chap2 半导体材料的电学和光学特性3.docx

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1、Chap2半导体材料的电学和光学特性Chap２半导体材料的电学和光学特性2.1半导体材料的电学特性2.2半导体材料的光学特性2.3半导体材料的种类和特性及PN结1Chap2半导体材料的电学和光学特性半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一，它在微电子领域具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。当前，国际上已经发展并且最有前途的半导体材料有：硅(Si）、锗(Ge)（第一代半导体材料）、III-V族化合物（GaAs,InP等，第二代半导体材料），II-VI族化合物等单晶（CdSe等），IV-IV族化合物（S

2、iC等，第三代宽带隙半导体）单晶、微晶、纳米晶和非晶半导体。2Chap2半导体材料的电学和光学特性半导体材料的品种很多，从无机材料到有机材料。其中有元素半导体，也有化合物半导体及固溶体。在化合物半导体中又有二元和多元化台物及其固溶体。3Chap2半导体材料的电学和光学特性4Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.1元素半导体在元素周期表中，金属和非金属元素之间有12种具有半导体性质的元素，它们是B、C、Si、Ge、灰-Sn、P、灰-As、黑-Sb、S、Se、Te、I。但它们的大多数都是不稳定的，如S、P、

3、As、Sb、I都易挥发。除Se可以做光电池外、整流器外，基本上没有什么应用价值，只有Ge、Si性质优越，是应用广泛的半导体材料。5Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.1元素半导体6Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.1元素半导体Ge的导带底处在K空间的<111>方向，因此具有8个对称的导带。但它们处在布里渊边缘上，与相邻的布里渊区共有一个导带，因此属于第一布里渊区的导带数为4个。硅的导带底处在<100>方向上，离K=0点约2/3左右处，因此它具有6个对称的导带。Ge和Si的价带都处于K=0点处

4、，它的结构比较复杂。7Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.1元素半导体mi*是与主轴垂直方向的有效质量，ml*是与主轴平行方向的有效质量。空穴的有效质量有两种：m1*是轻空穴的有效质量，m2*是重空穴的有效质量。82.3.1元素半导体Chap2半导体材料的电学和光学特性备课用9Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由

5、于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。10Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体III-V族半导体III-V族半导体是当前半导体电子器件和光电子器件最常用的材料，如具有高电子迁移率的异质结双极晶体管，LD，LED，光探测器，电光调制器等，这些器件的性能和所用材料的物理特性密切相关。除了二元化合物外，还可以形成三元、四元合金，调节带隙，形成量子异质结器件，扩大了应用范围。11Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体IIIIII--VV族族半半

6、导导体体材材料料特特点点l宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3—6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的l高频特性，可以达到300GHz（硅为10G，砷化镓为80G）12Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体IIIIII--VV族族半半导导体体材材料料特特点点l高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）l耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）l高压特性（耐冲击，可靠性高）l大功率（对通讯设备是非常渴

7、望的）13Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体IIIIII--VV族族半半导导体体材材料料特特点点Ø(Al、Ga、In）N基材料的禁带宽度可以从1.9eV（InN）、3.4eV（GaN）到6.2eV（AlN）。ØIII-N材料的能带结构为直接带隙。ØIII-N材料的发光波段可以覆盖整个可见光波段。14Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体闪锌矿型结构zincblendestructure又称立方硫化锌型结构（cubicβ-ZnSstructure）。属等轴晶系。晶体结

8、构中B原子呈立方密堆积，A原子填充在B原子构成的四面体空隙中。A、B原子的配位数均为4。A—B原子间为共价键联系。属闪锌矿型结构类型的化合物有：硼、铝、镓和铟的磷化物，砷化物和锑化物，15Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3.2化合物半导体利用赝势法计算得到GaAs在带隙附近的能带结构第一布里渊区的能带结构A）第一布里渊区内b)第一布里渊区中心部位16Chap2半导体材料的电学和光学特性2.3