第6章-电子与微电子材料-63-半导体材料

16.3.1半导体材料概述6.3.2半导体的分类及特点6.3.3PN结6.3.4单质硅半导体材料第八章半导体材料的发展展望第七章半导体材料的应用6.3.5重要的化合物半导体6.3.6半导体的应用6.3半导体材料2什么是半导体？从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体。电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数→半导体。电阻率：导体：ρ＜10-4Ωcm如：ρCu=10-6Ωcm半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm如：ρGe=0.2Ωcm绝缘体：ρ＞108Ωcm6.3.1半导体材料概述TR半导体绝缘体负的温度系数电阻温度系数图3定义半导体材料（semiconductormaterial）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1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。4凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构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不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。52.负电阻温度系数Si：T=300Kρ=2x105ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效应绝缘体半导体导体1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm电学性质⒈电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化半导体的主要特征exp()aBEKT6按功能和应用分：微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体∶∶按组成分：无机半导体：元素、化合物有机半导体按结构分：晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形6.3.2半导体分类及特点7一、无机半导体晶体材料(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。1.元素半导体晶体GeSeSiCBTePSbAs元素半导体SISn熔点太高、不易制成单晶不稳定,易挥发低温某种固相稀少89本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。（1）本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。+4+4+4+4+4+4+4+4+410这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。自由电子空穴11完全纯净、具有一定晶体结构的半导体本征半导体最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。++SiGe12提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅相邻原子由外层电子形成共价键共价键13硅原子价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。载流子的产生与复合：共价键价电子自由电子和空穴同时产生14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，载流子的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能影响很大。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。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。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。15（2）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称为杂质半导体。1)N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N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，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，将得到掺杂半导体，而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——N型半导体和P型半导体。16N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子—自由电子少数载流子—空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对17掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或N型半导体。在N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n0=p0~1.51010/cm3，当磷掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。18在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2)P型半导体19掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。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1010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。不论是N型半导体还是P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。20(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N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。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。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。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑总结21多子和少子在n型半导体中，np,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在p型半导体中，pn,空穴是多数载流子，电子是少数载流子。22化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族金属氧化物Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅳ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23化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光电器件的主要材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件。Ⅱ-Ⅵ族，Zn0，主要用于光电器件，场致发光Ⅳ-Ⅵ族，PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件氧化物半导体，SnO2硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)稀土化合物半导体,EuO,TmS24二元化合物半导体：①IIIA族的Al,Ga,In和VA族的P,As,Sb可组成九种化合物，如InP,GaP,InAs,GaAs等，它们在制做发光器件、半导体激光器、高速晶体管和微波功率管等方面很有前途。②由IIB族的Zn,Cd,Hg和VIA族的S,Se,Te组成的ZnS,CdS,CdSe,HgS等，主要用在制做光敏电阻、光探测器等方面。25③Pb的S族化合物PbS,PbTe和PbSe也是重要的半导体材料，它们由于禁带宽度较窄，具有显著的红外光电导，可以制做红外探测器，是一类人们感兴趣的红外光电导材料。④Bi的S族化合物也是半导体材料，如Bi2Te3可作为一种热电材料。⑤IVA族的C,Si,Ge,Sn,Pb元素间组成的化合物半导体，如SiC。26除了二元化合物半导体外，还存在一些三元甚至四元化合物半导体。如属于黄铜矿的CuFeS2,CuInTe2,CuInSe2和CuAlTe2都具有明显的整流特性。但是，目前对多元化合物的研究进展并不大，主要是由于制备和提纯这些化合物非常困难，有些材料甚至连单晶的生长都很难控制。27固熔体半导体固熔体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相互溶合而成。可分为二元系和三元系，二元系有IVA-IVA组成的Ge-Si固熔体；VA-VA组成的Bi-Sb固熔体。三元系有GaAs-GaP组成的GaAs1-xPx和HgTe-CdTe组成的Hg1-xCdxTe。这些混合晶体材料可以通过选取不同的配比x，来调节并达到需要的物理参量（如禁带宽度、折射率），这样人们就可能根据需要设计具有某些电学和光学特性的材料来满足器件的需要。28(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体；(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体3.非晶态半导体（结构）有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结构。4.有机半导体（组分）291874年F.Braun金属－半导体接触氧化铜、硒整流器、曝光计1879年Hall效应K.Beadeker半导体中有两种不同类型的电荷1948年Shockley，Bardeen,Brattain锗晶体管(transistor)点接触式的硅检波器1940187019301950萌芽期硅晶体管二、半导体的发展301955年德国西门子氢还原三氯硅烷法制得高纯硅1950年G.K.Teel直拉法较大的锗单晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅单晶1957年第一颗砷化镓单晶诞生19601950进入成长期1952年H.Welker发现Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash无位错硅单晶311963年用液相外延法生长砷化镓外延层，半导体激光器1963年砷化镓微波振荡效应19701960硅外延技术1965年J.B.Mullin发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶Andthen?成熟期32分子束外延MBE金属有机化学汽相沉积MOCVD半导体超晶格、量子阱材料杂质工程能带工程电学特性和光学特性可裁剪333435PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。6.3.3PN结及半导体二极管36PN结的形成由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流子是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。37P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动38扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。39漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。40空间电荷区及内建电场的形成过程示意图达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。整个pn结具有统一的费米能级。能带弯曲－－势