程。
(1)量子:热辐射的粒子形态。
(2)德布罗意波长:普朗克常量与粒子的动量p的比值。
(3)海森伯堡测不准原理:对于同一粒子,不可能同时确定其坐标和动量。
(4)量子化能级:束缚态粒子的分立的能级。
(5)波粒二象性:微观粒子有时表现为波动形态,而电磁波有时表现为粒子形态。
(6)光生载流子:光照产生的载流子。
(7)热生载流子:热激发产生的载流子(8)半导体能带结构:分为E-k图和E-x图。
(9)导带:价带上能量最低的允带(10)价带:价电子所在的允带。
(11)禁带:导带底与价带顶之间的能量区域(12)禁带宽度:导带底与价带顶之间的能量差。
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
22 晶态材料和非晶态材料 - 科学网
2.2晶态材料和非晶态材料2.2.1晶态材料和非晶态材料的异同晶体广泛存在，并可以用各种偏离理想晶体的缺陷使其具有一定的性质，晶体材料是固体材料的核心。
非晶态材料指非结晶状态的材料，一般指以非晶态半导体和非晶体金属为主的普通低分子的非晶态固体材料，广义地，还包括玻璃、陶瓷以及非晶态聚合物。
晶态材料和非晶态材料都是真实的固体，其内部的原子都处于完全确定的平衡位置附近，并围绕平衡位置坐振动；都具有固体的基本属性，即宏观表现为连续刚体，不流动有确定的形状，体积不变动；具有弹性硬度，可反抗切应力。
两者的本质区别是晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态；非晶态材料只有在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态，为短程有序。
2.2.2水泥和玻璃水泥、玻璃和陶瓷都属于传统的无极非金属材料。
它们都是以硅酸盐为主要成分的材料，也包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。
由于化学结构的原因，它们大多具有耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀等特点。
1.水泥水泥是一类非常基础的建筑材料，与水混合后，经过物理化学过程能由可塑性浆体变成坚硬而具有一定强度的石状体并能将散粒材料胶结成为整体。
硅酸盐水泥兴起于19世纪。
它的化学成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。
它是一种水硬性胶凝材料。
普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。
为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。
（1）水泥的优点：水泥具有以下优点，因此在土木工程领域得到广泛的应用。
水硬性、与钢筋粘结性好、耐久性、工艺简单、可塑性、低成本、多样性（2）水泥的分类水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。
通用水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合水泥专用水泥包括砌筑水泥、油井水泥特性水泥包括快硬水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥、中热水泥水泥按化学成份可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。
非晶态半导体)
非晶态半导体具有半导体性子的非晶态材料。
非晶态半导体是半导体的一个重要部门。
50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注重，直至1968年S.R.奥弗申斯基有关用硫系薄膜建造开关器件的专利发表往后，才导致许多人对非晶态半导体的兴趣。
1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分化制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使节制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用斥地了广漠的远景。
在理论方面，P.W.安德森和N.F.莫脱成立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。
今朝无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地成长着。
分类今朝首要的非晶态半导体有两大类。
①硫系玻璃。
含硫族元素的非晶态半导体。
例如As-Se、As-S，凡似的制备要领是熔体冷却或汽相沉积。
②东南西北体键非晶态半导体。
如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的措施来获患上,只能用薄膜淀积的措施（如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等），只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。
东南西北体键非晶态半导体材料的性子，与制备的工艺要领和工艺前提密切相干。
图1给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分化,衬底温度分别为500K和300K，c 制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。
非晶硅的导电性子和光电导性子也与制备工艺密切相干。
其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺前提,氢含量不同,直接影响到材料的性子。
与此相反,硫系玻璃的性子与制备要领关系不大。
图2给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的措施制备的As2SeTe2样品，它们的光吸收系数谱具有不异的曲线。
非晶态半导体的电子结构非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带（见固体的能带）。
材料的基本能带结构首要决定于于原子附近的状况，可以用化学键模子作定性的诠释。
第四章-非晶态固体
二、非晶态金属
➢ 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低 损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合 金的结构模型。
➢ 非晶态合金统称“金属玻璃”。以极高 的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的 合金呈玻璃态，呈长程无序状态。
三、玻璃
玻璃的结构：由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、 熔 融、冷却成的 一种无定形固态。
为了表示硅酸盐玻璃的网络结构特征和便于比较玻璃的性质， 引入玻璃的四个结构参数。
Z = 每个多面体中氧离子平均总数
(硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4，硼酸盐玻璃中为3)
R＝ 玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比
X＝ 每个多面体中非桥氧离子平均数
Y＝ 每个多面体中中桥氧离子平均数
参数间的关系：
X Y Z
➢ 转变温度范围微观过程：是一个结构重排过 程。结构灵敏的性能都出现明显的连续反常 变化，与晶体熔融时的性质突变有本质的不 同。
熔融态与玻璃态转变时，物理、化学性质随温度变化的连续性
性
质
Tg
Tf 温度
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等，在Tg~Tf转 变范围内有极大值的变化。
2、碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃
➢出现非桥氧离子，二元中，当加人RO、 R2O直到SiO2:RO(或R2O)=1:1以前，结构 中硅氧网络依然存在，还能形成玻璃。加 RO，R2O到RO(R2O):SiO2=2:1以后，网络 被破坏越甚，加入越多，玻璃的核化晶化 速率也越快，形成玻璃就越困难。
2、玻璃的结构参数
硼酸盐玻璃
➢ B2O3是硼酸盐玻璃中的主要玻璃形成体。B平 均与三个氧配位，B2O3构成[BO3]3-三角体结构，BO-B键角120o，是平面三角形，形成层状结构，B －O间距为0.137nm，在同一层内B－O很强，而层 与层之间由分子键相连，层与层之间结合力弱，所 以B2O3玻璃的一些性能比SiO2玻璃要差。
第一代、第二代、第三代半导体材料是什么-有什么区别
第一代、第二代、第三代半导体材料是什么?有什么区别Si）、锗元素（Ge）半导体材料。
作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
第二代半导体材料概述第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。
因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。
第三代半导体材料概述第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（Eg》2.3eV）半导体材料。
在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。
在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），也称为高温半导体材料。
第三代半导体材料应用领域1、半导体照明蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。
GaN基半导体，衬底材料的选择就只剩下蓝宝石（（Al2O3）、SiC、Si、GaN以及AlN。
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非晶态材料的XRD谱
非晶态半导体中的电子态
• 在晶体中，由于晶格排列具有周期性，即平移 对称性。可得到晶体中电子的波函数为布洛赫 函数，其状态可由简约波矢k标志。 • 由布洛赫波表示的电子态可扩展到整个晶体范 围，故称为扩展态。导带和价带中的电子态都 是扩展态。 • 非晶体中原子的排列不具有长程序，薛定鄂方 程中的势能函数不再是周期性分布的，因此非 晶体中电子的波函数不再是布洛赫波，其状态 不再能由简约波矢k标志。
σ = σ min exp −
∆E ∆E1 ∆E 2 ∆E + σ 2 exp − + σ 3 exp − + σ 1 exp − kT k项为扩 展态电导率，第 二项为带尾态电 导率，第三项为 近程跳跃电导率， 第四项为极低温 度下的定域变程 跳跃电导率。电 导率随温度的变 化情况见右图。
非晶态半导体的结构
• 长程有序、短程无序 • 非晶态半导体的结构虽然不具有长程序，但其中原子 的排列也不是完全杂乱无章的。 • 每一原子周围的最近邻原于数与同质晶体中一样，仍 是确定的，且这些最近邻原子的空间排列方式仍大体 保留晶体中的特征。 • 在非晶硅中每一硅原子周围仍是4个最近邻硅原子，而 且它们的排列仍大体上保持单晶硅中的四面体结构配 位形式，只是键角和键长发生了一些畸变。任意二个 键之间的夹角不象单晶硅那样都是109O 28’，而是随机 地分布在109O28’±10O的范围内。非晶态固体中的上述 特征称为短程有序。
扩展态电导
• 扩展态载流子浓度及电导率在形式上与晶态的相同， 即 Ec − E f n = N c exp( − ) kT Ec − E f σ = σ min exp − kT • 式中σmin 是当EF=Ec 时的电导率，是扩展态电导率的最 小值。莫特称它为最小金属化电导率。 • 由于非晶态半导体中的结构畸变和大量缺陷的存在， 扩展态迁移率的数值很低，在室温附近，迁移率的值 在5到10cm2/vs之间。
研究最多的非晶态半导体
• 四 面 体 结 构 非 晶 态 半 导 体 。 IV 族 元 素 非 晶 态 半 导 体 （ a-Si 和 α−Ge ） ； III-V族化合物非晶态半导体（a-GaAs，a-GaP， a-InP及a-GaSb等）。 • 硫系非晶态半导体。这类非晶态半导体中含有 硫系元素如S、Se、Te等，它们往往是以玻璃 态形式存在。 • 氧化物非晶半导体GeO2，BaO，SiO2，TiO2， SnO2及Ta2O5等。
其他非晶态半导体的能带模型
• 莫特-CFO模型的不足：由定域 态组成的带尾一直延伸到禁带中 部并互相交叠。 • 实验发现非晶态材料对红外光甚 至部分可见光都是透明的，表明 仍应有明确的带隙存在。因此右 图所示的模型更为合理。另外， 对于没有缺陷的无规网络，定域 态只存在于导带底和价带顶附近， 分别延伸至图中EA和EB两点， 在EC和EA间为导带定域态，在 EV和EB间为价带定域态，通称 为带尾定域态。
迁移率边-Mott理论
• 莫特指出，非晶态能带中 部虽然仍保持为扩展态， 但在带顶和带底等能带尾 部的状态可以发生定域化， 产生一个由定域态组成的 能带尾。下图表示有带尾 存在时的能带模型。计算 结果表明，随着无序程度 的增加，定域态与扩展态 的交界处向能带中部移动， 最后相遇于能带中部，整 个能带中的态都变为定域 态。
非晶态半导体的本征导电机理
• 除了扩展态的电子外还有局域态电子的电导。 在温度较高时，电子可被激发到迁移边EC以上 的能态而导电，形成扩展态电导。温度较低时， 电子只能被激发到接近EC的带尾态，然后通过 声子的帮助从一个定域态跃迁到另一个定域态 而导电，形成带尾态电导。在温度更低时，电 子只能从费米能级EF以下的能量状态通过声子 的帮助跃迁到EF以上的邻近空态，形成定域态 的近程跳跃电导。在温度极低时，能量在EF附 近的电子，只能在能量相近的能级之间作变程 跳跃。
非晶态半导体
• 晶体的特征是其中原子的排列具有周期性，这 种性质称为长程有序。 • 自然界还存在另一类固体，其中原子的排列不 具有周期性，即不具有长程序，这类物质统称 为非晶态或无定形体。 • 例如： 由快淬冷却形成的各种玻璃态固体； 用蒸发、溅射和化学气相淀积（CVD）等方法 制备的各种非晶薄膜； • 非晶固体亦可分为金属、半导体和绝缘体三类。 本章以讨论非晶态半导体为主。
• 考虑到缺陷时，能带图中 应包含带隙中的缺陷态。 戴维斯-莫特提出了右图所 示的能带模型，其中Ex和 Ey分别表示由悬挂键引起 的深受主和深施主态，它 们互相交叠而EF则被钉扎 在二者中间。 • 实际非晶体中的缺陷是很 复杂的，而且还随着制备 过程中的条件不同而改变， 因此不能用这样简单的模 型来说明带隙中的状态。
定域态电导
• 莫特提出，借助于声子的参与，电子可以通过隧道效应，从一 个定域态跳到另一个相邻的定域态，在外电场作用下，沿场强 方向的跳跃几率与逆场强方向的不同，因而形成定域态电导。 • 定域态电导率又可分为以下几个部分： 费米能级附近定域态间的近程跳跃 极低温度下的变程跳跃 带尾定域态 • 由于非晶态半导体的电导率与多种因素有关，且不同机制的激 活能不同，所以它与温度的关系比较复杂，一般可以写成以下 形式：
α-Si和晶体硅的原子径向分布函数
• 第1峰和第2峰分别代表最近邻 和次近邻原子分布的极大值。 可见最近邻和次近邻原子距离 与晶态的基本相同。 • 峰高较晶体硅的低，表明在aSi中较远原子的距离分布比较 分散，相对于晶体硅已发生了 较大的偏离。随着距离的增大， 原子径向分布函数的峰值变得 越来越不显著，说明原子的分 布已不具有晶体中的长程序了。
非晶模型
• 微晶模型 存在许多悬挂键， 这一点与实验不符。 • 连续网络模型 几乎没有悬挂键， 也与实验不符。 • 纳米晶组合？
用纳米概念描述非晶态
• 非晶态由纳米颗粒＋界面相组成。 1、短程有序：纳米粒子内部仍保留与晶体大 致相同的结构。但因受到表面及界面的影响， 晶格常数及键角可能发生畸变。 2、长程无序：纳米颗粒之间没有紧密联系， 晶格不连续，取向不相同。 • 与微晶不同，纳米晶粒本身不一定有很高的悬 挂键，如C60。
安德森模型
• 安德森于1958年提出了在无序体系中由于无序产生了 电子定域态的概念。假定晶格格点的几何排列仍是周 期性的，而各个格点处的势场由一个无规势场加理想 三维间期性势场上构成的。
特点
• 安德森势场是一个局域场，对应的波函 数一般也为局域态。定域态一般为分立 能级，但对非晶态材料而言，这种定域 态密度很高，因此对应的能级合并成为 子带。子带可与原来的能带重叠而连接 起来。
• 扩展态与定域态交界处的能量称作迁移率边。 • 由两个迁移率边确定的能量差为迁移率隙。 • T=0K时，能量在定域态范围内的电子的迁移率为零。当电 子态能量通过扩展态与尾部定域态交界处的临界能量，即 进入扩展态时，电子迁移率突增至一个有限值。 • 在T≠0时，定域态中的电子可以通过与非晶格子相互作用而 进行跳跃式导电，故迁移率并不为零，但与扩展态中电子 的迁移率相比要小得多。 • 当体系的费米能级处于带尾定域态范围时，只有通过热激 发使电子从定域态跃迁到迁移率边以上的能态才能产生导 电性能，导电性表现为非金属型的。如果费米能级进入扩 展态区域，则处于扩展态中的电子将可象金属中电子那样 导电，导电性表现为金属型的。 • 这种当费米能级通过迁移率边从定域态进入扩展态时发生 的导电性从非金属到金属型的转变称做安德森转变。