第7章半導體材料

1、2021-10-16材料與光電物理學院1發(fā)展歷史：發(fā)展歷史：半導體材料半導體材料 器件。器件。 電子工業(yè)的發(fā)展和半導體電子工業(yè)的發(fā)展和半導體器件器件對對材料材料的需求是促進半導體材的需求是促進半導體材料研究和開拓的強大動力；而料研究和開拓的強大動力；而材料材料質(zhì)量的提高和新型半導體質(zhì)量的提高和新型半導體材材料料的出現(xiàn)，又優(yōu)化了半導體的出現(xiàn)，又優(yōu)化了半導體器件器件的性能，產(chǎn)生新的器件，兩者的性能，產(chǎn)生新的器件，兩者相互影響，相互促進。相互影響，相互促進。 第第7章章 半導體材料半導體材料2021-10-16材料與光電物理學院219411941年：多晶硅材料制成年：多晶硅材料制成檢波器檢波器，是半

2、導體材料應用的開始；，是半導體材料應用的開始；1948194819501950年：年：鍺單晶鍺單晶，并用它制成了世界第一個具有放大，并用它制成了世界第一個具有放大性能的鍺晶體三極管性能的鍺晶體三極管( (點接觸三極管點接觸三極管) )；19511951年：四氯化硅鋅還原法制出了年：四氯化硅鋅還原法制出了多晶硅多晶硅；19521952年：直拉法成功地拉出世界上第一根年：直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶，硅單晶，并制出了并制出了硅結(jié)型晶體管。硅結(jié)型晶體管。2021-10-16材料與光電物理學院3 60年代初，年代初，硅單晶薄層外延技術(shù)硅單晶薄層外延技術(shù)硅平面工藝硅平面工藝平面晶體管平面晶體管硅集

3、成電路硅集成電路 提純提純拉晶拉晶區(qū)熔區(qū)熔等等制備方法制備方法高純度、高純度、高完整性、高完整性、高均勻性高均勻性大直徑大直徑發(fā)展方向發(fā)展方向更高的更高的要求要求目目的的2021-10-16材料與光電物理學院47.1 半導體材料分類半導體材料分類 1元素半導體元素半導體 元素半導體大約有十幾種處于元素半導體大約有十幾種處于A族族A族的金屬與非金族的金屬與非金屬的交界處，如屬的交界處，如Ge，Si，Se，Te等。等。2021-10-16材料與光電物理學院5 2化合物半導體化合物半導體 1)二元化合物半導體二元化合物半導體 (1)A族和族和V A族元素組成的族元素組成的A-V A 族化合物半導體。

4、即族化合物半導體。即A1，Ga，In和和P，As，Sb組成的組成的9種種A-VA 族化合物半導體，如族化合物半導體，如A1P，A1As，A1Sb，GaP，GaAs，GaSb，等。，等。 (2)B族和族和B族元素組成的族元素組成的B-B 族化合物半導體。即族化合物半導體。即Zn，Cd，Hg與與S，Se,Te組成的組成的12種種B-B 族化合物半導體，族化合物半導體，如如CdS，CdTe，CdTe，CdSe 等。等。 2021-10-16材料與光電物理學院6 (3)A族元素之間組成的族元素之間組成的A - A族化合物半導體、如族化合物半導體、如SiC等。等。 (4)A和和A族元素組成的族元素組成的

5、A-和和A族化合物半導體，族化合物半導體，如如GeS，GeSe，SnTe，PbTe等共等共9種。種。 (5)A 族和族和A 族元素組成的族元素組成的A -A 族化合物半導體，族化合物半導體，如如AsSe3，AsTe3，AsS3等。等。2021-10-16材料與光電物理學院72) 多元化合物半導體多元化合物半導體(1)I B-A-(A)2組成的多元化合物半導體，如組成的多元化合物半導體，如AgGeTe2等。等。(2)I B-V A -(A )組成的多元化合物半導體，如組成的多元化合物半導體，如AgAsSn2等。等。(3)(1 B)2-B-IVA- (A )4組成的多元化合物半導體。如組成的多元化

6、合物半導體。如Cu2CdSnTe4等等2021-10-16材料與光電物理學院8 3固溶體半導體固溶體半導體 固溶體是由二個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合固溶體是由二個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成。而成。 有二元系和三元系之分。有二元系和三元系之分。2021-10-16材料與光電物理學院94非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 原子排列短程有序、長程無序的半導體。主要有非晶原子排列短程有序、長程無序的半導體。主要有非晶Si、非、非晶晶Ge、非晶、非晶Te、非晶、非晶Se等元素半導體即等元素半導體即GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半導體。等非晶化合物半導體。2021-10

7、-16材料與光電物理學院105有機半導體有機半導體 分為有機分子晶體、有機分子絡合物和高分子聚合物。分為有機分子晶體、有機分子絡合物和高分子聚合物。 一般指具有半導體性質(zhì)的碳一般指具有半導體性質(zhì)的碳-碳雙鍵有機化合物。碳雙鍵有機化合物。2021-10-16材料與光電物理學院111 1硅和鍺性質(zhì)硅和鍺性質(zhì) 物理性質(zhì)：物理性質(zhì)： 硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者相比，鍺的金屬性更顯著。室溫本征電阻率約為相比，鍺的金屬性更顯著。室溫本征電阻率約為50cm50cm，而硅的約為而硅的約為2.32.310105 5cmcm，硅在切割時易碎裂。，硅

8、在切割時易碎裂。 7.2 7.2 硅和鍺半導體材料硅和鍺半導體材料2021-10-16材料與光電物理學院12 化學性質(zhì)：化學性質(zhì)： 硅和鍺在常溫下化學性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時，很容硅和鍺在常溫下化學性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學反應，所以在自然界沒有游離易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學反應，所以在自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。狀態(tài)的硅和鍺存在。 鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、王水王水及及HF-HNO3混合酸中。混合酸中。 2021-10-16材料與光電物理學院13 硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水

9、，易被硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3 混合酸所溶解，因而半導體工業(yè)中常用此混合酸作為硅混合酸所溶解，因而半導體工業(yè)中常用此混合酸作為硅的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應。硅與金屬作用能生成的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應。硅與金屬作用能生成多種硅化物，這些硅化物具有導電性良好、耐高溫、抗多種硅化物，這些硅化物具有導電性良好、耐高溫、抗電遷移等特性可以用于制備大規(guī)模和超大規(guī)模集成電電遷移等特性可以用于制備大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路內(nèi)部的引線、電阻等。路內(nèi)部的引線、電阻等。2021-10-16材料與光電物理學院14結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 鍺和硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，化學鍵為共價鍵。鍺和硅都具有金剛石結(jié)構(gòu)，

10、化學鍵為共價鍵。 鍺的室溫電子遷移率為鍺的室溫電子遷移率為3800cm2/Vs，硅為，硅為1800cm2 /Vs 。鍺的禁帶寬度為鍺的禁帶寬度為0.66eV，硅的禁帶寬度為，硅的禁帶寬度為1.12eV。2021-10-16材料與光電物理學院15 雜質(zhì)對鍺、硅電學性質(zhì)的影響與雜質(zhì)對鍺、硅電學性質(zhì)的影響與雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級在禁帶中的位置在禁帶中的位置密切相關(guān)。密切相關(guān)。在鍺、硅中的在鍺、硅中的雜質(zhì)雜質(zhì)可分為兩類：可分為兩類：一類是一類是A族或族或A族元素，它們在鍺、硅中只有一個能級，族元素，它們在鍺、硅中只有一個能級，且電離能小，一個雜質(zhì)原于只起一個受主或施主作用，且電離能小，一個雜質(zhì)原于只起一個受

11、主或施主作用， A 族雜質(zhì)起受主作用使材料呈族雜質(zhì)起受主作用使材料呈p型導電，型導電， A 族雜質(zhì)起族雜質(zhì)起施主作用，使材料呈施主作用，使材料呈n型導電。型導電。另一類是除另一類是除A族、族、A 族以外的雜質(zhì)。族以外的雜質(zhì)。2021-10-16材料與光電物理學院16 2硅和鍺晶體的制備硅和鍺晶體的制備直拉法直拉法(Czochralski) ，生長元素和，生長元素和A-VA族化合物半導體單族化合物半導體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引入籽晶晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩鍋內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將籽晶

12、旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。 2021-10-16材料與光電物理學院17 直拉單晶生長過程示意圖圖2021-10-16材料與光電物理學院18 1,4電極電極; 2坩堝桿坩堝桿; 3,21抽真抽真空、充氣接頭空、充氣接頭;6電極座電極座;7保溫保溫層底座層底座8坩堝托接管坩堝托接管; 9加熱加熱器器;10,11,12,13保溫層保溫層;14保溫保溫蓋蓋;15觀察窗觀察窗;16籽晶籽晶;17籽晶籽晶夾頭；夾頭； 18接渣盤接渣盤; 19 籽晶籽晶桿桿;20籽晶保護罩籽晶保護罩;23,24雙層雙層爐膛爐膛;25摻雜勺摻雜勺;26石英坩石英

13、坩堝堝;27坩堝托坩堝托. 2021-10-16材料與光電物理學院19 由直拉法生長的單晶，由于坩鍋與材料反應和電阻加熱爐由直拉法生長的單晶，由于坩鍋與材料反應和電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長高阻單晶困難。氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長高阻單晶困難。懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法，可制取高純單晶。在高純石墨舟前端放上籽晶，可制取高純單晶。在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移后面放上原料錠。建立熔區(qū)，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長。動熔區(qū)，單晶便在舟內(nèi)生長。2021-10-16材料與光電物理學院202021-10-16材料與光電物

14、理學院21 3硅的主要用途硅的主要用途 目前的電子工業(yè)中使用的半導體材料主要還是硅，它目前的電子工業(yè)中使用的半導體材料主要還是硅，它是制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。是制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料。 小容量整流器取代真空管和硒整流器，用于收音機、電小容量整流器取代真空管和硒整流器，用于收音機、電視機、通訊設備及各種電子儀表的直流供電裝置。視機、通訊設備及各種電子儀表的直流供電裝置?？煽毓枋谴笕萘空髌?，具有工作效率高、工作溫度高、可控硅是大容量整流器，具有工作效率高、工作溫度高、反向電壓高等優(yōu)點。反向電壓高等優(yōu)點。可控硅是可控硅整流元件的簡稱可控硅是可控硅整流元件的簡稱, ,是一種具有三個是

15、一種具有三個PN PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件, ,也叫晶閘管。也叫晶閘管。它的功用不僅是整流，還可以用作無觸點開關(guān)以快它的功用不僅是整流，還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等。等。 2021-10-16材料與光電物理學院22p 晶體二極管既能檢波又能整流。晶體三極管具有對信晶體二極管既能檢波又能整流。晶體三極管具有對信號起放大和開關(guān)作用，在各種無線電裝置中作為放大器和振號起放大和開關(guān)作用，在

16、各種無線電裝置中作為放大器和振蕩器。晶體管較真空管具有體積小、重量輕、壽命長、堅固蕩器。晶體管較真空管具有體積小、重量輕、壽命長、堅固耐振、耐沖擊、啟動快、效率高、可靠性好等優(yōu)點。耐振、耐沖擊、啟動快、效率高、可靠性好等優(yōu)點。p 將成千上萬個分立的晶體管、電阻、電容等元件、采將成千上萬個分立的晶體管、電阻、電容等元件、采用掩蔽、光刻、擴散等工藝，把它們用掩蔽、光刻、擴散等工藝，把它們“雕刻雕刻”在一個或幾個在一個或幾個尺寸很小的晶片上集結(jié)成完整的電路，為各種計測儀器、通尺寸很小的晶片上集結(jié)成完整的電路，為各種計測儀器、通信遙控、遙測等設備的可靠性、穩(wěn)定性和超小型化開辟了廣信遙控、遙測等設備的可

17、靠性、穩(wěn)定性和超小型化開辟了廣闊前景。集成電路的出現(xiàn)是半導體技術(shù)發(fā)展中的一個飛躍。闊前景。集成電路的出現(xiàn)是半導體技術(shù)發(fā)展中的一個飛躍。2021-10-16材料與光電物理學院23p 利用超純硅對利用超純硅對17m mm紅外光透過率高達紅外光透過率高達9095這這一特性，制作紅外聚焦透鏡，用以對紅外輻射目標進行夜視一特性，制作紅外聚焦透鏡，用以對紅外輻射目標進行夜視跟蹤，照相等。跟蹤，照相等。2021-10-16材料與光電物理學院24 由于鍺的載流子遷移率比硅高，在相同條件下，鍺具有由于鍺的載流子遷移率比硅高，在相同條件下，鍺具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和較好較高的工作頻率、

18、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和較好的低溫特性，主要用于制作雪崩二極管、開關(guān)二極管、混頻的低溫特性，主要用于制作雪崩二極管、開關(guān)二極管、混頻二極管、變?nèi)荻O管、高頻小功率三極管等。二極管、變?nèi)荻O管、高頻小功率三極管等。 鍺單晶具有高折射率和低吸收率等特性，適于制造紅外透鍺單晶具有高折射率和低吸收率等特性，適于制造紅外透鏡、光學窗口和慮光片等紅外光學儀器，主要用于熱成像儀。鏡、光學窗口和慮光片等紅外光學儀器，主要用于熱成像儀。 鍺可用作光纖的摻雜劑，提高光纖纖芯的折射率，減少色鍺可用作光纖的摻雜劑，提高光纖纖芯的折射率，減少色散和傳輸損耗。散和傳輸損耗。2021-10-16材料與光電物理學院2

19、57.37.3非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 晶體的特征是晶格具有周期對稱性，即長程有序。不具有晶體的特征是晶格具有周期對稱性，即長程有序。不具有長程有序的物質(zhì)長程有序的物質(zhì)(包括液體包括液體)稱為非晶體。稱為非晶體。目前被研究最多的是以下兩類非晶半導體：目前被研究最多的是以下兩類非晶半導體：(1)四面體結(jié)構(gòu)非晶半導體。四面體結(jié)構(gòu)非晶半導體。 主要有主要有A族元素非晶半導體如非晶硅和非晶鍺及族元素非晶半導體如非晶硅和非晶鍺及A-A 族化合物非晶半導體，如族化合物非晶半導體，如-GaAs，-GaP，-InP及及- GaSb等。等。特點特點：最近鄰原子配位數(shù)為：最近鄰原子配位數(shù)為4，即每個原子周圍有，即

20、每個原子周圍有4個最近鄰個最近鄰原子。原子。2021-10-16材料與光電物理學院26 (2)硫系非晶半導體。硫系非晶半導體。 這類非晶半導體中含有很大比例的硫系元素如這類非晶半導體中含有很大比例的硫系元素如S，Se，Te等，它們往往是以玻璃態(tài)形式出現(xiàn)。例如等，它們往往是以玻璃態(tài)形式出現(xiàn)。例如S，Se，Te，As2S3，As2Te3及三元系及三元系As2Sn3As2Te3和四元系和四元系Te2Sn3As2Te3等都等都屬于此類。屬于此類。 另外還有氧化物非晶半導體另外還有氧化物非晶半導體GeO2，BaO，SiO2，TiO2，SnO2及及Ta2O5等等A族元素和族元素和V A族元素非晶半導體。族

21、元素非晶半導體。2021-10-16材料與光電物理學院27 1.波函數(shù)波函數(shù)晶態(tài)：各電子的運動基本上可看成是相互獨立的，每個電子晶態(tài)：各電子的運動基本上可看成是相互獨立的，每個電子是在具有晶格周期性的勢場中運動，這個周期性勢場包括原是在具有晶格周期性的勢場中運動，這個周期性勢場包括原子實以及其它電子的平均勢場。電子在周期性勢場中運動的子實以及其它電子的平均勢場。電子在周期性勢場中運動的本征波函數(shù)是布洛赫波：本征波函數(shù)是布洛赫波：這意味著電子在晶體各個原胞中出現(xiàn)的幾率是相同的，即這意味著電子在晶體各個原胞中出現(xiàn)的幾率是相同的，即電子可以在整個晶體內(nèi)運動，稱為電子可以在整個晶體內(nèi)運動，稱為共有化運

22、動共有化運動。7.3.1 非晶態(tài)半導體的能帶模型非晶態(tài)半導體的能帶模型)()()exp()()(Rrururk irurkkkk 2021-10-16材料與光電物理學院28 由于不具有周期性，波函數(shù)不再是布洛赫波。由于不具有周期性，波函數(shù)不再是布洛赫波。非晶態(tài)非晶態(tài)電子態(tài)分為兩類：電子態(tài)分為兩類：一類稱為擴展態(tài)，它與晶態(tài)中的共有化運動狀態(tài)相類似，波一類稱為擴展態(tài)，它與晶態(tài)中的共有化運動狀態(tài)相類似，波函數(shù)延伸在整個晶體之中；函數(shù)延伸在整個晶體之中；另一類稱為定域態(tài)，波函數(shù)局限在一些中心附近，隨著與中另一類稱為定域態(tài)，波函數(shù)局限在一些中心附近，隨著與中心點的距離增大而指數(shù)衰減。心點的距離增大而指數(shù)

23、衰減。2021-10-16材料與光電物理學院292. 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)晶體：晶體：電子態(tài)的能量本征值分成一系列能帶。對晶態(tài)半導電子態(tài)的能量本征值分成一系列能帶。對晶態(tài)半導體最重要的是導帶和價帶。導帶和價帶之間存在著禁帶。體最重要的是導帶和價帶。導帶和價帶之間存在著禁帶。在能帶中電子能級是非常密集的，形成準連續(xù)分布。引入在能帶中電子能級是非常密集的，形成準連續(xù)分布。引入能態(tài)密度函數(shù)能態(tài)密度函數(shù)(E)，在，在E-E+dE間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為(E)dE。2021-10-16材料與光電物理學院30非晶態(tài)非晶態(tài)：也存在一系列能帶，能帶的存在不依賴于晶體的周期：也存在一系列能帶，能帶的存在不依

24、賴于晶體的周期性。能帶的基本情況主要取決于近程的性質(zhì)。性。能帶的基本情況主要取決于近程的性質(zhì)。 非晶態(tài)非晶態(tài)(a)和晶態(tài)和晶態(tài)(b)態(tài)密度函數(shù)的比較態(tài)密度函數(shù)的比較能態(tài)密度存在著尾部：能態(tài)密度存在著尾部：在導帶中，在導帶中，EEc是擴展態(tài)，是擴展態(tài)，EAEEC為定域態(tài)；為定域態(tài)；在價帶中，在價帶中，EEV是擴展態(tài)，是擴展態(tài)， EVEEg。晶態(tài)半導體的本征吸收邊分為兩種情況：一類是價帶頂和導帶晶態(tài)半導體的本征吸收邊分為兩種情況：一類是價帶頂和導帶底在底在K空間中的相同點，稱為豎直躍遷；另一類是價帶頂和導空間中的相同點，稱為豎直躍遷；另一類是價帶頂和導帶底不在帶底不在K空間的相同點，躍遷的過程必須

25、有聲子參加，給電空間的相同點，躍遷的過程必須有聲子參加，給電子提供子提供K的變化，稱為非豎直躍遷。的變化，稱為非豎直躍遷。 2021-10-16材料與光電物理學院35非晶態(tài)非晶態(tài)半導體：與晶態(tài)半導體的近程有序是相同的，二者的半導體：與晶態(tài)半導體的近程有序是相同的，二者的基本能帶結(jié)構(gòu)相似，因而本征吸收譜沒有大的變化，差別在基本能帶結(jié)構(gòu)相似，因而本征吸收譜沒有大的變化，差別在于本征吸收邊的位置有些移動，同時由于非晶態(tài)中不存在長于本征吸收邊的位置有些移動，同時由于非晶態(tài)中不存在長程的周期性，因而不再有豎直躍遷與非豎直躍遷之分。程的周期性，因而不再有豎直躍遷與非豎直躍遷之分。 光吸收曲線可分為三個區(qū)域

26、：光吸收曲線可分為三個區(qū)域：A，高吸收區(qū)，吸收系數(shù)，高吸收區(qū)，吸收系數(shù)104cm-1； B指數(shù)區(qū)，吸收系數(shù)指數(shù)區(qū)，吸收系數(shù) 變化為變化為4至至5個數(shù)量級；個數(shù)量級；C，弱吸收區(qū)，弱吸收區(qū)，變化為變化為10-1-10-2。2021-10-16材料與光電物理學院363光電導光電導 光照可以產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度用光照可以產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度用n表示，它們引起表示，它們引起電導率的改變，這個現(xiàn)象稱為電導率的改變，這個現(xiàn)象稱為光電導光電導。 光電導效應是非晶態(tài)半導體的一個基本性質(zhì)，特別是非晶光電導效應是非晶態(tài)半導體的一個基本性質(zhì)，特別是非晶 硅。它的光電效應密切依賴于制備的工藝方法和工藝條件；硅

27、。它的光電效應密切依賴于制備的工藝方法和工藝條件； 其光電導效應是衡量非晶硅材料性質(zhì)的基本參數(shù)。其光電導效應是衡量非晶硅材料性質(zhì)的基本參數(shù)。 光電導的大小與光照強度有關(guān)。光電導的大小與光照強度有關(guān)。 2021-10-16材料與光電物理學院37 非晶態(tài)半導體是高阻材料，存在著大量的缺陷定域態(tài)，非晶態(tài)半導體是高阻材料，存在著大量的缺陷定域態(tài)，具有顯著的陷阱效應，即在光照產(chǎn)生非平衡載流子的同時，具有顯著的陷阱效應，即在光照產(chǎn)生非平衡載流子的同時，缺陷態(tài)上的電子濃度也要發(fā)生變化。缺陷態(tài)上的電子濃度也要發(fā)生變化。2021-10-16材料與光電物理學院387.3.3 非晶硅非晶硅-Si:H 非晶半導體的非

28、晶半導體的摻雜效應摻雜效應和和Pn結(jié)結(jié)制備首先是在制備首先是在Si:H 中實現(xiàn)的。中實現(xiàn)的。非晶硅非晶硅-Si:H薄膜不僅成功地用于制造太陽能電他，而且在多方薄膜不僅成功地用于制造太陽能電他，而且在多方面展現(xiàn)了新的應用前景。面展現(xiàn)了新的應用前景。 制備方法：制備方法：等離子輝光放電法等離子輝光放電法、濺射法、真空蒸發(fā)法、化學、濺射法、真空蒸發(fā)法、化學氣相淀積法等。氣相淀積法等。2021-10-16材料與光電物理學院39輝光放電法輝光放電法： 將硅烷將硅烷(SiH4)氣體通入真空反應室，用等離子輝光放電使氣體通入真空反應室，用等離子輝光放電使之分解成之分解成Si，SiH，Si H2等原子或原子團

29、，這些原子或原子團等原子或原子團，這些原子或原子團沉積在玻璃、金屬等襯底上形成沉積在玻璃、金屬等襯底上形成Si:H非晶硅薄膜。非晶硅薄膜。 比用其它方法制備的性能要好得多，它具有很低的隙態(tài)密比用其它方法制備的性能要好得多，它具有很低的隙態(tài)密度和很大光電導性等。首先實現(xiàn)了非晶半導體的摻雜效應，并度和很大光電導性等。首先實現(xiàn)了非晶半導體的摻雜效應，并制造出了太陽能電池等電子器件。制造出了太陽能電池等電子器件。2021-10-16材料與光電物理學院40非晶硅的特性非晶硅的特性：(1)在可見光譜區(qū)域內(nèi)具有高的光吸收系數(shù)和光電導特性；在可見光譜區(qū)域內(nèi)具有高的光吸收系數(shù)和光電導特性；(2)非晶硅薄膜的沉積

30、生長溫度低非晶硅薄膜的沉積生長溫度低(180-250oC)，能耗低，成本，能耗低，成本少；少；(3)非晶硅可形成禁帶寬度各不相同的多種非晶合金，而且每非晶硅可形成禁帶寬度各不相同的多種非晶合金，而且每種非晶合金的禁帶寬度還可用調(diào)節(jié)成分的方法在一定范圍內(nèi)進種非晶合金的禁帶寬度還可用調(diào)節(jié)成分的方法在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，以滿足各種器件的需要；行調(diào)節(jié)，以滿足各種器件的需要；(4)非晶硅及其合金可用摻雜的方法使之成為非晶硅及其合金可用摻雜的方法使之成為n型或型或P型，有利型，有利于器件的制造。于器件的制造。2021-10-16材料與光電物理學院41缺點：缺點：首先是它的內(nèi)部構(gòu)造的混亂導致電子和空穴等載流

31、子的壽命首先是它的內(nèi)部構(gòu)造的混亂導致電子和空穴等載流子的壽命短，擴散長度小，往往使器件特性下降；短，擴散長度小，往往使器件特性下降；其次在長期的強光照射下，會產(chǎn)生光疲勞效應，使光電導和其次在長期的強光照射下，會產(chǎn)生光疲勞效應，使光電導和其他特性下降。其他特性下降。2021-10-16材料與光電物理學院42用途：用途： 作太陽能電池，即直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的器件。作太陽能電池，即直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的器件。 以往的太陽能電池主要用及以往的太陽能電池主要用及CdTe和和Si單晶材料，由于單晶單晶材料，由于單晶 工藝復雜，材料損耗大，價格昂貴，因此使用受限。工藝復雜，材料損耗大，價格昂貴，因此使

32、用受限。 非晶態(tài)硅薄膜可以大面積沉積，成本低，為廣泛利用太陽非晶態(tài)硅薄膜可以大面積沉積，成本低，為廣泛利用太陽能創(chuàng)造了條件。能創(chuàng)造了條件。 另外，非晶態(tài)硅薄膜還可以制成場效應晶體管、場效應集另外，非晶態(tài)硅薄膜還可以制成場效應晶體管、場效應集成電路、圖象傳感器、電荷耦合器件、光信息貯存器等。成電路、圖象傳感器、電荷耦合器件、光信息貯存器等。2021-10-16材料與光電物理學院43定義：定義： 電性能介于導電陶瓷和絕像介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電性能介于導電陶瓷和絕像介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電阻率介于電阻率介于10-4-10-7之間。一般是由一種或數(shù)種金屬氧化物，之間。一般是由一種或數(shù)種金屬氧

33、化物，采用陶瓷制備工藝制成的多晶半導體材料。采用陶瓷制備工藝制成的多晶半導體材料。7.4 半導體陶瓷半導體陶瓷2021-10-16材料與光電物理學院44特點：特點： (1)半導體陶瓷的化學性質(zhì)比較復雜，易產(chǎn)生化學計量比的半導體陶瓷的化學性質(zhì)比較復雜，易產(chǎn)生化學計量比的偏移，在晶格中形成固有點缺陷，這種點缺陷濃度不僅與溫偏移，在晶格中形成固有點缺陷，這種點缺陷濃度不僅與溫度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來雜質(zhì)濃度緊密相連；度及環(huán)境氧分壓有關(guān)，而且與外來雜質(zhì)濃度緊密相連； (2)構(gòu)成半導體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是離子鍵，這類材料構(gòu)成半導體陶瓷的氧化物分子多數(shù)是離子鍵，這類材料中載流子的遷移機理較鍺、硅等

34、半導體更為復雜：中載流子的遷移機理較鍺、硅等半導體更為復雜： (3)半導體陶瓷材料是多晶材料，存在晶界是其重要特征。半導體陶瓷材料是多晶材料，存在晶界是其重要特征。由于晶界的化學、物理特性十分復雜，許多物理效應都由晶由于晶界的化學、物理特性十分復雜，許多物理效應都由晶界引起。界引起。2021-10-16材料與光電物理學院45半導體半導體陶瓷陶瓷熱敏半導熱敏半導體陶瓷體陶瓷壓敏半導壓敏半導體陶瓷體陶瓷PTC熱敏熱敏NTC熱敏熱敏CTR熱敏熱敏2021-10-16材料與光電物理學院467.4.1 PTC(Positive Temperature Coefficient)半導體陶瓷半導體陶瓷 PTC

35、熱敏半導體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的半導體陶熱敏半導體陶瓷，是指一類具有正溫度系數(shù)的半導體陶瓷材料。瓷材料。 典型的典型的PTC 半導體陶瓷材料系列有半導體陶瓷材料系列有BaTiO3或以或以BaTiO3為基為基的的(Ba，Sr，Pb)TiO3固溶半導體陶瓷材料，氧化釩等材料及固溶半導體陶瓷材料，氧化釩等材料及以氧化鎳為基的多元半導體陶瓷材料等。以氧化鎳為基的多元半導體陶瓷材料等。 其中以其中以BaTiO3 半導體陶瓷最具代表性，也是當前研究得最半導體陶瓷最具代表性，也是當前研究得最成熟，實用范圍最寬的成熟，實用范圍最寬的PTC 熱敏半導體陶瓷材料。熱敏半導體陶瓷材料。2021-10-16材

36、料與光電物理學院47電阻電阻溫度系數(shù)是在規(guī)定溫度下，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是在規(guī)定溫度下，熱敏電阻的電阻值的相對變化率與產(chǎn)生這種變化的溫度增量之比，即值的相對變化率與產(chǎn)生這種變化的溫度增量之比，即CdTdRRoTTT%1002021-10-16材料與光電物理學院48 實驗表明，在工作溫度范實驗表明，在工作溫度范圍內(nèi)，圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式溫度特性可近似用實驗公式表示：表示：式中式中RT、RT0表示溫度表示溫度為為T、T0時電阻值，時電阻值，Bp為該為該種材料的材料常數(shù)。種材料的材料常數(shù)。exp(-)00TTPRRBT T2021-10-16材料與光電

37、物理學院49BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料，純凈的陶瓷是一種典型的鐵電材料，純凈的BaTiO3陶瓷常陶瓷常溫電阻率大于溫電阻率大于1012 cm相對介電系數(shù)高于相對介電系數(shù)高于104。 在純凈的在純凈的BaTiO3陶瓷中引入陶瓷中引入微量的稀土元素微量的稀土元素， 其常溫電阻率可下降到其常溫電阻率可下降到10-2-l04 cm。 若溫度超過材料的居里溫度，則電阻率在幾十度的溫若溫度超過材料的居里溫度，則電阻率在幾十度的溫度范圍內(nèi)能增大度范圍內(nèi)能增大310個數(shù)量級，即產(chǎn)生個數(shù)量級，即產(chǎn)生PTC 效應。效應。？2021-10-16材料與光電物理學院50 BaTiO3晶格為典型的晶格為典型的A

38、B3型鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在型鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，鋇離子處在A位，位，鈦離子處在鈦離子處在B位。在純凈的位。在純凈的BaTiO3 材料中引入微量稀土元材料中引入微量稀土元素作為施主雜質(zhì)可使材料半導化。素作為施主雜質(zhì)可使材料半導化。施主雜質(zhì)取代方式大致有三種：施主雜質(zhì)取代方式大致有三種：2021-10-16材料與光電物理學院51一是一是A位取代，即與位取代，即與Ba 2半徑相近，化合價高于半徑相近，化合價高于2價價的元素取代的元素取代Ba 2 ；二是二是B位取代，即與位取代，即與Ti 4半徑相當，化合價高于半徑相當，化合價高于4價價的元素取代的元素取代Ti 4 ；三是雙位取代，即加入多種離子，同時取代三

39、是雙位取代，即加入多種離子，同時取代Ba 2 和和Ti 4。無論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量一。無論采用哪種取代方式，雜質(zhì)的總引入量一般都應控制在般都應控制在0.5mol內(nèi)。內(nèi)。 2021-10-16材料與光電物理學院52影響影響B(tài)aTiO3的的PTC效應的因素效應的因素：(1) 燒結(jié)氣氛，只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于燒結(jié)氣氛，只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于900oC的氧化的氧化氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)氣氛中熱處理，樣品才呈現(xiàn)PTC效應，在還原氣氛中燒效應，在還原氣氛中燒結(jié)，則沒有結(jié)，則沒有PTC效應。效應。(2) 降溫速率，降溫速率越慢，降溫速率，降溫速率越慢， PTC 效應越大，高溫燒成

40、的效應越大，高溫燒成的樣品，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)樣品，直接淬火至室溫，不呈現(xiàn)PTC 效應；效應；2021-10-16材料與光電物理學院53(3) 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， BaTiO3單晶半導體不呈現(xiàn)單晶半導體不呈現(xiàn)PTC 效應，而把效應，而把BaTiO3單晶半導體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很大的單晶半導體粉碎后燒成陶瓷，則呈現(xiàn)很大的PTC效應，因而證明效應，因而證明PTC 效應來源于效應來源于多晶多晶半導體晶界。半導體晶界。(4) 微量雜質(zhì)，引入微量微量雜質(zhì)，引入微量Mn，Cr，F(xiàn)e等作等作受主受主雜質(zhì)，可明雜質(zhì)，可明顯提高顯提高PTC 效應；但引入效應；但引入Na，Cu，Al等作受主雜質(zhì)，等作受主雜質(zhì)，

41、卻只能提高室溫電阻率，而不能提高卻只能提高室溫電阻率，而不能提高PTC 效應。效應。2021-10-16材料與光電物理學院54機理機理：是材料的鐵電性和陶瓷的多晶性共同作用所產(chǎn)生的物：是材料的鐵電性和陶瓷的多晶性共同作用所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。理現(xiàn)象。 在在室溫室溫下，下，BaTiO3是鐵電體，存在著自發(fā)極化，對晶界是鐵電體，存在著自發(fā)極化，對晶界層勢壘起屏蔽作用，勢壘高度降低，層勢壘起屏蔽作用，勢壘高度降低，PTC材料的室溫電阻率材料的室溫電阻率主要由主要由晶粒晶粒的電阻率所決定，為低阻的的電阻率所決定，為低阻的n型半導體。型半導體。 2021-10-16材料與光電物理學院55 當溫度達到當溫度達

42、到居里溫度附近居里溫度附近時，自發(fā)極化迅速減小，時，自發(fā)極化迅速減小，并在材料由鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w時完全消失。晶界勢并在材料由鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w時完全消失。晶界勢壘阻礙晶粒中電子的流通，材料的電阻率由晶界電阻壘阻礙晶粒中電子的流通，材料的電阻率由晶界電阻率所決定，呈現(xiàn)高電阻特性。率所決定，呈現(xiàn)高電阻特性。 所以在材料的溫度由室溫向高溫連續(xù)變化過程中，所以在材料的溫度由室溫向高溫連續(xù)變化過程中，將在居里溫度附近出現(xiàn)低電阻到高電阻的突變，即將在居里溫度附近出現(xiàn)低電阻到高電阻的突變，即PTC 效應。效應。2021-10-16材料與光電物理學院56應用應用： PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控

43、制，也用熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設備，于汽車某部位的溫度檢測與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度等。如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度等。2021-10-16材料與光電物理學院57 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開開關(guān)關(guān)”的作用，的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關(guān)三種功能，稱兼有敏感元件、加熱器和開關(guān)三種功能，稱之為之為“熱敏開關(guān)熱敏開關(guān)” 電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，

44、當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關(guān)作用。利用這種阻溫特持在特定范圍的功能，又起到開關(guān)作用。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對電器起到過熱保護作用。烘衣柜、空調(diào)等，還可對電器起到過熱保護作用。2021-1

45、0-16材料與光電物理學院587.4.2NTC半導體陶瓷半導體陶瓷 負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)(NTC，Negative Temperature Coefficient)熱敏熱敏半導體陶瓷，是指負溫度系數(shù)很大的半導體陶瓷，它的電阻半導體陶瓷，是指負溫度系數(shù)很大的半導體陶瓷，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。值隨著溫度的升高呈階躍性的減小。 2021-10-16材料與光電物理學院59 負溫度系數(shù)熱敏半導體陶瓷大都是用錳、鈷、鎳、鐵負溫度系數(shù)熱敏半導體陶瓷大都是用錳、鈷、鎳、鐵等過渡金屬氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工藝制備等過渡金屬氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工藝制備而成，溫度系數(shù)通常在而成，

46、溫度系數(shù)通常在-11-6左右。左右。 可分為低溫可分為低溫(60300oC)、中溫、中溫(300600oC)及高溫及高溫(大于大于600oC)三種類型。三種類型。2021-10-16材料與光電物理學院602021-10-16材料與光電物理學院61結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 一般為尖晶石結(jié)構(gòu)，其通式為一般為尖晶石結(jié)構(gòu)，其通式為AB2O4，式中式中A一般為二價正離子，一般為二價正離子，B為三價正離子，為三價正離子，O為氧離子。為氧離子。 實際上尖晶石結(jié)構(gòu)的單位晶胞中共有實際上尖晶石結(jié)構(gòu)的單位晶胞中共有8個個A離子，離子，16個個B離離子和子和32個氧離子。由于氧離子的半徑較大，故由氧離子密堆積個氧離子。由于氧離子

47、的半徑較大，故由氧離子密堆積而成，金屬離子則位于氧離子的間隙中。而成，金屬離子則位于氧離子的間隙中。 氧離子間隙有兩種：一是正四面體間隙，氧離子間隙有兩種：一是正四面體間隙，A離子處于此間離子處于此間隙中；另一個是正八面體間隙，由隙中；另一個是正八面體間隙，由B離子占據(jù)，這種正常結(jié)構(gòu)離子占據(jù)，這種正常結(jié)構(gòu)狀態(tài)稱為正尖晶石結(jié)構(gòu)。狀態(tài)稱為正尖晶石結(jié)構(gòu)。2021-10-16材料與光電物理學院62 當全部當全部A位被位被B離子占據(jù)，而離子占據(jù)，而B位則由位則由A、B離子各半占據(jù)時，離子各半占據(jù)時，稱為反尖晶石結(jié)構(gòu)；稱為反尖晶石結(jié)構(gòu)； 當只有部分當只有部分A位被位被B離子占據(jù)時，稱為半反尖晶石結(jié)構(gòu)。離子

48、占據(jù)時，稱為半反尖晶石結(jié)構(gòu)。 只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導只有全反尖晶石結(jié)構(gòu)及半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物才是半導體。體。 NTC熱敏半導體陶瓷材料通常都以熱敏半導體陶瓷材料通常都以MnO為主材料，同時為主材料，同時引入引入CoO，NiO，CuO，F(xiàn)eO等氧化物，使其在高溫下形成等氧化物，使其在高溫下形成半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導體材料。半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導體材料。2021-10-16材料與光電物理學院63機理機理： 溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目少，所以其電

49、阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。數(shù)目增加，所以電阻值降低。2021-10-16材料與光電物理學院647.4.3CTR半導體陶瓷半導體陶瓷 負溫度系數(shù)臨界電阻負溫度系數(shù)臨界電阻CTR(Critical Temperature Resister)指具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增指具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)。加急劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)。 是利用材料從半導體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時電阻的急劇變是利用材料從半導體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時電阻的急劇變化而制成，故稱為化而制成，故稱為急變溫度熱敏電阻急變溫度熱敏電

50、阻。 其特性是其電流電阻特性與其特性是其電流電阻特性與溫度溫度有一定的依賴關(guān)系，在有一定的依賴關(guān)系，在急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，因而具有溫度開關(guān)急變溫度附近，電壓峰值有很大的變化，因而具有溫度開關(guān)特性。特性。2021-10-16材料與光電物理學院65 主要構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合主要構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導體，也稱燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態(tài)熱敏電為玻璃態(tài)熱敏電阻。阻。 驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變。這是由驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變。這是由于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的

51、。若于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的。若在適當?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急在適當?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失。變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失。產(chǎn)生電阻急變的溫度對應于半玻璃產(chǎn)生電阻急變的溫度對應于半玻璃- -半導體物性急變的位半導體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導體置，因此產(chǎn)生半導體- -金屬相移。金屬相移。2021-10-16材料與光電物理學院66成份結(jié)構(gòu)成份結(jié)構(gòu)：主要是以主要是以V2O5為基礎的半導體陶瓷材料。為基礎的半導體陶瓷材料。摻雜稀土氧化物來改善其性能。摻雜稀土氧化物來改善其

52、性能。應用應用： 所制得的傳感器在火災報警、溫度報警方面有很大用途，所制得的傳感器在火災報警、溫度報警方面有很大用途，在固定溫度控制和測溫方面也有許多優(yōu)點，其可靠性高，在固定溫度控制和測溫方面也有許多優(yōu)點，其可靠性高，反應時間快。反應時間快。2021-10-16材料與光電物理學院677.4.4壓敏半導體陶瓷壓敏半導體陶瓷 壓敏半導體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范壓敏半導體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，用這類陶瓷制成的元器件圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，用這類陶瓷制成的元器件又稱非線性電阻器。又稱非線性電阻器。 它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾

53、乎無電流流過，當它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎無電流流過，當超過臨界電壓時，電阻急劇變低，隨著電壓的少許增加，電超過臨界電壓時，電阻急劇變低，隨著電壓的少許增加，電流會迅速增大。流會迅速增大。2021-10-16材料與光電物理學院68代表：代表：ZnO ZnO是一種由天然的紅鋅礦原料制出的六方晶系纖鋅結(jié)是一種由天然的紅鋅礦原料制出的六方晶系纖鋅結(jié)構(gòu)的氧化物，其化學鍵型處于離子鍵與共價鍵的中間鍵型構(gòu)的氧化物，其化學鍵型處于離子鍵與共價鍵的中間鍵型狀態(tài)。狀態(tài)。 這種結(jié)構(gòu)的基礎是氧離子以六角密堆的方式排列，而鋅這種結(jié)構(gòu)的基礎是氧離子以六角密堆的方式排列，而鋅離子填入半數(shù)由離子填入半數(shù)由O 2-

54、緊密排列所形成的四面體空隙中，而緊密排列所形成的四面體空隙中，而O 2-密堆所形成的八面體空隙則是全空的，正負離子的配位數(shù)密堆所形成的八面體空隙則是全空的，正負離子的配位數(shù)均為均為4。2021-10-16材料與光電物理學院69 ZnO的許多性質(zhì)，包括電性質(zhì)，尤其是電導率主要來源于的許多性質(zhì)，包括電性質(zhì)，尤其是電導率主要來源于晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。晶體的缺陷結(jié)構(gòu)。 ZnO的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中存在大量易于容納填隙鋅離子的的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中存在大量易于容納填隙鋅離子的相當大尺寸的空隙，并且鋅在相當大尺寸的空隙，并且鋅在ZnO晶體中的擴散系數(shù)比氧在晶體中的擴散系數(shù)比氧在ZnO中的擴散系數(shù)高。中的擴散系數(shù)高。2

55、021-10-16材料與光電物理學院70 機理機理： ZnO半導體陶瓷中存在晶粒和粒界層形成雙肖特基勢壘。在半導體陶瓷中存在晶粒和粒界層形成雙肖特基勢壘。在低電壓區(qū)，低電壓區(qū)，IV特性受粒界的熱激發(fā)射電流效應控制，表現(xiàn)出特性受粒界的熱激發(fā)射電流效應控制，表現(xiàn)出電流飽和的高電阻性。當外加電壓增加，反偏勢壘的場強超過電流飽和的高電阻性。當外加電壓增加，反偏勢壘的場強超過某一臨界值后，粒界界面態(tài)中所俘獲的電子以隧穿勢壘的機制某一臨界值后，粒界界面態(tài)中所俘獲的電子以隧穿勢壘的機制傳輸電子電流，使傳輸電子電流，使IV特性曲線進入擊穿區(qū)。特性曲線進入擊穿區(qū)。2021-10-16材料與光電物理學院71應用：

56、應用： 在過電壓保護方面是十分重要的。在過電壓保護方面是十分重要的。ZnO避雷器可以用于由避雷器可以用于由雷電引起的過電壓和電路工作狀態(tài)突變造成電壓過高，使正雷電引起的過電壓和電路工作狀態(tài)突變造成電壓過高，使正常運行狀態(tài)的過電壓線路得到保護和穩(wěn)壓，防止設備遭受損常運行狀態(tài)的過電壓線路得到保護和穩(wěn)壓，防止設備遭受損壞。壞。2021-10-16材料與光電物理學院72半導體異質(zhì)結(jié)半導體異質(zhì)結(jié)：由兩種不同半導體材料所組成的結(jié)，稱為：由兩種不同半導體材料所組成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)。超晶格超晶格：兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生：兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生長，構(gòu)成超晶格。長，

57、構(gòu)成超晶格。量子阱量子阱：當兩個同樣的異質(zhì)結(jié)背對背接起來，構(gòu)成一個量：當兩個同樣的異質(zhì)結(jié)背對背接起來，構(gòu)成一個量子阱。子阱。7.5 半導體微結(jié)構(gòu)材料半導體微結(jié)構(gòu)材料2021-10-16材料與光電物理學院737.5.1 異質(zhì)薄層材料異質(zhì)薄層材料 PN結(jié)是在一塊半導體單晶中用摻雜的辦法做成兩個導電類結(jié)是在一塊半導體單晶中用摻雜的辦法做成兩個導電類型不同的部分。型不同的部分。一般一般PN結(jié)的兩邊是用同一種材料做成，稱為結(jié)的兩邊是用同一種材料做成，稱為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)。如把兩種不同的半導體材料做成一塊單晶，稱如把兩種不同的半導體材料做成一塊單晶，稱異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)。 2021-10-16材料與光電物理學院74

58、 兩種材料禁帶寬度的不同以及其它特性的差異，使兩種材料禁帶寬度的不同以及其它特性的差異，使異異質(zhì)結(jié)質(zhì)結(jié)具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒有的特性，在器件設計上將得具有一系列同質(zhì)結(jié)所沒有的特性，在器件設計上將得到某些同質(zhì)結(jié)不能實現(xiàn)的功能，如在異質(zhì)晶體管中用寬帶到某些同質(zhì)結(jié)不能實現(xiàn)的功能，如在異質(zhì)晶體管中用寬帶一側(cè)做發(fā)射極會得到很高的注入比，獲得較高的放大倍數(shù)。一側(cè)做發(fā)射極會得到很高的注入比，獲得較高的放大倍數(shù)。2021-10-16材料與光電物理學院757.5.2 超晶格超晶格 超晶格結(jié)構(gòu)就是超晶格結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)外延層在生長方向上的周期排列，結(jié)外延層在生長方向上的周期排列，在生長方向具有用期性結(jié)構(gòu)。在生長方向具

59、有用期性結(jié)構(gòu)。 它的晶格周期并不是取決于材料的晶格常數(shù)，而是取決它的晶格周期并不是取決于材料的晶格常數(shù)，而是取決于交替子層的重復周期于交替子層的重復周期(10nm)，與電子平均自由程相關(guān)的超，與電子平均自由程相關(guān)的超晶格周期對于能否產(chǎn)生量子效應是一個重要參量。晶格周期對于能否產(chǎn)生量子效應是一個重要參量。2021-10-16材料與光電物理學院76超晶格的種類超晶格的種類 1組分超晶格組分超晶格 在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復單元是由不同半導體在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復單元是由不同半導體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。 2021-10-16材料與光電物理學院77 在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有