半導(dǎo)體材料緒論1

半導(dǎo)體材料

SemiconductorMaterials

皖西學(xué)院

材料與化工學(xué)院

吳克躍

聯(lián)系方式TELQ:1901948587未必是良師,但愿成益友!什么是半導(dǎo)體(Semiconductor)按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm電學(xué)性質(zhì)⒈電阻率ρ:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化

一、半導(dǎo)體的主要特征2.負(fù)電阻溫度系數(shù)Si：T=300Kρ=2x105

ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。比如：硫化鎘(CdS)半導(dǎo)體薄膜，無光照時(shí)的暗電阻為幾十MΩ，光照時(shí)阻值下降為幾十KΩ

1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。

4.具有光生伏特效應(yīng)氣體、壓力、磁場等對(duì)半導(dǎo)體電阻率都產(chǎn)生較大的影響氣敏傳感器壓力傳感器霍爾傳感器5.其它特性二、半導(dǎo)體材料的分類從功能用途分

光電材料,熱電材料,微波材料,敏感材料等

從組成和狀態(tài)分

無機(jī)半導(dǎo)體,有機(jī)半導(dǎo)體,元素半導(dǎo)體,化合物半導(dǎo)體

無機(jī)物元素半導(dǎo)體：化學(xué)元素周期表(Si,Ge)化合物半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光電器件的主要材料，InSb/InAs禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制作紅外器件和霍耳器件。Ⅱ-Ⅵ族，Zn0，主要用于光電器件，場致發(fā)光Ⅳ-Ⅵ族，PbS/PbTe,窄禁帶，光敏器件氧化物半導(dǎo)體，SnO2硫化物半導(dǎo)體，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)稀土化合物半導(dǎo)體,EuO,TmS有機(jī)物半導(dǎo)體：酞菁類、多環(huán)、稠環(huán)化合物

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1)

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體Si中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子—自由電子少數(shù)載流子—空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對(duì)

在本征半導(dǎo)體中Si摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)(2)

P型半導(dǎo)體三、半導(dǎo)體發(fā)展歷史和現(xiàn)狀伏特A.Volta(1745~1827)，意大利物理學(xué)家國際單位制中,電壓的單位伏即為紀(jì)念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個(gè)伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對(duì)電的研究從靜電發(fā)展到流動(dòng)電，開拓了電學(xué)的研究領(lǐng)域。他利用靜電計(jì)對(duì)不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導(dǎo)電性能介于它們之間的“半導(dǎo)體”。他在給倫敦皇家學(xué)會(huì)的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導(dǎo)體）一詞。負(fù)電阻溫度系數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，英國英國物理學(xué)家、化學(xué)家，現(xiàn)代電工科學(xué)的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀(jì)念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，另外法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn)。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導(dǎo)體材料，發(fā)現(xiàn)了負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下將。負(fù)電阻溫度系數(shù)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之一光電導(dǎo)效應(yīng)1873年，英國史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面，發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，它開創(chuàng)了半導(dǎo)體研究和開發(fā)的先河。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之二照片整流效應(yīng)布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，德國物理學(xué)家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。1874年，他觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。整流效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之三照片霍爾效應(yīng)1879年，霍爾(E.H.Hall)在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生了電動(dòng)勢，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”。“霍爾效應(yīng)”就是為紀(jì)念霍爾而命名的。利用“霍爾效應(yīng)”可以測量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之五照片光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)1876年，英國物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生了電動(dòng)勢，這就是半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用就是把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為太陽能電池。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之四照片第二階段：理論指導(dǎo)能帶論、導(dǎo)電機(jī)理模型和擴(kuò)散理論這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)逐步發(fā)展起來的半導(dǎo)體理論模型。

晶體管的發(fā)明背景理論背景：能帶論、導(dǎo)電機(jī)理模型和擴(kuò)散理論這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)逐步發(fā)展起來的半導(dǎo)體理論模型，便大體上構(gòu)成了確立晶體管這一技術(shù)發(fā)明目標(biāo)的理論背景。材料背景：半導(dǎo)體材料工藝的進(jìn)一步完善，制備出了高純度的半導(dǎo)體材料，為晶體管提高了高純的半導(dǎo)體材料真空管“真空管”代表玻璃瓶內(nèi)部抽真空，以利于游離電子的流動(dòng)，也可有效降低燈絲的氧化損耗。真空管擁有三個(gè)最基本的極，第一是“陰極”，它是釋放出電子流的地方，當(dāng)燈絲加熱時(shí)，電子就會(huì)游離而出，散布在真空玻璃瓶里。第二個(gè)極是“屏極”，基本是真空管最外圍的金屬板，屏極連接正電壓，負(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來的電子，作為電子游離旅行的終點(diǎn)。第三個(gè)極為“柵極”，電子流必須通過柵極而到屏極，在柵極之間通電壓，可以控制電子的流量，具有流通與阻擋的功能。真空管的缺點(diǎn)脆易碎體積龐大不可靠耗電量大效率低運(yùn)作時(shí)釋出大量熱能。。。第一個(gè)晶體管1947年，巴丁和布拉頓制備出了第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管。在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細(xì)針并通上電流，然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它，并通上微弱的電流，并加上微電流，這時(shí)，通過鍺片電流突然增大起來。這就是一種信號(hào)放大現(xiàn)象。因?yàn)檫@種晶體管的結(jié)構(gòu)，只是金屬與半導(dǎo)體晶片的某一“點(diǎn)”接觸，故稱之為“點(diǎn)接觸晶體管”。這種晶體管存在著不穩(wěn)定、噪聲大、頻率低、放大率小、制作困難等缺點(diǎn)。世界上第一個(gè)晶體管第一個(gè)結(jié)型晶體管肖克利提出另一個(gè)新設(shè)想：在半導(dǎo)體的兩個(gè)P區(qū)中間夾一個(gè)N區(qū)的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)晶體管放大作用。

1950年，第一個(gè)“結(jié)型晶體管”試制成功。這種晶體管是利用電子和空穴的作用原理制成，它是現(xiàn)代晶體管的雛型。它克服了“點(diǎn)接觸晶體管”的不穩(wěn)定性，而且噪聲低、功率大。1956年，肖克利和巴丁、布拉頓一起獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。第四階段：集成電路的出現(xiàn)1950年，R.Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1956年，S.Fuller發(fā)明了擴(kuò)散工藝；1960年，H.Loor和E.Castellani發(fā)明了光刻工藝；1958年，德州儀器的基爾比發(fā)明了第一塊用Ge材料制成的集成電路1958年，仙童公司的諾伊斯發(fā)明了第一塊用硅材料制成的集成電路集成電路的意義60年代初，人們?cè)诰w管發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)明了集成電路，這是半導(dǎo)體發(fā)展中的一次飛躍。它標(biāo)志著半導(dǎo)體器件由小型化開始進(jìn)入集成化時(shí)期。所謂集成電路指的是把二極管、三極管（晶體管）以及電阻、電容都制做在同一個(gè)硅芯片上，使一個(gè)片子所完成的不再是一個(gè)晶體管的放大或開關(guān)效應(yīng)，而是具有一個(gè)電路的功能。第一塊集成電路1958年，第一塊集成電路：12個(gè)器件，Ge晶片TI公司Kilby，2000年獲Nobel獎(jiǎng)8080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿?2雙核(2006)

酷睿2四核(2007)

能帶工程[energybandengineering]

創(chuàng)造人工改性半導(dǎo)體材料的工程。由江崎和朱兆祥提出。(對(duì)材料的物理參數(shù)和幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)和生長，改變能帶結(jié)構(gòu)和帶隙圖形，以優(yōu)化其電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)從而獲得性能優(yōu)越的新器件.)1970年美國IBM實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．他們?cè)O(shè)想如果用兩種晶格匹配很好的半導(dǎo)體材料交替地生長周期性結(jié)構(gòu)，每層材料的厚度在100nm以下，如圖所示，則電子沿生長方向的運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生振蕩，可用于制造微波器件．他們的這個(gè)設(shè)想兩年以后在分子束外延設(shè)備上實(shí)現(xiàn)．超晶格材料是兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長并保持嚴(yán)格周期性的多層膜，事實(shí)上就是特定形式的層狀精細(xì)復(fù)合材料。

第五階段：能帶工程四、常見的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體元素硅材料GaAs和InP單晶材料半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料寬帶隙半導(dǎo)體材料光子晶體(1)硅(Si)硅基半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛躍.半導(dǎo)體中的大部分器件都是以硅為基礎(chǔ)的增大直拉硅（CZ-Si）單晶的直徑仍是今后CZ-Si發(fā)展的總趨勢。(2)

Ⅲ-Ⅴ族化合物

GaAs電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。

GaAs用于集成電路其處理容量大100倍，能力強(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。InP的性能比GaAs性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產(chǎn)量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯(cuò)密度生長的2～3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快；但不幸的是，研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。（3）以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點(diǎn),以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志的半導(dǎo)體材料。它將在光顯示、光存儲(chǔ)、光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在未來10年里,氮化鎵材料將成為市場增幅最快的半導(dǎo)體材料。（4）半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

III-V族超晶格、量子阱材料

GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料,因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。（5）一維量子線、零維量子點(diǎn)基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代量子器件的基礎(chǔ)。（6）寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石、III族氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及II-VI族硫、錫碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料,因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。（7）下一代半導(dǎo)體材料的探索

光集成原子操縱五、納米科技和納米材料納米科技是上世紀(jì)九十年代以來發(fā)展起來的一門綜合現(xiàn)代科學(xué)（介觀物理、量子化學(xué)等）和先進(jìn)工程技術(shù)（計(jì)算機(jī)、微電子和掃瞄隧道顯微鏡等技術(shù)）的前沿交叉學(xué)科。納米結(jié)構(gòu)是指以納米尺度物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或者營造的一種新體系，包括一維、二維、三維體系。這些物質(zhì)單元主要包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

各種ZnO納米結(jié)構(gòu)

ZnO的應(yīng)用光電方面的應(yīng)用壓電方面的應(yīng)用氣敏方面的應(yīng)用壓敏方面的應(yīng)用ThemorphologyofTiO2TiO2Spheres

二氧化鈦的應(yīng)用