半导体材料课件.ppt

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半导体材料物理与信息工程学院微电子系Contents第一章第一章半导体材料综述半导体材料综述第二章第二章基本原理基本原理第三章第三章半导体材料的性质与性能半导体材料的性质与性能第四章第四章对半导体材料的技术要求对半导体材料的技术要求第八章第八章半导体材料的发展展望半导体材料的发展展望第七章第七章半导体材料的应用半导体材料的应用第五章第五章半导体材料的制备半导体材料的制备第六章第六章一些主要的半导体材料一些主要的半导体材料参考书：

半导体材料作者：

杨树人王兢出版社：

科学出版社第一章半导体材料综述半导体材料综述第一章：

第一章：

半导体材料综述半导体材料综述半导体已成为家喻户晓的名词，收音机是半导体的、电视机是半导体的、计算器及计算机也是半导体的。

那么哪些是半导体材料？

它有哪些特征？

1半导体材料的特征半导体材料的特征半导体材料在自然界及人工合成的材料中是一个大的部类。

顾名思义，半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。

它具有如下的主要特征。

n

（1）在室温下，它的电导率在10310-9S/cm之间,S为西门子，电导单位，S=1/r（W.cm）；一般金属为107104S/cm,而绝缘体则10-10，最低可达10-17。

同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。

n

（2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。

n（3）有两种载流子参加导电。

一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。

而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。

在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。

1.2半导体材料的类别对半导体材料可从不同的角度进行分类例如：

n根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；n根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；n根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，n但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：

元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。

在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段，所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。

表1.1半导体材料分类及其开发情况*此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。

1.2.1元素半导体已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。

从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。

n处于III-A族的只有硼，其熔点高（2300oC），制备单晶困难，而且其载流子迁移率很低，对它研究的不多，未获实际应用。

nIV-A族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。

nIV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。

再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。

n锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下可变为立方晶系灰锡（-Sn）。

灰锡具有半导体性质，属立方晶系。

在从b-Sn转化为-Sn的过程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。

图1.1元素半导体在周期表中的位置B硼C碳Si硅Sb锑S硫Sn锡Ge锗As砷P磷Te碲Se硒I碘n在磷的同素异形体中，只有黑磷具有半导体性质，由于制备黑磷及其单晶的难度较大，未获工业应用。

n砷的同素异形体之一的灰砷具有半导体性质，但由于制备单晶困难，且其迁移率较低，故未获应用。

n锑的同素异形体之一的黑锑具有半导体性质，但它在0oC以上不稳定，亦未获应用。

n硫的电阻率很高，属绝缘体，但它具有明显的光电导性质。

硫作为半导体材料还未获得应用。

n硒的半导体性质发现得很早，现用于制作整流器、光电导器件等。

n碲的半导体性质已有较多的研究，但因尚未找到n型掺杂剂等原因，未得到应用。

n化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。

n化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。

n按其构成元素在元素周期表中的位置可分为III-V族、II-IV-V族等等。

n如果要问哪些化合物是半导体，哪些不是，有没有规律性？

应该回答说，规律性是有的，但还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地判断某个化合物是否属于半导体。

n常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替换（参照图1.1）。

1.2.2化合物半导体：

n例如我们看砷化镓：

它是半导体，如果把Ga下面的In替换镓，就变成InAs，也是半导体，同样，如果把As替换成P或Sb，同样也是半导体。

n这种替换是垂直方向的，它服从周期表的规律，即从上往下金属性变强，最后就不是半导体了。

n也可以在周期表中进行横向置换，仍以GaAs为中心，Ga向左移变成Zn，As向右移变成Se，ZnSe是半导体。

n这些置换都要注意原子价的平衡。

在垂直移动时，原子价不发生变化，但在横向移动时，就要考虑两个元素同时平移。

n同时在原子价总和不变的前提下也可以用两元素取代一个，例如ZnSe，Zn是二价，与可以用其左右的Cu与Ga取代，即CuGaSe2也是半导体材料。

这样可以导出三元化合物半导体。

n另外可用莫塞（Mooser）-皮尔狲（Pearson）法则来进行推算，此法能预测大多数化合物是否具有半导体性质，但对某些化合物，如金属的硼化物的判断就不够准确。

u由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。

u因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。

u另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。

固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。

u固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。

u为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中xp，则，s=nee，n反之，若pn,s=pep。

2.2能带结构能带结构我们首先看看单个原子的情况。

我们首先看看单个原子的情况。

n大家都知道原子是由原子核及其周围的电子构成的，外围的电子数等于原子核内的质子数。

n这些电子都有自己的能量，根据现代量子力学的理论，这些能量是量子化的，即有一定的数值，而且是不连续的，这些彼此不连续而有一定数值的能量称为能级。

n一个电子的能量只能从一个能级跳到另一个能级，不可能连续地变化，伴随这种跳跃会吸收或放出一定的能量。

n根据鲍林（L.Pauling）的不相容理论，不可能有两个电子的量子数完全相同。

这样，在原子的一个能级上，只能有两个电子，它们的量子数区别在于其自旋（spin）的正与反。

n当许多原子彼此靠近而形成晶体时当许多原子彼此靠近而形成晶体时，各原子的电子间发生相互作用，各原子间原来在分散状态的能级扩展成为能带，n这能带是由彼此能量相差比较小的能级所组成的准连续组。

因为只有这样才能保持电子能量的量子化并符合鲍林的不相容原理。

n图2.2示出了元素铜的能带形成过程，当原子相靠近时能级扩展为能带的情形以及在形成晶体时，在晶体内的原子间距（即晶格常数）上，能带发生的搭接的现象。

原子间距离a03p3d4s4pE=0能量图2.2元素铜的能带形成（其中ao为晶格常数）许多原子形成晶体的情况：

许多原子形成晶体的情况：

图2.3碳原子彼此接近形成金刚石的能带示意图1一价带；2一禁带；3一导带；ao金刚石晶格常数；xo一能带搭接时的原子距离n图2.3示出了碳原子形成金刚石晶体时能带的形成，以及能带间禁带的形成。

图图2.4金属、半导体和绝缘体金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图的能带结构示意图（E称为禁带宽度或带隙）称为禁带宽度或带隙）金属半导体绝缘体n按照能带搭接或分立的情况，我们可以把金属、半导体、绝缘体的能带结构的区别用图2.4加以简单表示。

原子间距离（）能量（eV）n根据能带结构图2.4，可以把固体材料分成两大类：

p一类是价带与导带相互搭接，这是导体；p另一类则在价带与导带之间存在着禁带，这包括半导体与绝缘体。

图图2.4金属、半导体和绝缘体的金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图能带结构示意图（E称为禁带宽度或带隙）称为禁带宽度或带隙）金属半导体绝缘体n在导体中：

p一类材料是由于电子在价带中并未填满，电子可以在带内的各个能级上自由流动，这需要的能量非常之小；p另一类材料虽然在价带中被填满，但由于能带之间的相互搭接，所以价电子很容易从价带进入到导带成为自由电子而导电。

n而半导体材料则因其价带已填满，在价带和导带间存在有禁带，价电子必须要具有足够的能量跃过禁带才能进入导带而导电，在常温或更高一些温度下，由于能量的不均匀分布，总有一部分价电子能进入导带，使其具有一定的电导率。

n对绝缘体而言，其禁带宽度大，以致在常温或较高温度下均不能使其价电子进入导带所以不能导电。

图图2.4金属、半导体和绝缘体的金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图能带结构示意图（E称为禁带宽度或带隙）称为禁带宽度或带隙）金属半导体绝缘体n能带理论能带理论是从固体的整体出发，主要考虑到晶体结构的长程序的周期性晶体结构的长程序的周期性。

用这个理论容易说明导体、半导体、绝缘体之间的区别以及半导体材料的一些本性。

n化学键理论化学键理论主要从物质的化学组成、晶体结构等短程序排列从物质的化学组成、晶体结构等短程序排列来说明半导体材料的物性与化学组成、杂质行为等问题。

n固体的化学键主要有离子键、共价键、金属键、分子键等。

n它们的特征列入表2.1中。

2.3化学键化学键表表2.1化学键的构造及其物理性质化学键的构造及其物理性质图2.5不同化学键的电子分布n各种键的本质区别在于价电子对各个原子间的不同分配关系各种键的本质区别在于价电子对各个原子间的不同分配关系，图2.5示出了前四种化学键的价电子分配关系。

p在离子键中，如NaCl，Na原子将其价电子完全给了原子将其价电子完全给了Cl而形成而形成Na+离子与离子与Cl-离子离子。

这种物质在常温下为绝缘体，但在熔融状态则靠离子导电。

p以金刚石为代表的是外围价电子共用外围价电子共用的共价键。

p以Ar为代表的范德华键是靠瞬时电偶极矩的感应和引力瞬时电偶极矩的感应和引力形成的键。

p以金属Mg的外围电子形成自由电子为正离子正离子Mg2+所共享，并被正离子产生的库仑力所吸引。

（a）离子键（b）共价键（c）范德华键（d）金属键将硅作为半导体的代表，其共价键的示意图见图2.6。

n从图2.6中可看出每个硅原子共有4个共价键，有8个电子。

n按照鲍林的不相容理论，每个能级上只有一对电子。

n这可用杂化轨道来解释，即在组成晶体时，原子的势场受到周围原子的影响而产生微扰，从而杂化组成新的轨道。

n从图中可以看到，在这种共价键的结构中没有自由电子，这反映在绝对零度的温度条件下，半导体是呈绝缘体的情形。

图2.6硅的共价键图2.7硅的本征激发示意图n随着温度的升高，电子的能量也随之增高，但能量在电子之间并非是均匀分布的能量在电子之间并非是均匀分布的，其中能量高的电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，如图2.7所示。

n这反映在能带结构上，就是电子从价带进电子从价带进入到导带的空闲着的能级上入到导带的空闲着的能级上。

n从图2.7可以看出，这种热激发的电子脱离价键后，使某个硅原子中少了一个价电子，从电平衡的角度相当于带一个正电荷粒子，这种电子的缺位称为空穴，n而空穴也可以发生流动，即邻近原子的价电子跑而空穴也可以发生流动，即邻近原子的价电子跑过来