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1、1,3 元素半导体材料,目前发现的元素半导体材料:Si、Ge、C(金刚石)、Se、-Sn(灰锡)、P(磷)、Te(碲)、B; 3.1 硅 1824年,别尔泽留斯(Berzelius J. J.)非晶Si; Si在地壳中的丰度为25.7%,仅次于氧。 3.1.1Si的化学性质 三种同位素:28Si(92.23%)、29Si(4.67%)、30Si(3.10%)。 原子半径:0.1175nm;Si4+半径:0.039nm,2,自然界没有游离的Si元素,均以氧化物(SiO2)或硅酸盐等化合物状态存在。 Si在常温下不溶于单一的强酸,易溶于碱。 高温下,与H2、卤素、N2、S和熔融金属发生反应,分别生
2、成SiH4、SiCl4、Si3N4、SiS2等和多种金属硅化合物。 Si与Ge可以任意比例形成SiGe固溶体而与C则形成共价化合物。,3,3.1.2 晶体结构和能带 金刚石型 a=0.5430710nm,大间距晶面的面间距为0.3135nm,小间距晶面的面间距为0.0784nm。,5,导带态密度常数Nc 价带态密度常数Nv,6,Si的本征载流子浓度:,7,(2)电阻率 Si的本征电阻率,室温时,Si的n=1500cm2/(Vs), p=450cm2/(Vs), ni=1.071010cm-3 Si的本征电阻率为2.99105cm,8,掺B浓度为NB时,p型单晶Si电阻率为:,9,掺P浓度为NP
3、时,n型单晶Si电阻率为:,10,3.1.4光学性质,11,12,3.1.5 Si中的杂质,n型掺杂剂P、As、Sb p型掺杂剂B 轻元素杂质O、C、N、H 金属杂质Fe、Cu、Ni等,13,14,15,16,3.1.6 Si中的缺陷 (1).原生缺陷本征缺陷 空位和自间隙; (2).二次缺陷工艺诱生缺陷 (3).外延材料中的缺陷 位错、外延堆垛层错、微缺陷(雾状)、棱锥,半导体单晶中的缺陷,位错:一方面,吸引其周围点缺陷,增加少子寿命 一方面,晶格畸变增大,使载流子复合,少子寿命减小 刃位错:悬挂键,受主能级,17,3.1.7 Si的力学和热学性质,容易解理; 在100-1000K温度范围,
4、Si的热导率k为:,18,19,20,3.2 锗,1886年,德国科学家温克莱尔(Winkler CA) 首先从银硫锗矿(Ag8GeS6)中分离出Ge; Ge在地壳中的丰度仅为1.3410-6。,2.2.1化学性质 Ge有5个稳定的同位素: Ge70(20.4%)、 Ge72(27.4%) 、 Ge73(7.8%) 、 Ge74(36.6%) 、 Ge76(7.8%)。 室温时,Ge在空气、水和氧气中稳定,不与盐酸、稀硫酸、浓氢氟酸和浓NaOH溶液发生反应。 Ge可溶解在3%H2O2溶液中并形成GeO2沉淀; Ge不与C起反应。,21,3.2.2物理性质 金刚石结构 晶格常数0.565790n
5、m 密度5.3234g/cm3(比色法) 5.324264g/cm3(X射线法),石墨,金刚石,22,23,24,25,3.3 金刚石,纯净的金刚石化学性质稳定,耐酸、耐腐蚀,高温下也不与浓氢氟酸、硝酸和HClO3发生反应;只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的溶体中或与K2Cr2O7和浓硫酸混合液一起煮沸时才可被腐蚀。,26,27,3.4 硒和碲 3.4.1 硒 硒在地壳中的丰度为510-6%(质量比); 它有六个稳定的同位素: Se74(0.89%) 、 Se76(9.36%) 、 Se77(7.63%) 、 Se78(23.77%) 、 Se80(49.61%) 、 Se82(8.74%),28,3.4.2碲 Te在地壳中的丰度为0.0110-6。,29,30,3.5磷、硼和灰锡 3.5.1磷 黑磷和红磷具有半导体 性质,室温下带隙分别 为0.34eV和1.5eV。,31,3.5.2硼 B有两种稳定的同位素:10B(19.9%)、 11B(19.9%),32,3.5.3灰锡 灰锡有三种同素异构体:-Sn 灰锡(面心立方结构) Eg=0.0750.094eV -Sn 白锡(体心立方结构) Sn 脆锡(斜方晶系) -Sn可望在远红外辐射探测器方面得到应用。,