半导体材料基础_基本特性.ppt

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1、第一章半导体材料基础1.1半导体材料的基本特性1.2半导体材料的制备技术1.3元素半导体材料1.4化合物半导体材料一、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＞108Ωcm1.1半导体的基本特性TR半导体金属绝缘体负的温度系数电阻温度系数图二、半导体材料的分类按功能和应用分：微电子半导体光电半导

2、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1.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、AsT

3、e3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体及固溶体半导体(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2.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。3.有机半导体（组分）1874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

4、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萌芽期硅晶体管三、半导体的发展1955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1963年用液相外延法生长砷化镓外延层，半导体激光器1963年

5、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半导体材料是微电子和光电子技术的基础，用半导体材料制作（光）电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电机理不同于其它物质，其导电能力可调谐：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。（热敏特性、光敏特性）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。（掺

6、杂特性）四、半导体材料的基本特性半导体材料的性质主要取决于半导体的能带结构和电子的运动规律。1、半导体的电子结构允带-π/aE(k)0π/ak}}允带}允带自由电子(1)能带结构电子填充允带时,可能出现:电子刚好填满最后一个带绝缘体和半导体最后一个带仅部分被电子占有导体绝缘体、半导体和导体的能带示意图常温下：Si：Eg=1.12ev；Ge:Eg=0.67ev；GaAs:Eg=1.43ev绝缘体的禁带宽度：6~7ev半导体的禁带宽度：1~3ev对常见的半导体,起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴,所以主要关注带底附

7、近和价带顶附近的能带结构.硅和锗的能带结构导带价带极大值极小值导带最低能谷例1元素半导体Si、Ge禁带导带例2化合物半导体GaAs(2)半导体的掺杂在纯净的半导体(本征半导体)中掺入一定量不同类型的杂质，并通过对其数量和在空间的分布精确地控制，实现对电阻率和少子寿命的有效控制，从而人为地改变半导体的电学性质，如n型半导体和p型半导体。本征半导体：带隙中无能级杂质和缺陷对能带结构的影响在半导体的禁带中引入杂质或缺陷能级：浅能级、深能级——影响光、电学性质i)晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动缺陷的出现：点缺陷线缺陷面缺陷空位位

8、错层错ii)和晶体基质原子不同的杂质原子的存在杂质的出现：无意掺杂源材料和工艺有目的控制材料性质有意掺杂物理机制：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性受到破坏而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级－－杂质能级。BAs受主掺杂施主