第7章半導(dǎo)體材料

1、2021-10-16材料與光電物理學(xué)院1發(fā)展歷史：發(fā)展歷史：半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 器件。器件。 電子工業(yè)的發(fā)展和半導(dǎo)體電子工業(yè)的發(fā)展和半導(dǎo)體器件器件對(duì)對(duì)材料材料的需求是促進(jìn)半導(dǎo)體材的需求是促進(jìn)半導(dǎo)體材料研究和開(kāi)拓的強(qiáng)大動(dòng)力；而料研究和開(kāi)拓的強(qiáng)大動(dòng)力；而材料材料質(zhì)量的提高和新型半導(dǎo)體質(zhì)量的提高和新型半導(dǎo)體材材料料的出現(xiàn)，又優(yōu)化了半導(dǎo)體的出現(xiàn)，又優(yōu)化了半導(dǎo)體器件器件的性能，產(chǎn)生新的器件，兩者的性能，產(chǎn)生新的器件，兩者相互影響，相互促進(jìn)。相互影響，相互促進(jìn)。 第第7章章 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料2021-10-16材料與光電物理學(xué)院219411941年：多晶硅材料制成年：多晶硅材料制成檢波器檢波器，是半

2、導(dǎo)體材料應(yīng)用的開(kāi)始；，是半導(dǎo)體材料應(yīng)用的開(kāi)始；1948194819501950年：年：鍺單晶鍺單晶，并用它制成了世界第一個(gè)具有放大，并用它制成了世界第一個(gè)具有放大性能的鍺晶體三極管性能的鍺晶體三極管( (點(diǎn)接觸三極管點(diǎn)接觸三極管) )；19511951年：四氯化硅鋅還原法制出了年：四氯化硅鋅還原法制出了多晶硅多晶硅；19521952年：直拉法成功地拉出世界上第一根年：直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶，硅單晶，并制出了并制出了硅結(jié)型晶體管。硅結(jié)型晶體管。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院3 60年代初，年代初，硅單晶薄層外延技術(shù)硅單晶薄層外延技術(shù)硅平面工藝硅平面工藝平面晶體管平面晶體管硅集

3、成電路硅集成電路 提純提純拉晶拉晶區(qū)熔區(qū)熔等等制備方法制備方法高純度、高純度、高完整性、高完整性、高均勻性高均勻性大直徑大直徑發(fā)展方向發(fā)展方向更高的更高的要求要求目目的的2021-10-16材料與光電物理學(xué)院47.1 半導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 1元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于A族族A族的金屬與非金族的金屬與非金屬的交界處，如屬的交界處，如Ge，Si，Se，Te等。等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院5 2化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 1)二元化合物半導(dǎo)體二元化合物半導(dǎo)體 (1)A族和族和V A族元素組成的族元素組成的A-V A 族化合物半導(dǎo)體。

4、即族化合物半導(dǎo)體。即A1，Ga，In和和P，As，Sb組成的組成的9種種A-VA 族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如A1P，A1As，A1Sb，GaP，GaAs，GaSb，等。，等。 (2)B族和族和B族元素組成的族元素組成的B-B 族化合物半導(dǎo)體。即族化合物半導(dǎo)體。即Zn，Cd，Hg與與S，Se,Te組成的組成的12種種B-B 族化合物半導(dǎo)體，族化合物半導(dǎo)體，如如CdS，CdTe，CdTe，CdSe 等。等。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院6 (3)A族元素之間組成的族元素之間組成的A - A族化合物半導(dǎo)體、如族化合物半導(dǎo)體、如SiC等。等。 (4)A和和A族元素組成的族元素組成的

5、A-和和A族化合物半導(dǎo)體，族化合物半導(dǎo)體，如如GeS，GeSe，SnTe，PbTe等共等共9種。種。 (5)A 族和族和A 族元素組成的族元素組成的A -A 族化合物半導(dǎo)體，族化合物半導(dǎo)體，如如AsSe3，AsTe3，AsS3等。等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院72) 多元化合物半導(dǎo)體多元化合物半導(dǎo)體(1)I B-A-(A)2組成的多元化合物半導(dǎo)體，如組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgGeTe2等。等。(2)I B-V A -(A )組成的多元化合物半導(dǎo)體，如組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgAsSn2等。等。(3)(1 B)2-B-IVA- (A )4組成的多元化合物半導(dǎo)體。如組成的多元化

6、合物半導(dǎo)體。如Cu2CdSnTe4等等2021-10-16材料與光電物理學(xué)院8 3固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體 固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成。而成。 有二元系和三元系之分。有二元系和三元系之分。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院94非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 原子排列短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的半導(dǎo)體。主要有非晶原子排列短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的半導(dǎo)體。主要有非晶Si、非、非晶晶Ge、非晶、非晶Te、非晶、非晶Se等元素半導(dǎo)體即等元素半導(dǎo)體即GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半導(dǎo)體。等非晶化合物半導(dǎo)體。2021-10

7、-16材料與光電物理學(xué)院105有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體 分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)合物和高分子聚合物。分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)合物和高分子聚合物。 一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳-碳雙鍵有機(jī)化合物。碳雙鍵有機(jī)化合物。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院111 1硅和鍺性質(zhì)硅和鍺性質(zhì) 物理性質(zhì)：物理性質(zhì)： 硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者相比，鍺的金屬性更顯著。室溫本征電阻率約為相比，鍺的金屬性更顯著。室溫本征電阻率約為50cm50cm，而硅的約為而硅的約為2.32.310105 5cmcm，硅在切割時(shí)易碎裂。，硅

8、在切割時(shí)易碎裂。 7.2 7.2 硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺半導(dǎo)體材料2021-10-16材料與光電物理學(xué)院12 化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)： 硅和鍺在常溫下化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時(shí)，很容硅和鍺在常溫下化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時(shí)，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以在自然界沒(méi)有游離易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以在自然界沒(méi)有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。狀態(tài)的硅和鍺存在。 鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、王水王水及及HF-HNO3混合酸中。混合酸中。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院13 硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水

9、，易被硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3 混合酸所溶解，因而半導(dǎo)體工業(yè)中常用此混合酸作為硅混合酸所溶解，因而半導(dǎo)體工業(yè)中常用此混合酸作為硅的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應(yīng)。硅與金屬作用能生成的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應(yīng)。硅與金屬作用能生成多種硅化物，這些硅化物具有導(dǎo)電性良好、耐高溫、抗多種硅化物，這些硅化物具有導(dǎo)電性良好、耐高溫、抗電遷移等特性可以用于制備大規(guī)模和超大規(guī)模集成電電遷移等特性可以用于制備大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路內(nèi)部的引線、電阻等。路內(nèi)部的引線、電阻等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院14結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 鍺和硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。鍺和硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，

10、化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。 鍺的室溫電子遷移率為鍺的室溫電子遷移率為3800cm2/Vs，硅為，硅為1800cm2 /Vs 。鍺的禁帶寬度為鍺的禁帶寬度為0.66eV，硅的禁帶寬度為，硅的禁帶寬度為1.12eV。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院15 雜質(zhì)對(duì)鍺、硅電學(xué)性質(zhì)的影響與雜質(zhì)對(duì)鍺、硅電學(xué)性質(zhì)的影響與雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)在禁帶中的位置在禁帶中的位置密切相關(guān)。密切相關(guān)。在鍺、硅中的在鍺、硅中的雜質(zhì)雜質(zhì)可分為兩類：可分為兩類：一類是一類是A族或族或A族元素，它們?cè)阪N、硅中只有一個(gè)能級(jí)，族元素，它們?cè)阪N、硅中只有一個(gè)能級(jí)，且電離能小，一個(gè)雜質(zhì)原于只起一個(gè)受主或施主作用，且電離能小，一個(gè)雜質(zhì)原于只起一個(gè)受

11、主或施主作用， A 族雜質(zhì)起受主作用使材料呈族雜質(zhì)起受主作用使材料呈p型導(dǎo)電，型導(dǎo)電， A 族雜質(zhì)起族雜質(zhì)起施主作用，使材料呈施主作用，使材料呈n型導(dǎo)電。型導(dǎo)電。另一類是除另一類是除A族、族、A 族以外的雜質(zhì)。族以外的雜質(zhì)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院16 2硅和鍺晶體的制備硅和鍺晶體的制備直拉法直拉法(Czochralski) ，生長(zhǎng)元素和，生長(zhǎng)元素和A-VA族化合物半導(dǎo)體單族化合物半導(dǎo)體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引入籽晶晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶

12、旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院17 直拉單晶生長(zhǎng)過(guò)程示意圖圖2021-10-16材料與光電物理學(xué)院18 1,4電極電極; 2坩堝桿坩堝桿; 3,21抽真抽真空、充氣接頭空、充氣接頭;6電極座電極座;7保溫保溫層底座層底座8坩堝托接管坩堝托接管; 9加熱加熱器器;10,11,12,13保溫層保溫層;14保溫保溫蓋蓋;15觀察窗觀察窗;16籽晶籽晶;17籽晶籽晶夾頭；夾頭； 18接渣盤接渣盤; 19 籽晶籽晶桿桿;20籽晶保護(hù)罩籽晶保護(hù)罩;23,24雙層雙層爐膛爐膛;25摻雜勺摻雜勺;26石英坩石英

13、坩堝堝;27坩堝托坩堝托. 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院19 由直拉法生長(zhǎng)的單晶，由于坩鍋與材料反應(yīng)和電阻加熱爐由直拉法生長(zhǎng)的單晶，由于坩鍋與材料反應(yīng)和電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長(zhǎng)高阻單晶困難。氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長(zhǎng)高阻單晶困難。懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法，可制取高純單晶。在高純石墨舟前端放上籽晶，可制取高純單晶。在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動(dòng)熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長(zhǎng)。動(dòng)熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長(zhǎng)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院202021-10-16材料與光電物

14、理學(xué)院21 3硅的主要用途硅的主要用途 目前的電子工業(yè)中使用的半導(dǎo)體材料主要還是硅，它目前的電子工業(yè)中使用的半導(dǎo)體材料主要還是硅，它是制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。是制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。 小容量整流器取代真空管和硒整流器，用于收音機(jī)、電小容量整流器取代真空管和硒整流器，用于收音機(jī)、電視機(jī)、通訊設(shè)備及各種電子儀表的直流供電裝置。視機(jī)、通訊設(shè)備及各種電子儀表的直流供電裝置?？煽毓枋谴笕萘空髌?，具有工作效率高、工作溫度高、可控硅是大容量整流器，具有工作效率高、工作溫度高、反向電壓高等優(yōu)點(diǎn)。反向電壓高等優(yōu)點(diǎn)?？煽毓枋强煽毓枵髟暮?jiǎn)稱可控硅是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱, ,是一種具有三個(gè)是

15、一種具有三個(gè)PN PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件, ,也叫晶閘管。也叫晶閘管。它的功用不僅是整流，還可以用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)以快它的功用不僅是整流，還可以用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)以快速接通或切斷電路，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆速接通或切斷電路，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等。等。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院22p 晶體二極管既能檢波又能整流。晶體三極管具有對(duì)信晶體二極管既能檢波又能整流。晶體三極管具有對(duì)信號(hào)起放大和開(kāi)關(guān)作用，在各種無(wú)線電裝置中作為放大器和振號(hào)起放大和開(kāi)關(guān)作用，在

16、各種無(wú)線電裝置中作為放大器和振蕩器。晶體管較真空管具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固蕩器。晶體管較真空管具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐振、耐沖擊、啟動(dòng)快、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。耐振、耐沖擊、啟動(dòng)快、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。p 將成千上萬(wàn)個(gè)分立的晶體管、電阻、電容等元件、采將成千上萬(wàn)個(gè)分立的晶體管、電阻、電容等元件、采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們“雕刻雕刻”在一個(gè)或幾個(gè)在一個(gè)或幾個(gè)尺寸很小的晶片上集結(jié)成完整的電路，為各種計(jì)測(cè)儀器、通尺寸很小的晶片上集結(jié)成完整的電路，為各種計(jì)測(cè)儀器、通信遙控、遙測(cè)等設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和超小型化開(kāi)辟了廣信遙控、遙測(cè)等設(shè)備的可

17、靠性、穩(wěn)定性和超小型化開(kāi)辟了廣闊前景。集成電路的出現(xiàn)是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)飛躍。闊前景。集成電路的出現(xiàn)是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)飛躍。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院23p 利用超純硅對(duì)利用超純硅對(duì)17m mm紅外光透過(guò)率高達(dá)紅外光透過(guò)率高達(dá)9095這這一特性，制作紅外聚焦透鏡，用以對(duì)紅外輻射目標(biāo)進(jìn)行夜視一特性，制作紅外聚焦透鏡，用以對(duì)紅外輻射目標(biāo)進(jìn)行夜視跟蹤，照相等。跟蹤，照相等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院24 由于鍺的載流子遷移率比硅高，在相同條件下，鍺具有由于鍺的載流子遷移率比硅高，在相同條件下，鍺具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開(kāi)關(guān)速度和較好較高的工作頻率、

18、較低的飽和壓降、較高的開(kāi)關(guān)速度和較好的低溫特性，主要用于制作雪崩二極管、開(kāi)關(guān)二極管、混頻的低溫特性，主要用于制作雪崩二極管、開(kāi)關(guān)二極管、混頻二極管、變?nèi)荻O管、高頻小功率三極管等。二極管、變?nèi)荻O管、高頻小功率三極管等。 鍺單晶具有高折射率和低吸收率等特性，適于制造紅外透鍺單晶具有高折射率和低吸收率等特性，適于制造紅外透鏡、光學(xué)窗口和慮光片等紅外光學(xué)儀器，主要用于熱成像儀。鏡、光學(xué)窗口和慮光片等紅外光學(xué)儀器，主要用于熱成像儀。 鍺可用作光纖的摻雜劑，提高光纖纖芯的折射率，減少色鍺可用作光纖的摻雜劑，提高光纖纖芯的折射率，減少色散和傳輸損耗。散和傳輸損耗。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院2

19、57.37.3非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 晶體的特征是晶格具有周期對(duì)稱性，即長(zhǎng)程有序。不具有晶體的特征是晶格具有周期對(duì)稱性，即長(zhǎng)程有序。不具有長(zhǎng)程有序的物質(zhì)長(zhǎng)程有序的物質(zhì)(包括液體包括液體)稱為非晶體。稱為非晶體。目前被研究最多的是以下兩類非晶半導(dǎo)體：目前被研究最多的是以下兩類非晶半導(dǎo)體：(1)四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體。四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體。 主要有主要有A族元素非晶半導(dǎo)體如非晶硅和非晶鍺及族元素非晶半導(dǎo)體如非晶硅和非晶鍺及A-A 族化合物非晶半導(dǎo)體，如族化合物非晶半導(dǎo)體，如-GaAs，-GaP，-InP及及- GaSb等。等。特點(diǎn)特點(diǎn)：最近鄰原子配位數(shù)為：最近鄰原子配位數(shù)為4，即每個(gè)原子周圍有，即

20、每個(gè)原子周圍有4個(gè)最近鄰個(gè)最近鄰原子。原子。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院26 (2)硫系非晶半導(dǎo)體。硫系非晶半導(dǎo)體。 這類非晶半導(dǎo)體中含有很大比例的硫系元素如這類非晶半導(dǎo)體中含有很大比例的硫系元素如S，Se，Te等，它們往往是以玻璃態(tài)形式出現(xiàn)。例如等，它們往往是以玻璃態(tài)形式出現(xiàn)。例如S，Se，Te，As2S3，As2Te3及三元系及三元系A(chǔ)s2Sn3As2Te3和四元系和四元系Te2Sn3As2Te3等都等都屬于此類。屬于此類。 另外還有氧化物非晶半導(dǎo)體另外還有氧化物非晶半導(dǎo)體GeO2，BaO，SiO2，TiO2，SnO2及及Ta2O5等等A族元素和族元素和V A族元素非晶半導(dǎo)體。族

21、元素非晶半導(dǎo)體。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院27 1.波函數(shù)波函數(shù)晶態(tài)：各電子的運(yùn)動(dòng)基本上可看成是相互獨(dú)立的，每個(gè)電子晶態(tài)：各電子的運(yùn)動(dòng)基本上可看成是相互獨(dú)立的，每個(gè)電子是在具有晶格周期性的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這個(gè)周期性勢(shì)場(chǎng)包括原是在具有晶格周期性的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這個(gè)周期性勢(shì)場(chǎng)包括原子實(shí)以及其它電子的平均勢(shì)場(chǎng)。電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的子實(shí)以及其它電子的平均勢(shì)場(chǎng)。電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的本征波函數(shù)是布洛赫波：本征波函數(shù)是布洛赫波：這意味著電子在晶體各個(gè)原胞中出現(xiàn)的幾率是相同的，即這意味著電子在晶體各個(gè)原胞中出現(xiàn)的幾率是相同的，即電子可以在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，稱為電子可以在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，稱為共有化運(yùn)

22、動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)。7.3.1 非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型)()()exp()()(Rrururk irurkkkk 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院28 由于不具有周期性，波函數(shù)不再是布洛赫波。由于不具有周期性，波函數(shù)不再是布洛赫波。非晶態(tài)非晶態(tài)電子態(tài)分為兩類：電子態(tài)分為兩類：一類稱為擴(kuò)展態(tài)，它與晶態(tài)中的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相類似，波一類稱為擴(kuò)展態(tài)，它與晶態(tài)中的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相類似，波函數(shù)延伸在整個(gè)晶體之中；函數(shù)延伸在整個(gè)晶體之中；另一類稱為定域態(tài)，波函數(shù)局限在一些中心附近，隨著與中另一類稱為定域態(tài)，波函數(shù)局限在一些中心附近，隨著與中心點(diǎn)的距離增大而指數(shù)衰減。心點(diǎn)的距離增大而指數(shù)

23、衰減。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院292. 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)晶體：晶體：電子態(tài)的能量本征值分成一系列能帶。對(duì)晶態(tài)半導(dǎo)電子態(tài)的能量本征值分成一系列能帶。對(duì)晶態(tài)半導(dǎo)體最重要的是導(dǎo)帶和價(jià)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在著禁帶。體最重要的是導(dǎo)帶和價(jià)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在著禁帶。在能帶中電子能級(jí)是非常密集的，形成準(zhǔn)連續(xù)分布。引入在能帶中電子能級(jí)是非常密集的，形成準(zhǔn)連續(xù)分布。引入能態(tài)密度函數(shù)能態(tài)密度函數(shù)(E)，在，在E-E+dE間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為(E)dE。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院30非晶態(tài)非晶態(tài)：也存在一系列能帶，能帶的存在不依賴于晶體的周期：也存在一系列能帶，能帶的存在不依

24、賴于晶體的周期性。能帶的基本情況主要取決于近程的性質(zhì)。性。能帶的基本情況主要取決于近程的性質(zhì)。 非晶態(tài)非晶態(tài)(a)和晶態(tài)和晶態(tài)(b)態(tài)密度函數(shù)的比較態(tài)密度函數(shù)的比較能態(tài)密度存在著尾部：能態(tài)密度存在著尾部：在導(dǎo)帶中，在導(dǎo)帶中，EEc是擴(kuò)展態(tài)，是擴(kuò)展態(tài)，EAEEC為定域態(tài)；為定域態(tài)；在價(jià)帶中，在價(jià)帶中，EEV是擴(kuò)展態(tài)，是擴(kuò)展態(tài)， EVEEg。晶態(tài)半導(dǎo)體的本征吸收邊分為兩種情況：一類是價(jià)帶頂和導(dǎo)帶晶態(tài)半導(dǎo)體的本征吸收邊分為兩種情況：一類是價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底在底在K空間中的相同點(diǎn)，稱為豎直躍遷；另一類是價(jià)帶頂和導(dǎo)空間中的相同點(diǎn)，稱為豎直躍遷；另一類是價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底不在帶底不在K空間的相同點(diǎn)，躍遷的過(guò)程必須

25、有聲子參加，給電空間的相同點(diǎn)，躍遷的過(guò)程必須有聲子參加，給電子提供子提供K的變化，稱為非豎直躍遷。的變化，稱為非豎直躍遷。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院35非晶態(tài)非晶態(tài)半導(dǎo)體：與晶態(tài)半導(dǎo)體的近程有序是相同的，二者的半導(dǎo)體：與晶態(tài)半導(dǎo)體的近程有序是相同的，二者的基本能帶結(jié)構(gòu)相似，因而本征吸收譜沒(méi)有大的變化，差別在基本能帶結(jié)構(gòu)相似，因而本征吸收譜沒(méi)有大的變化，差別在于本征吸收邊的位置有些移動(dòng)，同時(shí)由于非晶態(tài)中不存在長(zhǎng)于本征吸收邊的位置有些移動(dòng)，同時(shí)由于非晶態(tài)中不存在長(zhǎng)程的周期性，因而不再有豎直躍遷與非豎直躍遷之分。程的周期性，因而不再有豎直躍遷與非豎直躍遷之分。 光吸收曲線可分為三個(gè)區(qū)域

26、：光吸收曲線可分為三個(gè)區(qū)域：A，高吸收區(qū)，吸收系數(shù)，高吸收區(qū)，吸收系數(shù)104cm-1； B指數(shù)區(qū)，吸收系數(shù)指數(shù)區(qū)，吸收系數(shù) 變化為變化為4至至5個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；C，弱吸收區(qū)，弱吸收區(qū)，變化為變化為10-1-10-2。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院363光電導(dǎo)光電導(dǎo) 光照可以產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度用光照可以產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度用n表示，它們引起表示，它們引起電導(dǎo)率的改變，這個(gè)現(xiàn)象稱為電導(dǎo)率的改變，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。 光電導(dǎo)效應(yīng)是非晶態(tài)半導(dǎo)體的一個(gè)基本性質(zhì)，特別是非晶光電導(dǎo)效應(yīng)是非晶態(tài)半導(dǎo)體的一個(gè)基本性質(zhì)，特別是非晶 硅。它的光電效應(yīng)密切依賴于制備的工藝方法和工藝條件；硅

27、。它的光電效應(yīng)密切依賴于制備的工藝方法和工藝條件； 其光電導(dǎo)效應(yīng)是衡量非晶硅材料性質(zhì)的基本參數(shù)。其光電導(dǎo)效應(yīng)是衡量非晶硅材料性質(zhì)的基本參數(shù)。 光電導(dǎo)的大小與光照強(qiáng)度有關(guān)。光電導(dǎo)的大小與光照強(qiáng)度有關(guān)。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院37 非晶態(tài)半導(dǎo)體是高阻材料，存在著大量的缺陷定域態(tài)，非晶態(tài)半導(dǎo)體是高阻材料，存在著大量的缺陷定域態(tài)，具有顯著的陷阱效應(yīng)，即在光照產(chǎn)生非平衡載流子的同時(shí)，具有顯著的陷阱效應(yīng)，即在光照產(chǎn)生非平衡載流子的同時(shí)，缺陷態(tài)上的電子濃度也要發(fā)生變化。缺陷態(tài)上的電子濃度也要發(fā)生變化。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院387.3.3 非晶硅非晶硅-Si:H 非晶半導(dǎo)體的非

28、晶半導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)摻雜效應(yīng)和和Pn結(jié)結(jié)制備首先是在制備首先是在Si:H 中實(shí)現(xiàn)的。中實(shí)現(xiàn)的。非晶硅非晶硅-Si:H薄膜不僅成功地用于制造太陽(yáng)能電他，而且在多方薄膜不僅成功地用于制造太陽(yáng)能電他，而且在多方面展現(xiàn)了新的應(yīng)用前景。面展現(xiàn)了新的應(yīng)用前景。 制備方法：制備方法：等離子輝光放電法等離子輝光放電法、濺射法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)、濺射法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)氣相淀積法等。氣相淀積法等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院39輝光放電法輝光放電法： 將硅烷將硅烷(SiH4)氣體通入真空反應(yīng)室，用等離子輝光放電使氣體通入真空反應(yīng)室，用等離子輝光放電使之分解成之分解成Si，SiH，Si H2等原子或原子團(tuán)

29、，這些原子或原子團(tuán)等原子或原子團(tuán)，這些原子或原子團(tuán)沉積在玻璃、金屬等襯底上形成沉積在玻璃、金屬等襯底上形成Si:H非晶硅薄膜。非晶硅薄膜。 比用其它方法制備的性能要好得多，它具有很低的隙態(tài)密比用其它方法制備的性能要好得多，它具有很低的隙態(tài)密度和很大光電導(dǎo)性等。首先實(shí)現(xiàn)了非晶半導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)，并度和很大光電導(dǎo)性等。首先實(shí)現(xiàn)了非晶半導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)，并制造出了太陽(yáng)能電池等電子器件。制造出了太陽(yáng)能電池等電子器件。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院40非晶硅的特性非晶硅的特性：(1)在可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)具有高的光吸收系數(shù)和光電導(dǎo)特性；在可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)具有高的光吸收系數(shù)和光電導(dǎo)特性；(2)非晶硅薄膜的沉積

30、生長(zhǎng)溫度低非晶硅薄膜的沉積生長(zhǎng)溫度低(180-250oC)，能耗低，成本，能耗低，成本少；少；(3)非晶硅可形成禁帶寬度各不相同的多種非晶合金，而且每非晶硅可形成禁帶寬度各不相同的多種非晶合金，而且每種非晶合金的禁帶寬度還可用調(diào)節(jié)成分的方法在一定范圍內(nèi)進(jìn)種非晶合金的禁帶寬度還可用調(diào)節(jié)成分的方法在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足各種器件的需要；行調(diào)節(jié)，以滿足各種器件的需要；(4)非晶硅及其合金可用摻雜的方法使之成為非晶硅及其合金可用摻雜的方法使之成為n型或型或P型，有利型，有利于器件的制造。于器件的制造。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院41缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：首先是它的內(nèi)部構(gòu)造的混亂導(dǎo)致電子和空穴等載流

31、子的壽命首先是它的內(nèi)部構(gòu)造的混亂導(dǎo)致電子和空穴等載流子的壽命短，擴(kuò)散長(zhǎng)度小，往往使器件特性下降；短，擴(kuò)散長(zhǎng)度小，往往使器件特性下降；其次在長(zhǎng)期的強(qiáng)光照射下，會(huì)產(chǎn)生光疲勞效應(yīng)，使光電導(dǎo)和其次在長(zhǎng)期的強(qiáng)光照射下，會(huì)產(chǎn)生光疲勞效應(yīng)，使光電導(dǎo)和其他特性下降。其他特性下降。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院42用途：用途： 作太陽(yáng)能電池，即直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的器件。作太陽(yáng)能電池，即直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的器件。 以往的太陽(yáng)能電池主要用及以往的太陽(yáng)能電池主要用及CdTe和和Si單晶材料，由于單晶單晶材料，由于單晶 工藝復(fù)雜，材料損耗大，價(jià)格昂貴，因此使用受限。工藝復(fù)雜，材料損耗大，價(jià)格昂貴，因此使

32、用受限。 非晶態(tài)硅薄膜可以大面積沉積，成本低，為廣泛利用太陽(yáng)非晶態(tài)硅薄膜可以大面積沉積，成本低，為廣泛利用太陽(yáng)能創(chuàng)造了條件。能創(chuàng)造了條件。 另外，非晶態(tài)硅薄膜還可以制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管、場(chǎng)效應(yīng)集另外，非晶態(tài)硅薄膜還可以制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管、場(chǎng)效應(yīng)集成電路、圖象傳感器、電荷耦合器件、光信息貯存器等。成電路、圖象傳感器、電荷耦合器件、光信息貯存器等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院43定義：定義： 電性能介于導(dǎo)電陶瓷和絕像介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電性能介于導(dǎo)電陶瓷和絕像介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電阻率介于電阻率介于10-4-10-7之間。一般是由一種或數(shù)種金屬氧化物，之間。一般是由一種或數(shù)種金屬氧

33、化物，采用陶瓷制備工藝制成的多晶半導(dǎo)體材料。采用陶瓷制備工藝制成的多晶半導(dǎo)體材料。7.4 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷2021-10-16材料與光電物理學(xué)院44特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)半導(dǎo)體陶瓷的化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，易產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的半導(dǎo)體陶瓷的化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，易產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的偏移，在晶格中形成固有點(diǎn)缺陷，這種點(diǎn)缺陷濃度不僅與溫偏移，在晶格中形成固有點(diǎn)缺陷，這種點(diǎn)缺陷濃度不僅與溫度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來(lái)雜質(zhì)濃度緊密相連；度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來(lái)雜質(zhì)濃度緊密相連； (2)構(gòu)成半導(dǎo)體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是離子鍵，這類材料構(gòu)成半導(dǎo)體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是離子鍵，這類材料中載流子的遷移機(jī)理較鍺、硅等

34、半導(dǎo)體更為復(fù)雜：中載流子的遷移機(jī)理較鍺、硅等半導(dǎo)體更為復(fù)雜： (3)半導(dǎo)體陶瓷材料是多晶材料，存在晶界是其重要特征。半導(dǎo)體陶瓷材料是多晶材料，存在晶界是其重要特征。由于晶界的化學(xué)、物理特性十分復(fù)雜，許多物理效應(yīng)都由晶由于晶界的化學(xué)、物理特性十分復(fù)雜，許多物理效應(yīng)都由晶界引起。界引起。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院45半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷熱敏半導(dǎo)熱敏半導(dǎo)體陶瓷體陶瓷壓敏半導(dǎo)壓敏半導(dǎo)體陶瓷體陶瓷PTC熱敏熱敏NTC熱敏熱敏CTR熱敏熱敏2021-10-16材料與光電物理學(xué)院467.4.1 PTC(Positive Temperature Coefficient)半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 PTC

35、熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體陶熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體陶瓷材料。瓷材料。 典型的典型的PTC 半導(dǎo)體陶瓷材料系列有半導(dǎo)體陶瓷材料系列有BaTiO3或以或以BaTiO3為基為基的的(Ba，Sr，Pb)TiO3固溶半導(dǎo)體陶瓷材料，氧化釩等材料及固溶半導(dǎo)體陶瓷材料，氧化釩等材料及以氧化鎳為基的多元半導(dǎo)體陶瓷材料等。以氧化鎳為基的多元半導(dǎo)體陶瓷材料等。 其中以其中以BaTiO3 半導(dǎo)體陶瓷最具代表性，也是當(dāng)前研究得最半導(dǎo)體陶瓷最具代表性，也是當(dāng)前研究得最成熟，實(shí)用范圍最寬的成熟，實(shí)用范圍最寬的PTC 熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料。熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料。2021-10-16材

36、料與光電物理學(xué)院47電阻電阻溫度系數(shù)是在規(guī)定溫度下，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是在規(guī)定溫度下，熱敏電阻的電阻值的相對(duì)變化率與產(chǎn)生這種變化的溫度增量之比，即值的相對(duì)變化率與產(chǎn)生這種變化的溫度增量之比，即CdTdRRoTTT%1002021-10-16材料與光電物理學(xué)院48 實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式表示：表示：式中式中RT、RT0表示溫度表示溫度為為T、T0時(shí)電阻值，時(shí)電阻值，Bp為該為該種材料的材料常數(shù)。種材料的材料常數(shù)。exp(-)00TTPRRBT T2021-10-16材料與光電

37、物理學(xué)院49BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料，純凈的陶瓷是一種典型的鐵電材料，純凈的BaTiO3陶瓷常陶瓷常溫電阻率大于溫電阻率大于1012 cm相對(duì)介電系數(shù)高于相對(duì)介電系數(shù)高于104。 在純凈的在純凈的BaTiO3陶瓷中引入陶瓷中引入微量的稀土元素微量的稀土元素， 其常溫電阻率可下降到其常溫電阻率可下降到10-2-l04 cm。 若溫度超過(guò)材料的居里溫度，則電阻率在幾十度的溫若溫度超過(guò)材料的居里溫度，則電阻率在幾十度的溫度范圍內(nèi)能增大度范圍內(nèi)能增大310個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生PTC 效應(yīng)。效應(yīng)。？2021-10-16材料與光電物理學(xué)院50 BaTiO3晶格為典型的晶格為典型的A

38、B3型鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在型鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在A位，位，鈦離子處在鈦離子處在B位。在純凈的位。在純凈的BaTiO3 材料中引入微量稀土元材料中引入微量稀土元素作為施主雜質(zhì)可使材料半導(dǎo)化。素作為施主雜質(zhì)可使材料半導(dǎo)化。施主雜質(zhì)取代方式大致有三種：施主雜質(zhì)取代方式大致有三種：2021-10-16材料與光電物理學(xué)院51一是一是A位取代，即與位取代，即與Ba 2半徑相近，化合價(jià)高于半徑相近，化合價(jià)高于2價(jià)價(jià)的元素取代的元素取代Ba 2 ；二是二是B位取代，即與位取代，即與Ti 4半徑相當(dāng)，化合價(jià)高于半徑相當(dāng)，化合價(jià)高于4價(jià)價(jià)的元素取代的元素取代Ti 4 ；三是雙位取代，即加入多種離子，同時(shí)取代三

39、是雙位取代，即加入多種離子，同時(shí)取代Ba 2 和和Ti 4。無(wú)論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量一。無(wú)論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量一般都應(yīng)控制在般都應(yīng)控制在0.5mol內(nèi)。內(nèi)。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院52影響影響B(tài)aTiO3的的PTC效應(yīng)的因素效應(yīng)的因素：(1) 燒結(jié)氣氛，只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于燒結(jié)氣氛，只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于900oC的氧化的氧化氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)PTC效應(yīng)，在還原氣氛中燒效應(yīng)，在還原氣氛中燒結(jié)，則沒(méi)有結(jié)，則沒(méi)有PTC效應(yīng)。效應(yīng)。(2) 降溫速率，降溫速率越慢，降溫速率，降溫速率越慢， PTC 效應(yīng)越大，高溫?zé)?/p>

40、的效應(yīng)越大，高溫?zé)傻臉悠?，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)樣品，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)PTC 效應(yīng)；效應(yīng)；2021-10-16材料與光電物理學(xué)院53(3) 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， BaTiO3單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)單晶半導(dǎo)體不呈現(xiàn)PTC 效應(yīng)，而把效應(yīng)，而把BaTiO3單晶半導(dǎo)體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很大的單晶半導(dǎo)體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很大的PTC效應(yīng)，因而證明效應(yīng)，因而證明PTC 效應(yīng)來(lái)源于效應(yīng)來(lái)源于多晶多晶半導(dǎo)體晶界。半導(dǎo)體晶界。(4) 微量雜質(zhì)，引入微量微量雜質(zhì)，引入微量Mn，Cr，F(xiàn)e等作等作受主受主雜質(zhì)，可明雜質(zhì)，可明顯提高顯提高PTC 效應(yīng)；但引入效應(yīng)；但引入Na，Cu，Al等作受主雜質(zhì)，等作受主雜質(zhì)，

41、卻只能提高室溫電阻率，而不能提高卻只能提高室溫電阻率，而不能提高PTC 效應(yīng)。效應(yīng)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院54機(jī)理機(jī)理：是材料的鐵電性和陶瓷的多晶性共同作用所產(chǎn)生的物：是材料的鐵電性和陶瓷的多晶性共同作用所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。理現(xiàn)象。 在在室溫室溫下，下，BaTiO3是鐵電體，存在著自發(fā)極化，對(duì)晶界是鐵電體，存在著自發(fā)極化，對(duì)晶界層勢(shì)壘起屏蔽作用，勢(shì)壘高度降低，層勢(shì)壘起屏蔽作用，勢(shì)壘高度降低，PTC材料的室溫電阻率材料的室溫電阻率主要由主要由晶粒晶粒的電阻率所決定，為低阻的的電阻率所決定，為低阻的n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院55 當(dāng)溫度達(dá)到當(dāng)溫度達(dá)

42、到居里溫度附近居里溫度附近時(shí)，自發(fā)極化迅速減小，時(shí)，自發(fā)極化迅速減小，并在材料由鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w時(shí)完全消失。晶界勢(shì)并在材料由鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w時(shí)完全消失。晶界勢(shì)壘阻礙晶粒中電子的流通，材料的電阻率由晶界電阻壘阻礙晶粒中電子的流通，材料的電阻率由晶界電阻率所決定，呈現(xiàn)高電阻特性。率所決定，呈現(xiàn)高電阻特性。 所以在材料的溫度由室溫向高溫連續(xù)變化過(guò)程中，所以在材料的溫度由室溫向高溫連續(xù)變化過(guò)程中，將在居里溫度附近出現(xiàn)低電阻到高電阻的突變，即將在居里溫度附近出現(xiàn)低電阻到高電阻的突變，即PTC 效應(yīng)。效應(yīng)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院56應(yīng)用應(yīng)用： PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測(cè)量與控

43、制，也用熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測(cè)量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，于汽車某部位的溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開(kāi)水器的水溫、空調(diào)器與冷庫(kù)的溫度等。如控制瞬間開(kāi)水器的水溫、空調(diào)器與冷庫(kù)的溫度等。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院57 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到“開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)”的作用，的作用，兼有敏感元件、加熱器和開(kāi)關(guān)三種功能，稱兼有敏感元件、加熱器和開(kāi)關(guān)三種功能，稱之為之為“熱敏開(kāi)關(guān)熱敏開(kāi)關(guān)” 電流通過(guò)元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，電流通過(guò)元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，

44、當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開(kāi)關(guān)作用。利用這種阻溫特持在特定范圍的功能，又起到開(kāi)關(guān)作用。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過(guò)熱保護(hù)作用。烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過(guò)熱保護(hù)作用。2021-1

45、0-16材料與光電物理學(xué)院587.4.2NTC半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)(NTC，Negative Temperature Coefficient)熱敏熱敏半導(dǎo)體陶瓷，是指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體陶瓷，它的電阻半導(dǎo)體陶瓷，是指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體陶瓷，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院59 負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體陶瓷大都是用錳、鈷、鎳、鐵負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體陶瓷大都是用錳、鈷、鎳、鐵等過(guò)渡金屬氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工藝制備等過(guò)渡金屬氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工藝制備而成，溫度系數(shù)通常在而成，

46、溫度系數(shù)通常在-11-6左右。左右。 可分為低溫可分為低溫(60300oC)、中溫、中溫(300600oC)及高溫及高溫(大于大于600oC)三種類型。三種類型。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院602021-10-16材料與光電物理學(xué)院61結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 一般為尖晶石結(jié)構(gòu)，其通式為一般為尖晶石結(jié)構(gòu)，其通式為AB2O4，式中式中A一般為二價(jià)正離子，一般為二價(jià)正離子，B為三價(jià)正離子，為三價(jià)正離子，O為氧離子。為氧離子。 實(shí)際上尖晶石結(jié)構(gòu)的單位晶胞中共有實(shí)際上尖晶石結(jié)構(gòu)的單位晶胞中共有8個(gè)個(gè)A離子，離子，16個(gè)個(gè)B離離子和子和32個(gè)氧離子。由于氧離子的半徑較大，故由氧離子密堆積個(gè)氧離子。由于氧離子

47、的半徑較大，故由氧離子密堆積而成，金屬離子則位于氧離子的間隙中。而成，金屬離子則位于氧離子的間隙中。 氧離子間隙有兩種：一是正四面體間隙，氧離子間隙有兩種：一是正四面體間隙，A離子處于此間離子處于此間隙中；另一個(gè)是正八面體間隙，由隙中；另一個(gè)是正八面體間隙，由B離子占據(jù)，這種正常結(jié)構(gòu)離子占據(jù)，這種正常結(jié)構(gòu)狀態(tài)稱為正尖晶石結(jié)構(gòu)。狀態(tài)稱為正尖晶石結(jié)構(gòu)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院62 當(dāng)全部當(dāng)全部A位被位被B離子占據(jù)，而離子占據(jù)，而B位則由位則由A、B離子各半占據(jù)時(shí)，離子各半占據(jù)時(shí)，稱為反尖晶石結(jié)構(gòu)；稱為反尖晶石結(jié)構(gòu)； 當(dāng)只有部分當(dāng)只有部分A位被位被B離子占據(jù)時(shí)，稱為半反尖晶石結(jié)構(gòu)。離子

48、占據(jù)時(shí)，稱為半反尖晶石結(jié)構(gòu)。 只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導(dǎo)只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導(dǎo)體。體。 NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料通常都以熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料通常都以MnO為主材料，同時(shí)為主材料，同時(shí)引入引入CoO，NiO，CuO，F(xiàn)eO等氧化物，使其在高溫下形成等氧化物，使其在高溫下形成半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院63機(jī)理機(jī)理： 溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目少，所以其電

49、阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。數(shù)目增加，所以電阻值降低。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院647.4.3CTR半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 負(fù)溫度系數(shù)臨界電阻負(fù)溫度系數(shù)臨界電阻CTR(Critical Temperature Resister)指具有負(fù)電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增指具有負(fù)電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。加急劇減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。 是利用材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時(shí)電阻的急劇變是利用材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時(shí)電阻的急劇變化而制成，故稱為化而制成，故稱為急變溫度熱敏電阻急變溫度熱敏電

50、阻。 其特性是其電流電阻特性與其特性是其電流電阻特性與溫度溫度有一定的依賴關(guān)系，在有一定的依賴關(guān)系，在急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，因而具有溫度開(kāi)關(guān)急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，因而具有溫度開(kāi)關(guān)特性。特性。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院65 主要構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合主要構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導(dǎo)體，也稱燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導(dǎo)體，也稱CTR為玻璃態(tài)熱敏電為玻璃態(tài)熱敏電阻。阻。 驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變。這是由驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變。這是由于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的

51、。若于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的。若在適當(dāng)?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急在適當(dāng)?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進(jìn)一步還原為三氧化二釩，則急變消失。變溫度變大；若進(jìn)一步還原為三氧化二釩，則急變消失。產(chǎn)生電阻急變的溫度對(duì)應(yīng)于半玻璃產(chǎn)生電阻急變的溫度對(duì)應(yīng)于半玻璃- -半導(dǎo)體物性急變的位半導(dǎo)體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導(dǎo)體置，因此產(chǎn)生半導(dǎo)體- -金屬相移。金屬相移。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院66成份結(jié)構(gòu)成份結(jié)構(gòu)：主要是以主要是以V2O5為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體陶瓷材料。為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體陶瓷材料。摻雜稀土氧化物來(lái)改善其性能。摻雜稀土氧化物來(lái)改善其

52、性能。應(yīng)用應(yīng)用： 所制得的傳感器在火災(zāi)報(bào)警、溫度報(bào)警方面有很大用途，所制得的傳感器在火災(zāi)報(bào)警、溫度報(bào)警方面有很大用途，在固定溫度控制和測(cè)溫方面也有許多優(yōu)點(diǎn)，其可靠性高，在固定溫度控制和測(cè)溫方面也有許多優(yōu)點(diǎn)，其可靠性高，反應(yīng)時(shí)間快。反應(yīng)時(shí)間快。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院677.4.4壓敏半導(dǎo)體陶瓷壓敏半導(dǎo)體陶瓷 壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，用這類陶瓷制成的元器件圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，用這類陶瓷制成的元器件又稱非線性電阻器。又稱非線性電阻器。 它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾

53、乎無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)超過(guò)臨界電壓時(shí)，電阻急劇變低，隨著電壓的少許增加，電超過(guò)臨界電壓時(shí)，電阻急劇變低，隨著電壓的少許增加，電流會(huì)迅速增大。流會(huì)迅速增大。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院68代表：代表：ZnO ZnO是一種由天然的紅鋅礦原料制出的六方晶系纖鋅結(jié)是一種由天然的紅鋅礦原料制出的六方晶系纖鋅結(jié)構(gòu)的氧化物，其化學(xué)鍵型處于離子鍵與共價(jià)鍵的中間鍵型構(gòu)的氧化物，其化學(xué)鍵型處于離子鍵與共價(jià)鍵的中間鍵型狀態(tài)。狀態(tài)。 這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是氧離子以六角密堆的方式排列，而鋅這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是氧離子以六角密堆的方式排列，而鋅離子填入半數(shù)由離子填入半數(shù)由O 2-

54、緊密排列所形成的四面體空隙中，而緊密排列所形成的四面體空隙中，而O 2-密堆所形成的八面體空隙則是全空的，正負(fù)離子的配位數(shù)密堆所形成的八面體空隙則是全空的，正負(fù)離子的配位數(shù)均為均為4。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院69 ZnO的許多性質(zhì)，包括電性質(zhì)，尤其是電導(dǎo)率主要來(lái)源于的許多性質(zhì)，包括電性質(zhì)，尤其是電導(dǎo)率主要來(lái)源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。 ZnO的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中存在大量易于容納填隙鋅離子的的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中存在大量易于容納填隙鋅離子的相當(dāng)大尺寸的空隙，并且鋅在相當(dāng)大尺寸的空隙，并且鋅在ZnO晶體中的擴(kuò)散系數(shù)比氧在晶體中的擴(kuò)散系數(shù)比氧在ZnO中的擴(kuò)散系數(shù)高。中的擴(kuò)散系數(shù)高。2

55、021-10-16材料與光電物理學(xué)院70 機(jī)理機(jī)理： ZnO半導(dǎo)體陶瓷中存在晶粒和粒界層形成雙肖特基勢(shì)壘。在半導(dǎo)體陶瓷中存在晶粒和粒界層形成雙肖特基勢(shì)壘。在低電壓區(qū)，低電壓區(qū)，IV特性受粒界的熱激發(fā)射電流效應(yīng)控制，表現(xiàn)出特性受粒界的熱激發(fā)射電流效應(yīng)控制，表現(xiàn)出電流飽和的高電阻性。當(dāng)外加電壓增加，反偏勢(shì)壘的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)電流飽和的高電阻性。當(dāng)外加電壓增加，反偏勢(shì)壘的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某一臨界值后，粒界界面態(tài)中所俘獲的電子以隧穿勢(shì)壘的機(jī)制某一臨界值后，粒界界面態(tài)中所俘獲的電子以隧穿勢(shì)壘的機(jī)制傳輸電子電流，使傳輸電子電流，使IV特性曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。特性曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院71應(yīng)用：

56、應(yīng)用： 在過(guò)電壓保護(hù)方面是十分重要的。在過(guò)電壓保護(hù)方面是十分重要的。ZnO避雷器可以用于由避雷器可以用于由雷電引起的過(guò)電壓和電路工作狀態(tài)突變?cè)斐呻妷哼^(guò)高，使正雷電引起的過(guò)電壓和電路工作狀態(tài)突變?cè)斐呻妷哼^(guò)高，使正常運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)電壓線路得到保護(hù)和穩(wěn)壓，防止設(shè)備遭受損常運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)電壓線路得到保護(hù)和穩(wěn)壓，防止設(shè)備遭受損壞。壞。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院72半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)：由兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的結(jié)，稱為：由兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)。超晶格超晶格：兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生：兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生長(zhǎng)，構(gòu)成超晶格。長(zhǎng)，

57、構(gòu)成超晶格。量子阱量子阱：當(dāng)兩個(gè)同樣的異質(zhì)結(jié)背對(duì)背接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)量：當(dāng)兩個(gè)同樣的異質(zhì)結(jié)背對(duì)背接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)量子阱。子阱。7.5 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料2021-10-16材料與光電物理學(xué)院737.5.1 異質(zhì)薄層材料異質(zhì)薄層材料 PN結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類結(jié)是在一塊半導(dǎo)體單晶中用摻雜的辦法做成兩個(gè)導(dǎo)電類型不同的部分。型不同的部分。一般一般PN結(jié)的兩邊是用同一種材料做成，稱為結(jié)的兩邊是用同一種材料做成，稱為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)。如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊單晶，稱如把兩種不同的半導(dǎo)體材料做成一塊單晶，稱異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院74

58、 兩種材料禁帶寬度的不同以及其它特性的差異，使兩種材料禁帶寬度的不同以及其它特性的差異，使異異質(zhì)結(jié)質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒(méi)有的特性，在器件設(shè)計(jì)上將得具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒(méi)有的特性，在器件設(shè)計(jì)上將得到某些同質(zhì)結(jié)不能實(shí)現(xiàn)的功能，如在異質(zhì)晶體管中用寬帶到某些同質(zhì)結(jié)不能實(shí)現(xiàn)的功能，如在異質(zhì)晶體管中用寬帶一側(cè)做發(fā)射極會(huì)得到很高的注入比，獲得較高的放大倍數(shù)。一側(cè)做發(fā)射極會(huì)得到很高的注入比，獲得較高的放大倍數(shù)。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院757.5.2 超晶格超晶格 超晶格結(jié)構(gòu)就是超晶格結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)外延層在生長(zhǎng)方向上的周期排列，結(jié)外延層在生長(zhǎng)方向上的周期排列，在生長(zhǎng)方向具有用期性結(jié)構(gòu)。在生長(zhǎng)方向具

59、有用期性結(jié)構(gòu)。 它的晶格周期并不是取決于材料的晶格常數(shù)，而是取決它的晶格周期并不是取決于材料的晶格常數(shù)，而是取決于交替子層的重復(fù)周期于交替子層的重復(fù)周期(10nm)，與電子平均自由程相關(guān)的超，與電子平均自由程相關(guān)的超晶格周期對(duì)于能否產(chǎn)生量子效應(yīng)是一個(gè)重要參量。晶格周期對(duì)于能否產(chǎn)生量子效應(yīng)是一個(gè)重要參量。2021-10-16材料與光電物理學(xué)院76超晶格的種類超晶格的種類 1組分超晶格組分超晶格 在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。 2021-10-16材料與光電物理學(xué)院77 在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有