第四節(jié) 半導體材料

1、1 第四節(jié)第四節(jié) 半導體材料半導體材料 半導體能帶結(jié)構(gòu)半導體能帶結(jié)構(gòu) 價帶價帶 (最上面的滿帶最上面的滿帶) 導帶導帶 (最下面的空帶最下面的空帶) 帶隙帶隙: Eg 純凈半導體純凈半導體 無缺陷和雜質(zhì)的半導體無缺陷和雜質(zhì)的半導體, 也稱本征半導體也稱本征半導體. 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 摻入雜質(zhì)的半導體摻入雜質(zhì)的半導體, 也稱非本征半導體也稱非本征半導體. 雜質(zhì)態(tài)分兩類雜質(zhì)態(tài)分兩類: 施主和受主施主和受主 施主施主: 在在帶隙中帶隙中提供提供帶有電子的能級帶有電子的能級之之雜質(zhì)雜質(zhì). 受主受主: 在在帶隙中帶隙中提供提供空的能級空的能級之之雜質(zhì)雜質(zhì). 空帶空帶 禁帶禁帶 滿帶滿帶 半導體能半導

2、體能 帶結(jié)構(gòu)帶結(jié)構(gòu) 2 Si Si SiSi Si Si Si P Si摻雜摻雜VI元素的結(jié)構(gòu)示意圖元素的結(jié)構(gòu)示意圖 n 型半導體型半導體 Si B SiSi Si Si Si Si + Si摻雜摻雜III元素的結(jié)構(gòu)示意元素的結(jié)構(gòu)示意 圖圖 p 型半導體型半導體 E E T 0T 0T = 0T = 0 導帶導帶 n 型型 施主和受主施主和受主 施主施主 滿帶滿帶 E E T = 0T = 0T 0T 0 導帶導帶 p 型型 受主受主 滿帶滿帶 3 n 型半導體型半導體 主要依靠主要依靠電子電子傳導電流的半導體傳導電流的半導體 p 型半導體型半導體 主要依靠主要依靠空穴空穴傳導電流的半導體傳導

3、電流的半導體 電子和空穴是半導體中的電子和空穴是半導體中的兩種載流子兩種載流子 多子和少子多子和少子 n 型半導體中主要依靠電子導電型半導體中主要依靠電子導電, 同時存在少量空穴同時存在少量空穴, 電子稱為多數(shù)電子稱為多數(shù) 載流子載流子(多子多子), 空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子(少子少子). p 型半導體中空穴是多子型半導體中空穴是多子, 電子是少子電子是少子. 載流子濃度載流子濃度 指單位體積內(nèi)自由電子或空穴的數(shù)目，分別用電子濃度（指單位體積內(nèi)自由電子或空穴的數(shù)目，分別用電子濃度（n）和空穴）和空穴 濃度（濃度（p）表示）表示. 非平衡載流子非平衡載流子 處于熱平衡狀態(tài)的半導體處于

4、熱平衡狀態(tài)的半導體, 在一定溫度下在一定溫度下, 載流子的濃度是一定的載流子的濃度是一定的, 其其 濃度稱為濃度稱為平衡載流子濃度平衡載流子濃度. 在外界作用下在外界作用下, 有可能使電子濃度和空穴濃度偏離平衡值有可能使電子濃度和空穴濃度偏離平衡值. 超出熱平超出熱平 衡濃度衡濃度的多余載流子的多余載流子, 稱為稱為非平衡載流子非平衡載流子, 也稱過剩載流子也稱過剩載流子. 4 非平衡載流子會自發(fā)復合非平衡載流子會自發(fā)復合 (一對電子和空穴消失一對電子和空穴消失) 非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命: 非平衡載流子在復合之前平均存在的時間非平衡載流子在復合之前平均存在的時間, 用少用少 數(shù)載

5、流子的壽命描述數(shù)載流子的壽命描述. 在簡單情況下在簡單情況下, 過剩載流子過剩載流子 的濃度的濃度: 式中式中 n0 為時間為時間 t=0 時時, 過過 剩少數(shù)載流子濃度剩少數(shù)載流子濃度; 為少為少 數(shù)載流子壽命數(shù)載流子壽命; =/ 為非平衡載流子的為非平衡載流子的復合幾率復合幾率. 晶體內(nèi)過剩少子可以直接復合晶體內(nèi)過剩少子可以直接復合 和經(jīng)過復合中心實現(xiàn)和經(jīng)過復合中心實現(xiàn)間接復合間接復合. 復合中心復合中心:一一些能夠引起電子些能夠引起電子 和空位復合過程的和空位復合過程的雜質(zhì)雜質(zhì)和和缺陷缺陷. 間接復合間接復合是大多數(shù)半導體的主是大多數(shù)半導體的主 要復合過程要復合過程. Pt t en e

6、nn 0 / 0 5 正是雜質(zhì)或缺陷能級的存在正是雜質(zhì)或缺陷能級的存在,使半導體的使半導體的禁帶能隙變窄禁帶能隙變窄甚至變甚至變 為零禁帶為零禁帶, 從而導致半導體更容易導電從而導致半導體更容易導電. 載流子的遷移率載流子的遷移率 半導體中的電子和空穴在半導體中的電子和空穴在外加電場作用下外加電場作用下將產(chǎn)生將產(chǎn)生凈加速度和凈凈加速度和凈 位移位移. 這種在電場力作用下載流子的運動稱為這種在電場力作用下載流子的運動稱為漂移運動漂移運動. 載流子載流子 電荷的凈漂移形成電荷的凈漂移形成漂移電流漂移電流. 載流子的遷移率載流子的遷移率 : 單位電場作用下載流子的單位電場作用下載流子的平均漂移速度平

7、均漂移速度. （ ） - - 載流子的平均漂移速度；載流子的平均漂移速度；E-電場強度；電場強度； - -馳豫時間；馳豫時間； - -遷移率遷移率 遷移率遷移率是載流子在電場作用下是載流子在電場作用下運動速度大小的度量運動速度大小的度量，載流載流 子運動得快，遷移率大子運動得快，遷移率大，運動得慢，遷移率小。，運動得慢，遷移率小。 遷移率與遷移率與散射幾率有關散射幾率有關, 正比于溫度正比于溫度 的的 / 次方次方. 載流子受到的散射載流子受到的散射: 晶格散射晶格散射、電離雜質(zhì)、電離雜質(zhì)散射散射、缺陷或中性雜、缺陷或中性雜 質(zhì)引起晶格畸變所產(chǎn)生的質(zhì)引起晶格畸變所產(chǎn)生的散射等散射等. 總散射幾

8、率為各種散射幾率總散射幾率為各種散射幾率 之和之和, 故故總遷移率總遷移率 與各種遷移率與各種遷移率 i 的關系的關系為為: EE m e v 321 1 11 1 11 11 1 i i m e v 6 半導體的半導體的電導率電導率: J-電流密度；電流密度；E-電場強度；電場強度；n -單位體積載流子數(shù)單位體積載流子數(shù)（載流子濃度）；（載流子濃度）； - -遷移率遷移率 半導體的電導率為半導體的電導率為電子電子和和空穴空穴兩種載流產(chǎn)生的兩種載流產(chǎn)生的電導率之和電導率之和： n、p分別是電子、空穴濃度，分別是電子、空穴濃度， e、 h分別是電子、空穴的遷移率分別是電子、空穴的遷移率 除漂移電

9、流外除漂移電流外, 半導體中的載流子還可形成另一種形式的電流半導體中的載流子還可形成另一種形式的電流: 擴散電擴散電 流流 , 它是由于載流子濃度分布不均勻它是由于載流子濃度分布不均勻, 產(chǎn)生擴散運動而引起產(chǎn)生擴散運動而引起. 擴散系數(shù)擴散系數(shù) (cm2/s) 與遷移率與遷移率 的關系的關系: 載流子濃度載流子濃度和和遷移率遷移率是半導體導電性質(zhì)的是半導體導電性質(zhì)的兩個重要參量兩個重要參量. e kT D ne m ne E J 2 he pene 7 半導體材料的分類半導體材料的分類 按組成分為按組成分為: : 元素半導體元素半導體 化合物半導體化合物半導體 有機物半導體有機物半導體 非晶態(tài)

10、半導體非晶態(tài)半導體 半導體陶瓷半導體陶瓷 用途用途 晶體管、激光器、集成電路、光電與微波器件、傳感器等電子與電氣元晶體管、激光器、集成電路、光電與微波器件、傳感器等電子與電氣元 器件器件. . 是信息時代的基石是信息時代的基石. . 8 一一. 元素半導體元素半導體 元素半導體元素半導體: 由一種元素組成的半導體由一種元素組成的半導體 具有半導體特性的元素具有半導體特性的元素: 其中其中: 金剛石、金剛石、B、P、S、I: 禁帶很寬禁帶很寬, 晶體生長困難晶體生長困難. 灰錫、灰錫、Bi、灰砷、黑銻、灰砷、黑銻: 不穩(wěn)定不穩(wěn)定, 稱半金屬稱半金屬. Se、Ge、Si: 作半導體器件作半導體器件

11、 9 Si: 性能和工藝性好性能和工藝性好, 資源豐富資源豐富, 最廣泛使用最廣泛使用 Ge: 在紅外探測器和高頻小功率晶體管器件方面占有優(yōu)勢在紅外探測器和高頻小功率晶體管器件方面占有優(yōu)勢 應用中的應用中的 Si 、 Ge 大多數(shù)為摻雜后的非本征半導體大多數(shù)為摻雜后的非本征半導體 Si、Ge 單晶單晶: 高純度、大尺寸、高均勻度高純度、大尺寸、高均勻度, 使成本急劇下降使成本急劇下降 10 二二. 化合物半導體化合物半導體 組成組成 種類多種類多, 有以有以共價鍵為主共價鍵為主的的: IIIA-VA族族化合物化合物、 IIA-VIA族族化合物化合物、 IVA-IVA族族化合物化合物和氧化物半導

12、體和氧化物半導體 特點特點 性能上性能上(如如:禁帶寬度禁帶寬度, 遷移率遷移率) 提供了更寬的范圍提供了更寬的范圍 材料材料 GaAs GaP GaN ZnO -SiC GaAs1-xPx: 固溶體化合物等固溶體化合物等 11 電子躍遷方式電子躍遷方式 直接躍遷直接躍遷: 半導體導帶極小值和價帶極大值在半導體導帶極小值和價帶極大值在 k 空間位于相同點空間位于相同點, 電電 子和空穴對容易形成子和空穴對容易形成. 間接躍遷間接躍遷: 半導體導帶極小值和價帶極大值在半導體導帶極小值和價帶極大值在 k 空間位于不同點空間位于不同點, 躍躍 遷過程必須有遷過程必須有聲子聲子參加參加, 給電子提供給

13、電子提供 k 的變化的變化. 間接躍遷發(fā)生的幾率間接躍遷發(fā)生的幾率 比直接躍遷小得多比直接躍遷小得多. o k 導帶邊導帶邊 價帶邊價帶邊 E(k) o k 導帶邊導帶邊 價帶邊價帶邊 E(k) 直接躍遷直接躍遷 間接躍遷間接躍遷 電子躍遷方式電子躍遷方式 12 13 超晶格半導體超晶格半導體 將兩種不同組成或不同摻雜的半導體將兩種不同組成或不同摻雜的半導體 超薄層和交替生長在襯底上超薄層和交替生長在襯底上, 使使 在外延生長方向形成附加的晶格周期在外延生長方向形成附加的晶格周期 性性, 叫超晶格叫超晶格. 每層厚度每層厚度 dA 、 dB 為晶格常數(shù)的為晶格常數(shù)的2-20倍倍. 附加周期附加

14、周期 D=dA+dB 特點特點: 在異質(zhì)界面處能帶不連續(xù)在異質(zhì)界面處能帶不連續(xù). 可設可設 計和控制電子的量子化狀態(tài)及電子穿越勢壘的隧道效應計和控制電子的量子化狀態(tài)及電子穿越勢壘的隧道效應. 材料材料: GaAs/摻雜摻雜AlGaAs . . 襯底 dA dB 超晶格超晶格 14 InGaAs/GaAs CdTe/HCdTe ZnSe/ZnTe等多層膜等多層膜. 用途用途: 光電器件光電器件、量子阱激光器、高電子遷移率晶體管等、量子阱激光器、高電子遷移率晶體管等. 三三. 有機物半導體有機物半導體 液晶液晶:是處于液相與固相之間的中間相是處于液相與固相之間的中間相. 在一定溫度范圍在一定溫度范

15、圍, 既具有液體的既具有液體的 流動性流動性(不能承受切應力不能承受切應力)、粘度、形變等機械性質(zhì)、粘度、形變等機械性質(zhì); 又具有晶體的熱、又具有晶體的熱、 光、電、磁等物理性質(zhì)光、電、磁等物理性質(zhì). 已知的液晶都為已知的液晶都為有機化合物有機化合物. 分子幾何形狀有分子幾何形狀有 棒狀和碟狀兩種棒狀和碟狀兩種. 棒狀分子才有技術應用價值棒狀分子才有技術應用價值, 它按分子排列方式分三種它按分子排列方式分三種: 近晶型液晶近晶型液晶 向列型液晶向列型液晶: 技術應用價值最大技術應用價值最大. 膽甾型液晶膽甾型液晶 15 液晶的類型液晶的類型 a)近晶型近晶型 b)向列型向列型 c)膽甾型膽甾型

16、 16 液晶顯示液晶顯示: 主要利用液晶的電場效應主要利用液晶的電場效應: 其各向異性的其各向異性的折射率和反射率折射率和反射率隨電場變化隨電場變化, 使它所反射或透射的環(huán)境光變化使它所反射或透射的環(huán)境光變化, 從而達到顯示目的從而達到顯示目的. 用途用途: 液晶顯示器：液晶顯示器： 功耗低功耗低 工作電壓低工作電壓低 (3-6), 宜與集成電路聯(lián)用宜與集成電路聯(lián)用 在明亮環(huán)境下對比度和分辨率好在明亮環(huán)境下對比度和分辨率好 但響應速度慢、工作溫度范圍窄但響應速度慢、工作溫度范圍窄 四四. 非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 非晶態(tài)物質(zhì)非晶態(tài)物質(zhì): 原子排列在長程序上不存在在規(guī)律的周期性原子排列在長程序上不存在在規(guī)律的周期性, 即長程無序即長程無序, 但短程有序但短程有序. 非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體: 具有半導體特性的非晶態(tài)物質(zhì)具有半導體特性的非晶態(tài)物質(zhì). 17 非晶態(tài)半導體能帶特點非晶態(tài)半導體能帶特點: 兩類電子態(tài)兩類電子態(tài): 擴展態(tài)擴展態(tài): 波函數(shù)遍及整個材料中波函數(shù)遍及整個材料中 定域態(tài)定域態(tài): 波函數(shù)局限在某個范圍之內(nèi)波函數(shù)局限在某個范圍之內(nèi) 能態(tài)密度存在能態(tài)密度存在帶尾帶尾 在導帶中在導帶中: 擴展態(tài)擴展態(tài): EEC 定域態(tài)定域態(tài): EAEEC 在價帶中在價帶中: 擴展態(tài)擴展態(tài): EEV 定域態(tài)定域態(tài): EV