6.3.1半导体材料概述半导体材料概述6.3.2半导体的分类及特点半导体的分类及特点6.3.3PN结结6.3.4单质硅半导体材料单质硅半导体材料第八章第八章半导体材料的发展展望半导体材料的发展展望第七章第七章半导体材料的应用半导体材料的应用6.3.5重要的化合物半导体重要的化合物半导体6.3.6半导体的应用半导体的应用6.3 6.3 半导体材料半导体材料2021/9/121什么是半导体？什么是半导体？从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体电阻率绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数温度系数半导体电阻率电阻率：导体：导体：10-4cm如：如：Cu=10-6cm半导体：半导体：10-3cm108cm如：如：Ge=0.2cm绝缘体：绝缘体：108cm6.3.1 6.3.1 半导体材料概述半导体材料概述TR半导体半导体金属金属绝缘体绝缘体负的温度系数负的温度系数电阻温度系数图电阻温度系数图2021/9/122定义定义半导体材料（半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在体与绝缘体之间，电阻率约在1mcm1Gcm范围内）、可用来制作半导体器范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
件和集成电路的电子材料2021/9/123凡具有上述两种特征的材料都凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围可归入半导体材料的范围反反映半导体内在基本性质的却是映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质半导体材料的半导体性质构构成固态电子器件的基体材料绝成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性不同的功能和特性半导体的半导体的基本化学特征在于原子间存在基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键饱和的共价键2021/9/1242.2.负电阻温度系数负电阻温度系数SiSi：T=300K T=300K=2=2 x 10 x 105 5 cmcm T=320K T=320K=2=2 x 10 x 104 4cmcm3.3.具有整流效应具有整流效应绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体10121022.cm10-61012.cm10-6.cm电学性质电学性质 电阻率电阻率:电阻率可在很大范围内变化电阻率可在很大范围内变化半导体的主要特征半导体的主要特征2021/9/125按功能和应用分：按功能和应用分：微电子半导体微电子半导体光电半导体光电半导体热电半导体热电半导体微波半导体微波半导体气敏半导体气敏半导体 按组成分：按组成分：无机半导体：元素、化合物无机半导体：元素、化合物有机半导体有机半导体按结构分：按结构分：晶体：单晶体、多晶体晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形非晶、无定形6.3.2半导体分类及特点半导体分类及特点2021/9/126一、一、无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料(组分组分)无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。
无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体1.1.元素半导体晶体元素半导体晶体GeSeSiCBTePSbAs元素元素半导体半导体SISn熔点太高、熔点太高、不易制成单晶不易制成单晶不稳定不稳定,易挥发易挥发低温某种固相低温某种固相稀少稀少2021/9/1272021/9/128 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0KT=0K时，时，所有的价电子都紧紧束缚所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为在共价键中，不会成为自自由电子，由电子，因此本征半导体因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝的导电能力很弱，接近绝缘体1 1）本征半导体）本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”9”2021/9/129 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自由电子自由电子。
4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时，在自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现其原来的共价键中就出现了一个空位，称为了一个空位，称为空穴空穴自由电子自由电子空穴空穴2021/9/1210完全纯净、具有一定晶体结构的半导体完全纯净、具有一定晶体结构的半导体本征半导体本征半导体最常用的半导体为硅最常用的半导体为硅(Si)和锗和锗(Ge)它们的共同它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4SiGe2021/9/1211提纯的硅材料可形成单晶提纯的硅材料可形成单晶单晶硅单晶硅相邻原子由外层电子形成共价键相邻原子由外层电子形成共价键共价键共价键2021/9/1212硅原子硅原子价电子价电子受到受到激发激发，形成，形成自自由电子由电子并留下并留下空穴半导体中的自由电子和空半导体中的自由电子和空穴都能参与导电穴都能参与导电半导半导体具有两种载流子体具有两种载流子载流子载流子的的产生产生与与复合：复合：共价键共价键价电子价电子自由电子和空穴同时自由电子和空穴同时产生产生2021/9/1213本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。
在一定温度下，载流子同时又不断进行复合在一定温度下，载流子的产生与复合会达到动态平衡，的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度即载流子浓度与温度有关与温度有关温度愈高，载流子数目就愈多，温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好导电性能就愈好温度对半导体器件的性能温度对半导体器件的性能影响很大影响很大半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自由电子并留下空穴由电子并留下空穴光强愈大，光子就愈多，光强愈大，光子就愈多，产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强故半导体器件对光照很敏感故半导体器件对光照很敏感杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍2021/9/1214（2 2）杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为称为杂质半导体杂质半导体1)N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为称为N型半导体型半导体在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。
其导电能力相当低如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂掺杂半导体半导体，而，而掺杂半导体的导电能力将大大提高掺杂半导体的导电能力将大大提高由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体2021/9/1215N N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对2021/9/1216掺掺入入磷磷杂杂质质的的硅硅半半导导体体晶晶体体中中，自自由由电电子子的的数数目目大大量量增增加加自自由由电电子子是是这这种种半半导导体体的的导导电电方方式式，称之为电子半导体或称之为电子半导体或N型半导体型半导体在在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子室温情况下，本征硅中室温情况下，本征硅中n0=p01.5 1010/cm3，当，当磷掺杂量在磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。
几十万倍2021/9/1217 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2)2)P型半导体型半导体2021/9/1218掺掺硼硼半半导导体体中中，空空穴穴的的数数目目远远大大于于自自由由电电子子的的数数目目空空穴穴为为多多数数载载流流子子，自自由由电电子子是是少少数数载载流流子子，这种半导体称为这种半导体称为空穴型半导体或空穴型半导体或P型半导体型半导体一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍目将增加几十万倍不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，都只有一种多型半导体，都只有一种多数载流子然而整个半导体晶体仍是电中性的数载流子然而整个半导体晶体仍是电中性的2021/9/1219(1)(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N N型半导型半导体。
体N N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子载流子，此外还有不参加导电的正离子2)(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P P型半导型半导体其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此体其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子外还有不参加导电的负离子3)(3)杂杂质质半半导导体体中中，多多子子浓浓度度决决定定于于杂杂质质浓浓度度，少少子子由本征激发产生，其浓度与温度有关由本征激发产生，其浓度与温度有关常用的杂质元素常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑 总结总结2021/9/1220多子和少子多子和少子在在n型半导体中型半导体中，np,电子是电子是多数载流子多数载流子，空穴是空穴是少数载流子少数载流子在在p型半导体中型半导体中，pn,空穴是空穴是多数载流子多数载流子，电子是电子是少数载流子少数载流子2021/9/1221化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO22.化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体2021/9/1222化合物半导体化合物半导体p-族族，GaN/GaAs/GaP/InP微波微波、光电器、光电器件的主要材料，件的主要材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件。
率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件p-族，族，Zn0，主要用于光电器件，场致发，主要用于光电器件，场致发光光p-族族，PbS/PbTe,窄禁。