西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第二章PPT推荐.pptx

西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第二章PPT推荐.pptx

《西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第二章PPT推荐.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安电子科技大学化合物半导体材料与器件课件第二章PPT推荐.pptx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第三代半导体（宽禁带半导体）二元化合物半导体特点：

大部分是直接能带隙（对光电器件很重要）；

有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上；

可以块状生长（单晶），并被切成薄片（晶圆片）。

DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,合金半导体合金半导体：

不是化合物；

由二元化合物和一种或两种普通元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。

特点：

1）组分可调；

禁带宽度随组分连续可调；

晶格常数随组分连续可调。

二元合金半导体：

Si1-xGex三元合金半导体：

AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等四元合金半导体：

InYGa1-YAsXP1-XandAlYGa1-YAsXSb1-X,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体三元合金半导体：

由二元化合物和一种元素组成三元合金变化趋势：

晶格常数：

与组分呈线性关系禁带宽度：

与组分呈二次方关系有效质量：

与合金组分成二次方和单调关系三元合金的禁带宽度与晶格常数关系,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体三元或四元合金半导体的基片（衬底）：

二元化合物半导体，如GaAs、InP异质结构：

晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。

三元合金半导体：

与二元不匹配；

但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。

四元合金半导体：

容易与二元衬底匹配,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,，,InGaAsPandAlGaAsSb,2.1.5合金半导体四元合金半导体：

1）两种元素是同族元素如AlyGa1-yAsxSb1-x、InyGa1-yAsxP1-x等2）三种元素是同族元素如InyGa1-yAlxAs1-x等合金举例：

如图所示1）AlGaAs:

AlAs+GaAs2）InPAs:

InAs+InP3）AlGaAsSb:

AlGaSb+AlGaAs4）InGaAsP:

GaAsP+GaInP,四元合金半导体禁带宽度与晶格常数,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体四元：

GayIn1-yAsxSb1-x：

DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体四元：

InGaAlAs,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体四元：

GaAlInPandGaAlAsP,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体四元：

AlGaInN,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.1半导体材料的分类,2.1.5合金半导体重要的三元和四元合金AlGaAs（GaAs基片）:

HBT，场效应管，光电器件GaAsP（GaAs基片）:

红色、琥珀色发光二极管HgCdTe（CdTe基片）:

红外成像仪InGaAsP,InGaAlAs（InP基片）:

光纤通讯用光电器件InGaAlAs（InP基片）:

同上InGaAs（GaAs,InP）:

电阻接点，量子势阱InGaAsP（GaAs）:

红，红外激光器，探测器GaInAlN（不同基片）:

绿，蓝，紫外发光二极管，激光器,DaiXian-ying,化合物半导体器件,第二章化合物半导体材料与器件基础,DaiXian-ying,化合物半导体器件,半导体材料的分类化合物半导体材料的基本特性,2.2化合物半导体材料的基本特性,图2.3金刚石结构（a）和闪锌矿结构（b）,（a）,（b）,2.2.1晶格结构1）闪锌矿结构大多数的-族和-族,化合物半导体与金刚石结构相似：

每个原子与邻近四个原子形成四面体结构（键），又称类金刚石；

与金刚石结构不同：

每个原子邻近是四个异类原子；

混合键：

共价键占优。

DaiXian-ying,化合物半导体器件,化合物半导体器件,DaiXian-ying,2.2化合物半导体材料的基本特性,图2.4（a）纤锌矿结构，（b）四面体,（a）,（b）,2）纤锌矿结构-族的ZnS、ZnSe、CdS等都可以闪锌矿和纤锌矿两种方式结晶与闪锌矿相似：

正四面体结构；

与闪锌矿不同：

六方对称（闪锌矿是立方对称）；

纤锌矿结构更适合原子间电负性差别大、化学键极性强的化合物半导体，如GaN；

混合键：

离子键占优。

2.2化合物半导体材料的基本特性,图2.6III-V族合金半导体的晶格常数随组分比x变化的情况,2.2.2晶格常数晶格常数与合金组分：

服从Vegard关系，即aAB=aAx+aB（1-x）-线性插值关系,DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.2化合物半导体材料的基本特性,元素与化合物半导体的晶格常数与禁带宽度,晶格常数与禁带宽度同类型半导体：

晶格常数大的，其禁带宽度小。

晶格常数匹配Si与GaP、AlPGe与GaAs、AlAs,思考题：

1）为什么要晶格匹配？

2）如何能够实现晶格匹配？

DaiXian-ying,化合物半导体器件,DaiXian-ying,2.2化合物半导体材料的基本特性,晶格常数与禁带宽度闪锌矿的III-V族和II-VI族化合物半导体,注：

Z=闪锌矿，W=纤锌矿，i=间接能隙，d化=直合接物半能导隙体器件,DaiXian-ying,2.2化合物半导体材料的基本特性,晶格常数与禁带宽度纤维锌矿III-V族和II-VI族，铅盐（IV-VI族），IV族元素,注：

W=纤锌矿，R=岩盐，D=金刚石，i=间接能隙，化d合=直物接半导能体隙器件,化合物半导体器件,DaiXian-ying,2.2化合物半导体材料的基本特性,2.2.3晶体的化学键和极化元素半导体，Si：

只有共价价键；

化合物半导体：

既有共价键，又有离子键。

（又称极性半导体）例如，GaAs:

1）As失去一个价电子给Ga;

2）As和Ga外层价电子进行SP3轨道杂化，形成4个共价键。

极化：

As为负电荷中心、Ga为正电荷中心。

图2.7本征砷化镓的基本键表示图,化合物半导体器件,DaiXian-ying,2.2化合物半导体材料的基本特性,2.2.4能带结构1）砷化镓的能带结构及其主要特点,能量/eV,能量/eV,图2.9硅（a）和砷化镓（b）的能带结构,2.2化合物半导体材料的基本特性,2.2.4能带结构1）砷化镓的能带结构及其主要特点直接跃迁型：

导带极小值在k=0处，价带极大值近似在k=0处；

能量/eV,具有负阻特性：

在【111】方向具有双能谷；

当外电场超过某个阈值，电子可能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，出显电场增大而电流减小现象。

Eg大：

1.43eV,制作高频、大功率器件；

图2.9砷化镓的能带结构更正：

p19第4、5行，【100】应为【111】。

DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.2化合物半导体材料的基本特性,2）锑化铟的能带结构及其主要特点直接跃迁型：

导带极小值在k=0处，电子有效质量小；

导带呈非抛物线性：

极小值处E（k）曲线的曲率很大，随能量的增加，曲率迅速下降；

Eg小：

0.23eV,制作远红外检波器、高灵敏光电池、波长在2.0-7.5m的红外线滤光器等；

DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.2化合物半导体材料的基本特性,3）GaP的能带结构及其主要特点间接跃迁型：

导带极小值在【100】方向处；

某些杂质在GaP中可形成发光辐射复合中心，使GaP可由间接跃迁转化为直接跃迁；

Eg大：

2.25eV,可制作绿、红、黄光LED等；

DaiXian-ying,化合物半导体器件,2.2化合物半导体材料的基本特性,4）II-VI族化合物的能带结构Eg比周期表中同系列-族化合物和元素半导体的大：

例如，ZnSe为2.7eV、GaAs则为1.43eV；

随平均原子序数增加，Eg逐渐变小；

都是直接跃迁型,DaiXian-ying,化合物半导体器件,图2.12禁带宽度与平均原子序数的关系,第一次课堂作业,DaiXian-ying,化合物半导体器件,1）为什么电子的迁移率要大于空穴？

2）为什么高场下载流子漂移速度会趋于饱和？