半导体材料基础 基本特性

硅外延 技术
成 熟 期
1960
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层，
半导体激光器
And then?
1970
1963年砷化镓 微波振荡效应
1965年 J.B.Mullin发 明氧化硼液封 直拉法砷化镓
单晶
分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积MOCVD 半导体超晶格、量子阱材料
杂质工程
能带工程
电学特性和光学特性可裁剪
四、半导体材料的基本特性
半导体材料是微电子和光电子技术的基础，用半导体材料 制作（光）电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体 和绝缘体之间，而是由于其导电机理不同于其它物质，其 导电能力可调谐：
? 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 （热敏特性、光敏特性）
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
空位
缺陷的出现： 线缺陷
位错
面缺陷
层错
ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在
无意掺杂 杂质的出现：
有意掺杂
源材料和工艺
有目的控制 材料性质
? 半导体的掺杂分类
受
主
掺
B
杂
本征半导体 杂质半导体：n型、p型
受主能级
施
主
掺
As
杂
施主能级
杂质能级：杂质可以使电子在其周围 运动形成量子态
(2)化合物半导体及固溶体半导体
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
SiC Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
InP 、GaN、 GaAs、InSb、
InAs
Ⅲ-Ⅴ族
CdS、CdTe、 CdSe、 ZnS
Ⅱ-Ⅵ族
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO 、 SnO2
硅 检波器
硅 晶体管
1950年G.K.Teel 直拉法
较大的锗单晶
进 入 成 长 期 1950
1952年H.Welker 发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物
1957年 第一颗砷化镓
单晶诞生
1960
1952年G.K.Teel 直拉法
第一根硅单晶
1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法
制得高纯硅
1958年 W.C.Da sh无位 错硅单
第一章 半导体材料基础
1.1 半导体材料的基本特性 1.2 半导体材料的制备技术 1.3 元素半导体材料 1.4 化合物半导体材料
1.1 半导体的基本特性
一、什么是半导体？
从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、 绝缘体。电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温 度系数→半导体。
2. 非晶态半导体（结构）
(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体；
(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非 晶半导体
3.有机半导体（组分）
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。
酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯 腈等导电高分子，他们都具有大π键结构。
? 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明 显改变。（掺杂特性）
? 半导体材料的性质主要取决于半导体的能带结构和电子的 运动规律。
子电由自
1、半导体的电子结构 (1) 能带结构 E(k)
-π/a 0 π/a k 电子填充允带时,可能出现: 电子刚好填满最后一个带 最后一个带仅部分被电子占有
? 本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完 整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下， 一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子 -空穴对。本征激发 很弱。
价电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
共价键
空穴
自由
电子
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
硅晶体共价键结构示意图 电子-空穴对的产生和空穴的移动
本征半导体：带隙中无能级
杂质和缺陷对能带结构的影响
? 在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级： 浅能级、深能级——影响光、电学性质
? 物理机制：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性受到破坏 而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域 化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级－－杂质
能级。
}允带
}允带
}允带
绝缘体和半导体 导体
绝缘体、半导体和导体的能带示意图
? 对常见的半导体 ,起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶 附近的空穴 ,所以主要关注带底附近和价带顶附近的能带结构 . 常温下： Si：Eg=1.12ev ；Ge: Eg=0.67ev ； GaAs: Eg=1.43ev 绝缘体的禁带宽度： 6~7ev 半导体的禁带宽度： 1~3ev
例1 元素半导体Si、Ge
极大值
导带最低能谷
导带 极小值
价 带
硅和锗的能带结构
例2 化合物半导体GaAs
禁带
导带
(2) 半导体的掺杂
在纯净的半导体(本征半导体)中掺入一定量不同类型的杂质，并通 过对其数量和在空间的分布精确地控制，实现对电阻率和少子寿命 的有效控制，从而人为地改变半导体的电学性质，如n型半导体和p 型半导体。
? 杂质半导体 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、
锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便
构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，
如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。
电阻率：
R
绝缘体
导体： ρ ＜10-4Ωcm 如：ρ Cu=10 -6Ωcm
半导体：10-3Ωcm＜ρ ＜ 10 8Ω cm 如：ρGe=0.2 Ωcm
绝缘体：ρ ＞108Ωcm
半导体
负的温度系数 T
电阻温度系数图
二、半导体材料的分类
按功能和应用分： 按组成分：
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
∶ ∶ 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
1. 无机半导体晶体材料 (组分)
无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。 (1) 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
C B
稀少
Te 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
三、半导体的发展
1874年 F.Braun 金属－半导体接触
1879年Hall效应
K.Beadeker半导
体中有两种不同
萌
类型的电荷
芽Biblioteka Baidu
期 1870
1930
1948年 Shockley ，Bardeen,
Brattain 锗晶体管 (transistor)
点接触式的
1940
1950
氧化铜、硒 整流器、曝光计