半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)_基本特性

1、1.1 半導(dǎo)體材料的基本特性半導(dǎo)體材料的基本特性1.2 半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)1.3 元素半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體材料1.4 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料一、什么是半導(dǎo)體？從導(dǎo)電性（電阻）：固體材料可分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體。電阻率： 導(dǎo)體：導(dǎo)體： 10-4cm 如：如：Cu=10-6cm半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：10-3cm108cm 如：如：Ge=0.2cm 絕緣體：絕緣體：108cm1.1 1.1 半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體的基本特性TR半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬絕緣體絕緣體負(fù)的溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)圖二、半導(dǎo)體材料的分類

2、按功能和應(yīng)用分：微電子半導(dǎo)體微電子半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體 按組成分：無機(jī)半導(dǎo)體：元素、化合物無機(jī)半導(dǎo)體：元素、化合物有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)分：晶體：單晶體、多晶體晶體：單晶體、多晶體非晶、無定形非晶、無定形 1. 無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料(組分)無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素、化合物及固溶體半導(dǎo)體。無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素、化合物及固溶體半導(dǎo)體。 (1) 元素半導(dǎo)體晶體GeSeSiCBTePSbAs元素元素半導(dǎo)體半導(dǎo)體SISn熔點(diǎn)太高、熔點(diǎn)太高、不易制成單晶不易制成單晶不穩(wěn)定不穩(wěn)定,易揮發(fā)易揮發(fā)低溫某種固相低溫某種固相稀少稀少化合物化

3、合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體-族族-族族金金屬氧化物屬氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 (1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半導(dǎo)體； (2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半導(dǎo)體2. 非晶態(tài)半導(dǎo)體（結(jié)構(gòu)）有機(jī)半導(dǎo)體通常分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)合物和高分子聚合物。酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子，他們都

4、具有大鍵結(jié)構(gòu)。 3.有機(jī)半導(dǎo)體（組分）1874年 F.Braun金屬半導(dǎo)體接觸氧化銅、硒整流器、曝光計(jì)1879年Hall效應(yīng)K.Beadeker半導(dǎo)體中有兩種不同類型的電荷 1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain鍺晶體管 (transistor)點(diǎn)接觸式的硅檢波器1940187019301950萌芽期硅晶體管三、半導(dǎo)體的發(fā)展1955年德國西門子氫還原三氯硅烷法制得高純硅1950年G.K.Teel直拉法較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1957年 第一顆砷化鎵單晶誕生19601950進(jìn)入成長期1952年H.Welker發(fā)現(xiàn)-族化合物 1958年W

5、.C.Dash無位錯硅單晶1963年 用液相外延法生長砷化鎵外延層，半導(dǎo)體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應(yīng)19701960硅外延技術(shù)1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶成熟期分子束外延MBE 金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積MOCVD半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料雜質(zhì)工程能帶工程電學(xué)特性和光學(xué)特性可裁剪電學(xué)特性和光學(xué)特性可裁剪半導(dǎo)體材料是微電子和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)，用半導(dǎo)體材料制作（光）電子元器件，不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于其導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，其導(dǎo)電能力可調(diào)諧： 當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。（熱敏特性、光敏特性） 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜

6、質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。（摻雜特性）四、半導(dǎo)體材料的基本特性u半導(dǎo)體材料的性質(zhì)主要取決于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子的半導(dǎo)體材料的性質(zhì)主要取決于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)動規(guī)律。1 1、半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)允帶允帶-/aE(k)0/ak允帶允帶允帶允帶自由電子自由電子(1) (1) 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)電子填充允帶時電子填充允帶時,可能出現(xiàn)可能出現(xiàn):電子剛好填滿最后一個帶電子剛好填滿最后一個帶絕緣體和半導(dǎo)體絕緣體和半導(dǎo)體最后一個帶僅部分被電子占有最后一個帶僅部分被電子占有導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖常溫下：Si：Eg=1.12ev

7、；Ge: Eg=0.67ev； GaAs: Eg=1.43ev絕緣體的禁帶寬度：67ev 半導(dǎo)體的禁帶寬度：13evl 對常見的半導(dǎo)體,起作用的往往是導(dǎo)帶底附近的電子和價(jià)帶頂附近的空穴,所以主要關(guān)注帶底附近和價(jià)帶頂附近的能帶結(jié)構(gòu).硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)價(jià)帶帶極大值極大值極小值極小值導(dǎo)帶最低能谷導(dǎo)帶最低能谷例例1 1 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體SiSi、GeGe禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶例例2 2 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體GaAsGaAs(2) (2) 半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜在純凈的半導(dǎo)體(本征半導(dǎo)體)中摻入一定量不同類型的雜質(zhì)，并通過對其數(shù)量和在空間的分布精確地控制，實(shí)現(xiàn)對電阻率和少子壽

8、命的有效控制，從而人為地改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，如n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體：帶隙中無能級本征半導(dǎo)體：帶隙中無能級雜質(zhì)和缺陷對能帶結(jié)構(gòu)的影響l 在半導(dǎo)體的禁帶中引入雜質(zhì)或缺陷能級：淺能級、深能級影響光、電學(xué)性質(zhì)i) 晶體中晶格位置的原子在平衡位置振動晶體中晶格位置的原子在平衡位置振動缺陷的出現(xiàn)：點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷空位空位位錯位錯層錯層錯ii) 和晶體基質(zhì)原子不同的雜質(zhì)原子的存在和晶體基質(zhì)原子不同的雜質(zhì)原子的存在雜質(zhì)的出現(xiàn)：無意摻雜無意摻雜源材料和工藝源材料和工藝有目的控制有目的控制材料性質(zhì)材料性質(zhì)有意摻雜有意摻雜l 物理機(jī)制：雜質(zhì)能級的產(chǎn)生晶體的勢場的周期性受到破壞而產(chǎn)

9、生附加勢場，使得電子或空穴束縛在雜質(zhì)周圍，產(chǎn)生局域化的量子態(tài)即局域態(tài)，使能帶極值附近出現(xiàn)分裂能級雜質(zhì)能級。BAs 受 主 摻 雜施 主 摻 雜l 半導(dǎo)體的摻雜分類施主能級施主能級受主能級受主能級雜質(zhì)能級：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動形成量子態(tài)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：n型、p型 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，即不含任何雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。絕對零度下，本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體；室溫下，一部分價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵束縛，形成電子-空穴對。本征激發(fā)很弱。硅晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 444444444價(jià)電子共價(jià)鍵電子-空穴對的產(chǎn)生和空穴的移動 444444444自由電子空穴在純凈的單晶體硅中

10、，摻入微量的五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、砷、 銻等，使原來晶格中的某些硅原子被五價(jià)雜質(zhì)原子所取代，便構(gòu)成N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。在純凈的單晶硅中摻入微量的三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，便構(gòu)成P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 444454444自由電子施主原子P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 444434444空位受主原子空穴2 2、半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)、半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì) (1) 載流子的電導(dǎo)率 s=s s=se+s+sp s s與載流子濃度濃度和載流子遷移率遷移率有關(guān)雜質(zhì)離化區(qū)過渡區(qū)本征激發(fā)區(qū)n型硅中電子濃度n與溫度T的關(guān)系圖（注：本征半導(dǎo)體ni與T是線性增加的關(guān)系）與半導(dǎo)體內(nèi)的散

11、射機(jī)制(電離雜質(zhì)、晶格振動)有關(guān)2 2、半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)、半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)T TT低溫低溫飽和飽和本征本征本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)電離，雜質(zhì)電離，本征激發(fā)低本征激發(fā)低雜質(zhì)全電離，雜質(zhì)全電離，本征激發(fā)少，本征激發(fā)少，散射作用強(qiáng)散射作用強(qiáng)本征激發(fā)本征激發(fā)為主為主(2) 半導(dǎo)體的電阻率3 3、半導(dǎo)體的光電性質(zhì)、半導(dǎo)體的光電性質(zhì) (1)光吸收l半導(dǎo)體材料中的電子吸收光子的能量，從能量較低的狀態(tài)躍遷到能量較高的狀態(tài)。這種躍遷可以發(fā)生在：1、不同的能帶之間；2、同一能帶的不同狀態(tài)之間；3、禁帶中的分立能級之間；4、禁帶中的分立能級和能帶之間。l以上各種吸收引起不同的吸收過程。i) 本征

12、吸收l定義：電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收，又稱為基本吸收。是半導(dǎo)體中最主要的吸收過程。l特點(diǎn)：伴隨著電子-空穴對的產(chǎn)生，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，即產(chǎn)生光電導(dǎo)。l必要條件：引起本征吸收的光子能量必須等于或大于禁帶寬度，即l對應(yīng)的波長稱為本征吸收限。根據(jù)上式，可得出本征吸收長波限的公式為l實(shí)驗(yàn)觀測：吸收系數(shù)曲線在短波端陡峭地上升，標(biāo)志著本征吸收的開始。通常把吸收限附近的吸收譜稱為吸收邊，它相應(yīng)于電子由價(jià)帶頂附近到導(dǎo)帶底附近的躍遷。l躍遷發(fā)生的條件：能量守恒和動量守恒l躍遷分類：直接躍遷和間接躍遷hhEg=0)()(242. 1meVEgc=l 直接躍遷直接躍遷若電子在躍遷前后的波矢可以認(rèn)為保

13、持不變，則這種躍遷稱為直接躍遷。相當(dāng)于電子由價(jià)帶豎直地躍遷到導(dǎo)帶，所以也稱為垂直躍遷。對應(yīng)的材料為直接帶隙半導(dǎo)體。l 間接躍遷間接躍遷若導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k空間的不同位置，則任何豎直躍遷所吸收的光子能量都應(yīng)該比禁帶寬度大。但實(shí)驗(yàn)指出，引起本征吸收的最低光子能量還是約等于Eg。推論：除豎直躍遷，還存在另一類躍遷過程：由價(jià)帶頂向具有不同值的導(dǎo)帶底的躍遷。kkq=EEEfip=kkhvc=+ 電子的動量變化很大。而光子的動量很小，故必須吸收或發(fā)射聲子才能滿足準(zhǔn)動量守恒.u除了吸收光子之外還要吸收或發(fā)射聲于的躍遷，稱為間接躍遷或非豎直躍遷。相應(yīng)的材料稱為間接能隙半導(dǎo)體材料。l 間接躍遷材料的缺點(diǎn)n實(shí)際

14、上在直接禁帶半導(dǎo)體中，涉及聲子發(fā)射和吸收的間接躍遷也可能發(fā)生，即直接禁帶半導(dǎo)體中也會發(fā)生間接躍遷。同樣，在間接禁帶半導(dǎo)體中，也可能發(fā)生直接躍遷。但它們不是能量最低的帶間躍遷。n間接躍遷要求同時有光子和聲子參加，是一個二級過程，躍遷幾率要比直接躍遷的躍遷幾率小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也較小。n因?yàn)楣怆娖骷话憔婕半娮拥能S遷，因此間接能隙半導(dǎo)體材料一般不適宜（直接）作為光電材料，尤其不能作為發(fā)光材料。ii) 激子吸收n若光子能量hEg, 則躍遷后的價(jià)帶電子不足以躍遷到導(dǎo)帶，但它可以和價(jià)帶的空穴組成電子空穴對束縛態(tài)（激子）。即：半導(dǎo)體吸收光子能量，但電子不能躍遷為自由載流子而處于受激狀態(tài)。n激子吸收不

15、會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。Emm neVexnr= 113622*.()iii) 雜質(zhì)吸收n雜質(zhì)可以在半導(dǎo)體的禁帶中引入雜質(zhì)能級，占據(jù)雜質(zhì)能級的電子或空穴的躍遷可以引起光吸收，這種吸收稱為雜質(zhì)吸收，可以分為下面三種類型：a.吸收光子可以引起中性施主上的電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)或?qū)У能S遷；b.中性受主上的空穴從基態(tài)到激發(fā)態(tài)或價(jià)帶的躍遷；c.電離受主到電離施主間的躍遷；n由于雜質(zhì)能級是束縛態(tài)，因而動量沒有確定的值，所以不必滿足動量守恒的要求，因此躍遷幾率較大。n雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，也會引起光電效應(yīng)。電子在雜質(zhì)能級及雜質(zhì)能級與帶間的躍遷淺能級雜質(zhì)：紅外區(qū)深

16、能級雜質(zhì)：可見、紫外區(qū)iv) 自由載流子吸收n當(dāng)入射光的波長較長，不足以引起帶間躍遷或形成激子時，半導(dǎo)體中仍然存在光吸收，而且吸收系數(shù)隨著波長的增加而增加。這種吸收是自由載流子在同一能帶內(nèi)的躍遷引起的，稱為自由載流子吸收。（準(zhǔn)連續(xù)、長波長段） n自由載流子吸收也需要聲子參與，因此也是二級過程，與間接躍遷過程類似。但這里所涉及的是載流子在同一帶內(nèi)不同能級間的躍遷。n自由載流子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。 v) 子帶間的躍遷n電子在價(jià)帶或?qū)е凶訋В╯ub-band）之間的躍遷。在這種情況下，吸收曲線有明顯的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不同于由自由載流子吸收系數(shù)隨波長單調(diào)增加的變化規(guī)律。n大多半導(dǎo)體的價(jià)帶在價(jià)帶頂

17、附近由三個子帶組成，不同子帶間可以發(fā)生三種引起光吸收的躍遷過程:(a) 從輕空穴帶到重空穴帶的躍遷(b) 從分裂的帶到重空穴帶的躍遷(c) 從分裂的帶到輕空穴帶的躍遷vi) 晶格振動吸收(聲子吸收)n由于光子和晶格振動的相互作用引起的中遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光吸收稱為晶格振動吸收。直接轉(zhuǎn)換為晶格振動的動能增加。小結(jié)小結(jié)：以上六種吸收機(jī)制中只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠引起非平衡載流子，產(chǎn)生光電效應(yīng)。其它吸收都不同程度的把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，而不改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。帶間吸收：可見紅外激子吸收：可見近紅外晶格振動吸收：紅外中紅外雜質(zhì)吸收：遠(yuǎn)紅外（淺能級雜質(zhì)）自由載流子吸收：準(zhǔn)連續(xù)、毫米波波長增大方

18、向3、半導(dǎo)體的光電性質(zhì)（2）光電導(dǎo)u若半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制可產(chǎn)生額外的載流子，那么載流子濃度提高，則電導(dǎo)率增加，增加的這部分電導(dǎo)率稱為光電導(dǎo)。u光生載流子是非平衡載流子，有產(chǎn)生就有復(fù)合過程，最終達(dá)到動態(tài)平衡，此時光電導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。u利用光電導(dǎo)，可制造用于高靈敏檢測的光電器件。4、半導(dǎo)體的界面特性： PN結(jié)（1） 基本結(jié)構(gòu)： PN結(jié)是由同一種本征半導(dǎo)體形成的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在晶格完全匹配的情況下緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為冶金結(jié)界面。 半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)。半導(dǎo)體二極管是單個PN結(jié)； 半導(dǎo)體三極管具有兩個PN結(jié)； 場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)也是PN結(jié)。 （2） 制作方法：外延方法：突變PN結(jié)；

19、（*）擴(kuò)散方法：緩變PN結(jié)；離子注入方法：介于突變結(jié)與緩變結(jié)之間（3） PN結(jié)的形成多子擴(kuò)散運(yùn)動：兩種材料接觸形成：兩種材料接觸形成PNPN結(jié)時，冶金結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)載流結(jié)時，冶金結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)載流子濃度差，形成可動載流子的擴(kuò)散流：子濃度差，形成可動載流子的擴(kuò)散流：* * 電子離開N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，在N型區(qū)留下帶正電荷的施主離子。* 空穴離開P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散，在P型區(qū)留下帶負(fù)電荷的受主離子。 (離化的雜質(zhì)中心固定不動，出現(xiàn)凈正、負(fù)電荷)少子漂移運(yùn)動：在半導(dǎo)體帶電的區(qū)域空間電荷區(qū)，形成內(nèi)建電場，在半導(dǎo)體帶電的區(qū)域空間電荷區(qū)，形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場引起少子漂移運(yùn)動。內(nèi)建電場引起少子漂移運(yùn)動?？臻g電荷區(qū)內(nèi)

20、漂移運(yùn)動與擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反，最后達(dá)到平衡狀態(tài)（空間電荷區(qū)寬度一定、PN結(jié)電流為0）。 而空間電荷區(qū)以外的P型區(qū)和N型區(qū)仍處于熱平衡狀態(tài)且保持電中性。 空間電荷區(qū)及內(nèi)建電場的形成過程示意圖達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，擴(kuò)散流等于漂移流 勢壘區(qū)內(nèi)電子（空穴）的擴(kuò)散和漂移抵消。勢壘區(qū)內(nèi)電子（空穴）的擴(kuò)散和漂移抵消。 整個整個pnpn結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。 能帶彎曲勢壘高度。能帶彎曲勢壘高度。PN結(jié)的形成 (a) 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動； (b) 空間電荷區(qū)； (c) 電位分布 P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)(a)(b)(c)Uho空穴 負(fù)離子正離子 自由電子空間電荷區(qū)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?a.正向特性 PN結(jié)外加正向電壓時導(dǎo)通 P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場外電場UhoIURUho Ub. 反向特性PN結(jié)外加反向電壓時截止 P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場UhoURUho U外電場I綜上所述:PN結(jié)正向偏置時，結(jié)電阻很小，回路中產(chǎn)生一個較大的