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1、1 1.1 什么是半导体材料？ n定义一： 依据材料导电能力的高低来区分导体、半导体 、绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的 材料定义为半导体。 导体：电阻率小于104cm； 绝缘体：电阻率大于1010 cm； 半导体：电阻率介于于104cm 到1010 cm 2 半导体材料定义二 在绝对零度无任何导电能力；但其导电 性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照 等外部条件和材料的纯度与结构完整性等 内部条件十分敏感。 3 1.2 能带理论 导体 导体 导体 半导体 绝缘体Eg Eg Eg 4 导体能带 在任何温度下，价电子都是占满能带的一部分，在这 个能带中还有一部分状态是空的； 在外电场的作用下
2、，共有化电子很易从低能级跃迁到 高能级上去，形成电流。 5 绝缘体 n在任何温度下，能带要么全满，要么全空 ，能带之间的禁带宽度非常大，或杂质的 电离能较高，通常情况下电阻率很高。 n某些晶体由外层轨道分裂而成的能带是被 电子填满的满带，自然不能导电。 n理想的绝缘材料：在其熔点以下的任何温 度，只要外加电压小于其击穿电压，就没 有可察觉的电流通过。 6 半导体 n在绝对零度时，能带要么全满，要么全空，但 在非零温度下，半导体的价带顶部附近有少量 电子被激发到导带底部。 7 1.3、半导体的电学特性参数 基本电学特性参数：对于一种选定的半导体材料而言，在器 件制造和应用的过程中基本不会发生变化
3、。对于不同的半导体材 料这些参数存在较大差异， n禁带宽度：安全工作温度和抗辐射能力 n临界击穿电场强度：最大功率传输能力 n介电常数：与器件的阻抗有关 n载流子的饱和漂移速度：频率特性，饱和时得到最大频 率。 根据器件特性的需要进行材料选择时重点考虑的因素 ！ 8 非基本电学特性参数 n载流子的密度，少子寿命，载流子的迁移率 n特点是容易变化，而且变化的范围很大，对 同一种半导体材料而言也没有确定的大小， 而且这三个参数不仅会随着材料制备情况的 不同发生变化，而且在制造器件的过程中乃 至器件使用的过程中都会发生很大变化。 n对于一种选定的材料，这些参数的控制，是 决定器件工作特性的关键。 9
4、 直拉法 工艺比较简单，成 本低，但氧、碳杂 质含量很高 区熔单晶硅 磁场拉晶（MCZ） 难以制备1000V以上器件 电力半导体器件，功率集成电路 氧、碳含量较低但大 直径比较困难 降低直拉晶的氧、碳含 量，改善掺杂均匀性， 易生长大直径单晶 10 （1）、砷化镓（GaAs） 特点： 室温禁带宽度为1.43eV 热导率较低 电子迁移率高 半绝缘衬底 直接跃迁型能带 ， 具有负微分迁移率效应 抗辐照能力较强 耐较高温度 ？ 不适合于制作电流密度 较高的电力电子器件 ？ 高频、高速、低功 耗、低噪声 高电子迁移率晶体管和 单片微波集成电路 高效激光器 高效太阳电池 11 负微分迁移率效应 能带结构
5、的三个特征： (1)存在导带电子的子能谷； (2)子能谷与主能谷的能量差 小于禁带宽度而远大于kT； (3)电子在子能谷中的有效质 量大于在主能谷中的有效质 量，因而子能谷底的有效态 密度较高，迁移率较低。 12 IIIN化合物 高击穿电场特性 SiC 高频率特性 GaAs GaN优越 的微波材料 开发GaN器件的主要问题 非常昂贵 的衬底！ GaN衬底；SiC衬底、蓝宝石衬底 13 (5)、磷化铟（InP） InP能带结构与GaAs类似 E=0.53eV 阈值电场高 电子的峰值漂移速度高 直接跃迁、Eg1.34eV在光电子学领域 的重要地位 InP用IV族元素参杂 有很强的选择性，不 会成为
6、双性杂质， Si和SnIn施主 C和GeP受主 14 （2） II-VI族化合物半导体 IIB族锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg) VIA族硫(S)、硒(Se)、碲(Te) 半金属 闪锌矿型 特点：宽禁带直接跃迁型 光电子技术 的理想材料 制备困难 晶格缺陷 自补偿效应 单极性半导体 难于制作pn结 15 CdTe太阳电池材料 ，因为。 Eg1.5eV；直接跃迁型 1.5eV 太阳能转换 效率最高 CdTe吸收系数大 1m吸收入射光的 99% II-VI中唯一的双极性 P-CdTe N-CdS Cd对人体和环境有害 16 （3） 氧化物半导体材料 ZnO 特点：离子性强、纤锌矿结构，直接跃迁型
7、， Eg3.37eV。结构特征和光电特性跟GaN相似 其他特性 1)室温激子束缚能高达60meV。作为发光器件的阈值 电压低，温度稳定性好，发光效率高。紫外LED和 白光照明 2) 良好的化学稳定性和热稳定性。高温度下工作时不 会有缺陷的增殖，使用寿命长。 3) 较低的外延生长温度。300600减小热失配缺陷 ，降低外延层间互扩散，有利于陡峭异质结形成 17 ZnO面临的困难： 难以实现p型掺杂 施主作用的氧空位 解决： ZnO结晶薄膜的生长以c轴作为择优取向 压电效应和机电耦合性能。SAW ZnO负微分迁移率特性，其阈值电场强度 和峰值漂移速度都要比GaAs和InP高 抗辐照能力强，这一特征
8、归因于辐照缺陷对 的快速湮灭 18 （8）半导体固溶体 1.用两种或两种以上的元素半导体或化合物半 导体相互溶合而形成的一类具有半导体性质 的固态“溶液”材料（混晶或合金半导体）。 2.硅锗固溶体、各种III-V族化合物固溶体和II- VI族化合物固溶体等。 3.固溶体不同于化合物。化合物有严格的化学 配比，有一定的物理化学性质。 4.固溶体的组成比例至少在一定范围内连续可 调，因而其各种性能（尤其是能带结构）也 会相应地连续改变。 19 （1） 非晶体的结构、概念与制备原理 n晶体有短程序有长程序 n“短程有序，长程无序”非晶态固体的原子排列特征 近程序或短程序：配位数、键长和键角反映的 原
9、子排列规律性。 (1) 配位数 最近邻原子的数目； (2) 键长 参考原子与其最近邻原子的距离； (3) 键角 参考原子与其最近邻原子间的方位 角。 远程序或长程序：指的平移对称性。 20 什么是无序程度的量度 ？ 比值V0/B无序程度的量度 V0/B大（小）无序度高（低） 无规势场产生了两个效果： A 使能带展宽 B 使电子态定域化 定域化电子态跟轻掺杂半导体中由杂质原子在 禁带中引入的非本征电子态相似。波函数被局 限于某个原子的平衡位置附近，在绝对零度时 永无在其他原子附近出现的可能。 21 n扩展态：电子不局限于某个确定的空间位置 ，即使在绝对零度下，仍有一定几率出现于空 间各处。 n运
10、动于周期势场中的电子是公有化的自由电 子，其全部可被占据的状态都不会是定域态。 无序使能带扩展并定域化 定域化要首先从带尾开始，随着无序 度增加V0/B增加 EC和EC向中 间靠 V0/B超过某个临界值 EC 和EC重合其整个带的可占据状态 才会全部定域化。 22 2)、非晶体的能带模型 图2-17 非晶半导体的3种能带模型 区别于晶体的共同特征 与晶体能带 有区别吗？ n不存在真正的能隙。 n迁移率隙，相当于晶体的能隙。 迁移率隙中的定域态大致分为两类： 带边附近的尾态长程无序的自然结果； 两带尾之间的定域态称作隙态。 怎么来的和 什么有关？ 23 总结：直流导电与T的关系 扩展态电导率 极
11、低温变程跳跃电导率 带尾态电导率 近程跳跃电导率 1/T 近 变 尾 c 24 是跟带边EC和EV的态密度分布函数性质有关 的常数，Eo非晶光能隙或光吸收边。 说明：非晶没有真正意义上的禁带。在讨论 非晶光电子学问题时，光能隙禁带，讨论 输运问题时将迁移率边禁带。光吸收边并 不全等于迁移率边。 晶体硅在可见光范围的值要比a-Si:H低一个 数量级左右。显示了a-Si:H在光电子器件应 用方面的优越性。 25 n当原子排列的有序程度略高于非晶体，亦 即具有一定的长程有序性，但一个长程序 的延续只在纳米的量级时，材料会呈现出 一些有趣的奇异性质。人们把具有这种结 构特征的半导体材料称作精细结构半导
12、体 n把与结构尺寸有关的奇异性质的出现称作 量子尺寸效应 n研发热点主要有两类，一类是微晶体或纳 米晶体，另一类是半导体超晶格。 26 （2） 半导体超晶格 B宽禁带 B宽禁带 A窄禁带 B宽禁带 A窄禁带 电子沿Z方向的运动将受到 这个人为的附加周期势的影 响 2.1.3 二元系相图的分析 1 相图的内容 液相线 固相线 L S L+S a b xlxs T1 任意点代表液态Ge-Si共 溶体的可能状态 任意点代表固态Ge-Si共 溶体的可能状态 两点不重 合，表明 液溶体和 固溶体在 相同温度 下有不相 同的组分 液相组分固相组分 液溶体物相点 固溶体物相点 纯Ge的 熔点 纯Si的熔 点
13、 a b xlxs T1 m x lt l2 t2 杠杆原理 n计算两相成分的相对量 n两相的组分比 适用范围：二相区 xSi初始状态组分比 ab杠杆 ；abW合；r支点 T1 a b m r x ar 组分为xs 的 固相的重量Ws rb组分为xl 的液 相的重量Wl 结论：两相重量与两线长度成反比 类似于力学杠杆原理 结论： （1）T下降，液相组分沿液相线变化，X-Xl增加，Ws增加 ；而固相组分沿固相线变化，Xs-X减小， Wl减小；固态Ge-Si比例越 来越大，液态Ge-Si比例越来越小； （2）当 xlx，Ws0，无固相开始结晶；而当xsx， Wl0，整个系统全部凝固； T1 a b
14、 m r x 相图杠杆原理证明： 合金总重W，x Si初始状态组分比，硅在固液两相中的 组分比为Xs和Xl，固液两相的质量分别为 Ws和Wl xlxs 2.1.5 几种常见的相图 1、无限固溶体的相图 无限固溶体：在液相或固相可按任意比例 融合，同时两组元不形成化合物 不发生化学反应 组元不会单独析出，系统的性质、结 构、成分相同均匀 特点： 1 二元系固熔体的熔点，结晶点随组分发生变化 2 给定组分时： 3 两相区L与S相对含量可按杠杆原理计算 4 组元以固态原子的方式进入晶格中形成固熔体 结晶点TL：T TL,固体析出 熔点TS：T 相组分由s1定 3)T下降T2 L+S区 相L相满足杠杆原理 4）T 相析出 （组分比由s2定），TL+ 相满足杠杆原理 T4 系统凝结成相固体,组分B 的含量与熔体相同 2） T4 TB的沉析相（ 组分由Q定)系统进入 +共存区.。4）T减低,共晶 体中的相和相的组分各自 沿曲线DG和曲线FH变化， 物相点沿Qx2。 5）TG时，物相点f，相组分 i确定，相组分j确定 物相点m3(DE之间) 1)T=Tm析出相， m3点B组元含量x3D 点x, max 2) TE熔体全部凝固 3）T下降共 晶体，发生相和相 之间的转变。两相的 比例根据杠杆原理求 出。 相和相的组分 各自沿曲线DG和曲线 FH变化 相组分x（
