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1、半导体材料导论71汇编半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透镜等。 7.1 半导体器件的分类半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（discrete part），另一类为集成电路（integrated circiut，简称IC）。分立器件可分为：（1）晶体二极管；（2）晶体三极管；（3）发光二极管；（4）激光管；（5）电力电子器件；（6）电子转移器件；（7）能量转换器件；（8）敏感元件。集成电路可分为：（1）Si 集成电路；（2）GaAs集成电路；（3）混合集成电路。其中Si集成电路按其结构又可分为：（1）双极型电路；（2） 金属-氧化物-半导体（M
2、OS）型电路；（3）双极MOS（BiMOS）电路等。 第7章半导体材料的应用各种器件所用的材料及主要原理见表。下面就一些有代表性的器件作一简要的介绍。表7.1 主要半导体器件所用材料及其工作原理*由于本书内容的限制，未对这些效应与原理加以说明。PN（a）V扩dNdP（b） 图3.6 pn结原理示意图7.2 晶体二极管二极管是具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件。其原理已在第四章中介绍过。u当这两块半导体结合成一个整体时，如图3.6(b), p 型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非无休止的，因为这种扩 散打破了边界附近的电中性，
3、空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势场（电场），或称扩散电势。u这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平衡的电势用V扩表示，这就构成pn结。 图3.6 pn结原理示意图V扩（c）V外V扩（d）V外n当加上外加电场V外时：u如果正极接到p 型区，负极接到n型区，见图中(c)，因为半导体材料具有一定的电导率，因此电压降的主要部分却落在了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相反，于是降低了内建电场，减少了阻挡层的厚度，使电流顺利通过。u而当电场方向相反时，内建电场
4、与外加电场相叠加，见图中(d)，增加了阻挡层的厚度，使电流不能通过。这就是结的整流作用。n当电压方向使pn结导通时，称为正向偏置，n当电压方向使阻挡层加厚时，称为反向偏置。二极管主要应用于整流与检波。n交流电压加在pn结上时，如使正电压接于p型区，负电压接于n型区时电流就通过，而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安特性如图。图7.1 pn结二极管的伏安特性反向饱和电流Vb-击穿电压I击穿电流正向电流V从 图中可以看出当电压为正向偏置时，所获电流为正向电流，可达几千安培，而电压为反向偏置时，通过的电流为几毫安培，或小于1 毫安。n反向电流是由于少数载流子产生的，即在p区有少量的电子，因为在p区主
5、要是空穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同样在n区也有少数载流子-空穴。这些载流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成电流，这种电流强度与所加的电压无关，因此在被击穿前是一个常数。n在正常掺杂浓度下，击穿是由于pn结的反向偏置电压高到一定的程度时，少数载流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增，失去整流的效应。n对用作整流器的二极管而言，耐反向电压是个重要的指标，材料的电阻率愈高，耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几千伏。 图3.6 pn结原理示意图V扩（c）V外V扩（d）V外u二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。u有的器
6、件在pn结中间加一个高阻层，称i层，这就是pin二极管。例如微波用的碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT）就是这种结构。u利用肖特基势垒的二极管称肖特基二极管。u利用异质结构成的二极管称为异质结二极管。u耿氏器件也有两个端子，但没有pn结也称为耿氏二极管，它是利用电子的导电的转移而产生微波振荡，又称转移电子器件。作这种器件的材料有砷化镓与磷化铟。太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。电磁波的能量可用hn 来表示，其中h为普朗克常数，n为电磁波的频率。当太阳光照到带pn结的半导体表面时，其中hnEg，即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价带中的电子，使之形成电子-空穴对 。这些电子与空穴受结内建电场
7、的作用，p区与n区的少数载子可穿过pn结向对方流动，也就是说，p区中的电子流入n区 ，而p区中的空穴则受内建电场的排斥则留p区，n 区的少数载流子空穴也同样流向p区。这样pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。这种效应称为光生伏打效应。将p区与n区用导线联结，就可形成电流，这就是太阳电池发电的原理，见图。 7.3 太阳电池 其基本结构亦为pn结，通常只有一个pn结。它的工作原理见图。P型硅N型硅+ 图7.2 太阳电池的发电原理图Pn结P型半导体n型半导体入射光电子空穴太阳能电池的分类:按运用分：有空间电池和地面电池按材料分：有硅太阳电池和化合物太阳电池。按工艺分：有常规制造工艺（热扩散）、外延
8、结（液相外延和气相外延）和化学气相沉积。按PN结结构分：有同质结、异质结、平面结、垂直结和多结电池。按光学特性分：聚光电池、背反射电池、紫光电池和绒面电池。按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类：（1）单晶硅太阳能电池（2）多晶硅太阳能电池（3）非晶硅太阳能电池（4）多元化合物太阳能电池（5）聚光太阳能电池下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。按材料组成和结构分类：染料敏化太阳能电池 目前最主要光伏材料硅材质HIT异质材料夹层（异质结）晶体硅多晶硅块单硅晶块非晶硅薄膜微晶硅薄膜镉碲（II-VI族化合物）薄膜太阳能电池III-V族化合物多元化合物(铜铟镓二硒、GaAlAs/GaAs
9、、InP、CdS/Cu2S、CuInSe2 ）等太阳能电池化合物半导体n 单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达以上，但价格也最贵。n 非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。n 特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。n 如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。不同太阳能电池的市占率 202X 年世界光伏市场中，各种太阳电池占据的比重2 当今的光
10、伏技术中，硅太阳能电池技术是主要技术。图 1 给出了 202X 年，世界光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为 87%2。硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产硅太阳电池的原材料非常容易获得。而且硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技术之上，所以，这个技术被普遍地接受和理解。 目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中占据主要地位，但是在能源供应中并不是主要的供应来源。无论是国内还是国外，它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的电力价格是比较高的，所以，它的成本回收周期需要很长时间。居高不下的成本是限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键因素。n
11、首先我们先看 E-B间的pn结，根据节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏置，即n区的电子受电场的作用不能进入p区，但空穴可自由地进入p区。于是从E处到达n区的空穴就在电场的作用下进入p区而到达C极，即收集极。从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管工作的基础。n通过专门的设计，特别是把中间的基区作得很薄，使从发射极注入的载流子在基极内被复合得很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这虽对电流未起放大作用，但由于B-C 间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生
12、电压放大和功率放大的作用。其放大倍数可达1000以上。 7.4 晶体三极管是用半导体材料制成的具有三个端子的器件，简称晶体管。它是重要的分立器件、也是构成集成电路的主要元件。晶体三极管的种类很多，基本可分为两大类：结型晶体管和场效应晶体管。7.4.1 结型晶体管它有两个pn结，于是就有两种结构，即npn或pnp。现以pnp为例来说明基本工作原理（见图）。 图7.3 晶体三极管工作原理图输出信号ECBnppn一种电压控制的器件，其原理如图7.4 所示。n例如是在一块n型半导体薄片的上下两边，各作一个重掺p型层以p+示之。所形成的电极称为栅极（G)，p+与n型材料之间形成pn结。对这两个栅极施加反
13、向偏置，根据前面所述的结pn原理，此时的pn结的空间电荷区要扩张，见图内虚线所示，这样在这个电荷区之间便形成一个沟道。于是就可以调节从源（S ）到漏（D）之间的电阻，直至完全关断。7.4.2 场效应晶体管n因为这种类型的晶体管只靠多数载流子导电，与少数载流子的寿命无关，少数载流子寿命短的材料也可制作这类器件。n用作此种晶体管的材料有硅、砷化镓等。n与其类似的还有肖特基势垒栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。n所有的场效应管，只有一种载流子（电子或空穴）参加导电故称为单极型晶体管。n而上述的结型晶体管有两种载流子，即空穴与电子同时参加导电，故称双极型晶体管。图7.4 场效应晶体管工作原理示意图P
14、+P+GDSnnG 图7.5 发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时） 7.5 发光二极管n是利用pn结进行发光的器件，当向其pn结通入正向电流时，可发出红外光或可见光。n我们在前面已经说过，半导体材料的导带与价带间存在着禁带。导带中的电子数与价带中的空穴数取决于材料的禁带宽度、温度与杂质，当这些条件被确定并达到平衡后，其载流子浓度即为常数，这种载流子称为平衡载流子。n要想实现发光必需要有某种激发过程以不断提供过剩的载流子，也称非平衡载流子，通过这些非平衡载流子的复合以实现发光。n所谓复合，就是被激活的电子又回到价带与空穴复合并释放出能量。要想使这个过程能不断地发生，可以通过pn结，如图所示
15、。n当在结上加上正向电压时，大量的空穴进入p区，大量的电子流入n 区，这就可形 成不断复合、不断提供载流子的过程。n如果禁带是直接跃迁型的（即直接禁带），那么这复合所释放的能量就可以变成光，光的波长l 为：l =hc/Eg (7-1)其中h为普朗克常数； c为光速；Eg为禁带宽度。因h与c均为常数 ，如Eg的单位为电子伏(eV）时，l=1240/Eg (nm) (7-2)n如果材料的禁带是间接型的，电子与空穴直接复合的几率很小，是通过声子进行复合，而声子把能量传给晶格，造成材料发热，这就形成了非辐射复合。n所以多采用直接禁带材料作发光二极管，对某些间接禁带材料只有采取专门的措施，才能用于发光。
16、n可见光的波长为390760nm，根据(7-2)式计算，应选择禁带宽度在之间的半导体。n硅、锗的禁带宽度小，且为间接禁带，不能作发光二极管材料。nGaAs是直接禁带，其禁带宽度为，是良好的红外发光管材料，该器件已批量生产。n在可见光区域内使用的半导体材料有GaP、GaN、SiC及各种固溶体。n固溶体在发光二极管中得到大量应用的原因是可以利用其组成的变化来调整其禁带宽度，表列出了发光二极管所用的主要半导体材料及其结构。n磷化镓的禁带宽度为，但它的禁带是间接型的。为了提高GaP的发光效率，在其中掺入N或Zn-O对，这些杂质在其中可形成等电子陷阱，通过这种陷阱所形成束缚激子的复合亦可发光。这方面的机理已超出本书范围，所以只在这里提一下。nGaP是发光二极管使用最多的晶体材料。表7.2 发光二极管的主要材料结构与发光性能u长期困扰发光二极管发展的一个难题是它发光的颜色不全：只有红色、橙色、黄色、黄绿色，没有纯绿色及蓝色的产品。根据三基色的原理，缺少这两种颜色就不能形成全色显示。u 最近这一难题在氮化镓材 料上获得了突破。uGaN的 禁带宽度为3.39eV ，以 此为基础，可制出短波长的 发光二
