第五章半导体材料

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无机半导体：元素、化合物
有机半导体
●按结构分:
晶体：单晶体、多晶体 非晶、无定形
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1、无机半导体晶体材料
(1)元素半导体晶体
熔点太高、不 易制成单晶
C B
Te
稀
少
Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As I S Sb
不稳定、 易挥发
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(2)化合物半导体及固溶体半导体
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第四章 半导体材料
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半导体：导电性能介于金属和绝缘体之间； （σ＝10-6～1012）
绝缘体
半导体
导体
1012—1022 Ω.cm
10-6—1012 Ω.cm
≤10-6Ω.cm
具有负的电阻温度系数。（导体具有正的 电阻温度系数）
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半导体材料的 构成元素
(元素、化合物半导体）
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”
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4.1半导体的晶体结构
1. 金刚石型结构 2. 闪锌矿型结构 3. 纤锌矿型结构
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1. 金刚石型结构（D）
类型： IV族元素C（金刚石）、Si、 Ge、Sn(灰锡）的晶体。
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2. -ZnS（闪锌矿）型结构 （Z）
类型： III-V和II-VI族形 成的化合物 GaAs。
结合力：共价键力部分离子 键力成分。
特征：立方对称晶胞。
第五章半导体材料
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共价四面体
GaAs的闪锌矿结构
GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子 ，形成四个共价键，组成共价四面体。 闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞 的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。
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浓硫酸 浓盐酸 浓硝酸
锗溶
溶
溶
硅 不溶 不溶 不溶
王水 溶 不溶
HF-HNO3 溶 溶
半导体工业中常用HF-HNO3作为硅的腐蚀液
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2、 硅、锗半能带结构
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一维晶格
在周期性势场中运动的电子，满足薛定谔方程的波 函数一定具有如下形式：
2 2m
d2 dx2
V (x)
第五章半导体材料
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半导体材料的地位：
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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
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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。
结合力：共价键力。 特征：立方对称晶胞。
面心立方
第五章半导体材料
共价四面体
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面心立方结构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。 整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
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。
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
(x) E(k) (x)
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求解薛定谔方程
E
允带
禁带 允带
允带
允带
-1 /a - 1/2a 0 1 /2a 1/a k
E与k的关系
能带
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1/2a 0 1/2a
简约布里渊区26
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硅和锗沿[100]和[111]方向的能带结构
0.66ev
1.1ev
Γ点：布里渊区中心
X点：[100]轴与该方向布里渊区边界的交点
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4.2 单晶半导体
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长期以来将固体分为：晶体和非晶体。
晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子 （或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是 按一定的方式有规则的排列而成——长程有序。
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晶体又可分为：单晶和多晶 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则
非晶、
多晶
单晶
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多晶
单晶
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半导体材料的分代
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第一代半导体材料：以硅Si为代表 第二代半导体材料：以砷化镓GaAs为代表 第三代半导体材料：以氮化镓GaN为代表的 宽带隙化合物半导体材料
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4.2.1 单晶硅、锗半导体材料 （第一代半导体材料）
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1、 硅、锗半导体材料物理、化学性质
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3. -ZnS（纤锌矿）型结构 （W）
类型： III-V和II-VI族形 成的化合物 GaN。
结合力：共价键力部分离子 键力成分。
特征：六方对称晶胞。
第五章半导体材料
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4.2 半导体的分类 按功能和应用分
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微电子半导体 光电半导体 热电半导体 微波半导体 气敏半导体
∶ ∶
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●按组成分：
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InP、GaP、
SiC
GaAs、InSb、
InAs
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
Ⅲ-Ⅴ族 Ⅱ-Ⅵ族
Leabharlann Baidu
CdS、CdTe、 CdSe、
ZnS
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
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2、非晶态半导体
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(1)元素半导体有非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se
(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe 非晶半导体
3、有机半导体 有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子
络合物和高分子聚合物。
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一些重要半导体
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元素半导体：Si Ge 集成电路应用 化合物半导体
排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗 (Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成 的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
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非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也 不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范 围内存在结构上的有序排列——短程有序 （如 非晶硅：a-Si）