第二章半導(dǎo)體材料

第二章各種固體材料及其應(yīng)用

主要參考書：1）?功能材料學(xué)概論?,馬如璋,蔣民華,徐祖雄主編,北京冶金工業(yè)出版社,1999年2）?新材料概論?,陳光,崔崇主編,科學(xué)出版社,2003年3)?功能材料概論?,殷景華，王雅珍，鞠剛主編,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999年4)《固體物理》，黃昆，韓汝琦第一部分:

電功能材料

之

半導(dǎo)體材料

導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體

第一節(jié)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與價(jià)鍵

半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)導(dǎo)電特性、能帶結(jié)構(gòu)、載流子的散射與遷移率、非平衡載流子、p-n結(jié)、異質(zhì)結(jié)和超晶格半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)雜質(zhì)的種類、雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的影響典型半導(dǎo)體材料硅材料、鍺材料、砷化鎵材料、非晶態(tài)材料半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體在元素周期表中介于金屬和非金屬之間具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素有十二種，B，C，Si，P，S，Ge，As，Se，Sn，Sb，Te和I。其中具備實(shí)用價(jià)值的元素半導(dǎo)體材料只有硅、鍺和硒。硒是最早使用的，而硅和鍺是當(dāng)前最重要的半導(dǎo)體材料?；衔锇雽?dǎo)體

化合物半導(dǎo)體

Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體:由Ⅱ族元素Zn，Cd，Hg和Ⅵ族元素S，Se，Te所組成。主要用來(lái)制作光電器件，紅外器件和光電池，在國(guó)防上有重要用途。三元化合物半導(dǎo)體材料：A1GaAs和GaAsP

可制作發(fā)光器件；AgSbTe2是良好的溫差電材料；CdCr2Se4，MgCr2S4是磁性半導(dǎo)體材料；SrTiO3，在氧欠缺的條件下，它表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體：由Ⅲ族元素Al，Ga，In與Ⅴ族元素P，As，Sb所組成。應(yīng)用最廣的是GaAs，還有GaP，InP等已成為微波、光電器件的基礎(chǔ)材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體特征：原子排列沒有周期性，從長(zhǎng)程看雜亂無(wú)章。在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但是在達(dá)到一定值的外界條件(如電場(chǎng)、光、溫度等)時(shí)，就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料（也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)體）。應(yīng)用：開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽(yáng)能電池等。例如，a-Si:H太陽(yáng)能電池產(chǎn)量已占總太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的30％，它不僅占領(lǐng)了計(jì)算器等家用電器電源的市場(chǎng)，而且裝備了太陽(yáng)能電池汽車和模型飛機(jī)。半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和價(jià)鍵

半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)與其性能密切相關(guān)，決定著材料的功能和應(yīng)用。*金剛石結(jié)構(gòu)*閃鋅礦結(jié)構(gòu)*纖鋅礦結(jié)構(gòu)*氯化鈉結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)元素半導(dǎo)體材料Si，Ge，Sn(灰錫)都具有金剛石結(jié)構(gòu)。立方晶胞內(nèi)相關(guān)連的原子共有18個(gè)，其中8個(gè)在立方體的8個(gè)頂角，6個(gè)在立方體6個(gè)面心，還有4個(gè)分別在4條體對(duì)角線距頂角原子相距1/4體對(duì)角線長(zhǎng)度處。此結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)：每個(gè)原子有4個(gè)最近鄰，它們處在一個(gè)正四面體的頂角位置。原子間的結(jié)合為共價(jià)鍵，即每個(gè)原子有4對(duì)共價(jià)鍵，鍵合4個(gè)最近鄰原子，鍵角為109.28度。每一晶胞中實(shí)際占有原子8個(gè)，致密度為0.34，原子排列比較松，因此鍺熔化時(shí)體積要縮小5.5％，硅熔化時(shí)要縮小9％。

閃鋅礦結(jié)構(gòu)（立方硫化鋅結(jié)構(gòu)）

許多重要的化合物半導(dǎo)體如Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs，InSb，GaP，InAs，BSb，AlSb，GaSb等，П-Ⅵ族化合物CdTe，ZnSe。HgSe，HgTe等和Ⅳ-Ⅳ族SiC，都為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。

閃鋅礦結(jié)構(gòu)除去由兩類不同原子占據(jù)著晶格的交替位置外，與金剛石結(jié)構(gòu)是完全相同的。兩種不同原子之間的化學(xué)鍵主要是共價(jià)鍵，同時(shí)又具有離子鍵成分即混合鍵。因此閃鋅礦結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體特性及電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)上除與金剛石結(jié)構(gòu)有許多相同處外又有許多不同之處。小資料：晶體的結(jié)合性質(zhì)和電負(fù)性共價(jià)晶體中價(jià)電子為相鄰兩個(gè)原子所共有；在離子晶體中價(jià)電子由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上；而在金屬中價(jià)電子脫離原子實(shí)的束縛為整個(gè)晶體所共有。晶體的結(jié)合性質(zhì)是和組成晶體的原子得失價(jià)電子的能力密切相關(guān)的。原子的電負(fù)性直接反應(yīng)原子得失價(jià)電子的能力，其定義為：電負(fù)性=常數(shù)（電離能+親和能），其中電離能是指使原子發(fā)生第一次電離所需要的能量，親和能是指中性原子獲得一個(gè)電子所釋放的能量。因此，電負(fù)性綜合了原子得失電子的能力。元素LiBeOFCN電負(fù)性1.01.53.542.53.0

閃鋅礦結(jié)構(gòu)

閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的離子鍵成分,使電子不完全公有，電子有轉(zhuǎn)移，即“極化現(xiàn)象”。這與兩種原子的電負(fù)性之差有關(guān)，兩者之差愈大，離子鍵成分愈大，導(dǎo)致極化愈大。

極性對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)的晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)都有明顯的影響，主要表現(xiàn)在：（1）解理性。（2）表面腐蝕性（1）極性對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶體解理性的影響：

閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶體的解理面是{110}，因?yàn)槠鋥111}面的雙原子層間原子帶電不同，靜電吸引作用，使它們難以分開，而{110}面間距雖然略小些，但每一個(gè)原子面是由等數(shù)目的兩種不同元素原子組成，兩相鄰的{110}面之間沒有凈的靜電力，使這些面易于分開。從晶體的解理方式還可以判斷晶體離子性程度。如GaP只能沿{110}面解理，則表示它具有高度的離子性；A1As和GaAs除沿{110}解理之外，還能沿著{111}面有微弱的解理，則表明它們具有較弱的離子性；GaSb,InAs和InSb除了沿{110}面解理外，沿{111}面也可以作一定程度的解理，則表明它們具有的離子性更弱。（2）極性對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶體表面腐蝕性的影響：例如，GaAs晶體，Ga為Ⅲ族原子，As為Ⅴ族原子。由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在氧化性腐蝕液中Ga的(111)面比As的(111)面的腐蝕速度慢，而且前者有位錯(cuò)腐蝕坑，而后者無(wú)位錯(cuò)腐蝕坑。在Ⅲ-Ⅴ族化合物中AlSb、InSb、InAs、InP等都得到了類似的結(jié)果。通常規(guī)定Ⅲ族原子為A原子，Ⅴ族原子為B原子。人們常用化學(xué)腐蝕方法來(lái)區(qū)分一些化合物的A面和B面。

在單晶體生長(zhǎng)、外延生長(zhǎng)等過(guò)程中發(fā)現(xiàn)A面、B面的生長(zhǎng)速率也是不一樣的，一般表現(xiàn)為A面比B面快。

纖鋅礦結(jié)構(gòu)（六方硫化鋅結(jié)構(gòu)）許多重要的化合物半導(dǎo)體如Ⅲ-Ⅴ族化合物BN，GaN，InN和П-Ⅵ族化合物ZnO、ZnS、CdS、HgS都為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

由兩種不同元素的原子分別組成六方結(jié)構(gòu)晶格適當(dāng)錯(cuò)位套構(gòu)而成的，并且也有四面體結(jié)構(gòu)，具有六方對(duì)稱性。其中S2-位于整個(gè)六方柱大晶胞的各個(gè)角頂和底心以及由六方柱劃分出的六個(gè)三方柱中的相間的三個(gè)三方柱的軸線上，Zn2+則位于各個(gè)三方柱的棱上及相間的三個(gè)三方柱之軸線上。相當(dāng)于S2-構(gòu)成簡(jiǎn)單六方緊密堆積，而Zn2+則填塞于半數(shù)的四面體間隙中,即每個(gè)原子均處于異種原子構(gòu)成的正四面體中心，配位數(shù)均為4。

氯化鈉結(jié)構(gòu)

具有氯化鈉結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，主要有CdO、PbS、PbSe、PbTe、SnTe等。氯化鈉結(jié)構(gòu)也是半導(dǎo)體材料中的晶體結(jié)構(gòu)?？梢钥闯墒怯蓛煞N不同元素原子分別組成的兩套面心立方格子沿1/2[100]方向套構(gòu)而成的，這兩種元素的電負(fù)性有顯著的差別，其中金屬原子失去電子成為正離子，非金屬原子得到電子成為負(fù)離子，它們之間形成離子鍵。

四面體共價(jià)鍵與軌道雜化元素半導(dǎo)體硅、鍺和灰錫都具有金剛石結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子都和4個(gè)最近鄰原子形成四面體共價(jià)鍵。根據(jù)軌道雜化理論，當(dāng)四價(jià)元素形成晶體時(shí)，原子相互靠近，改變了孤立原子狀態(tài)，主要表現(xiàn)在使價(jià)電子的狀態(tài)發(fā)生變化，即有一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道，混合起來(lái)，組成sp3雜化軌道，使原子有強(qiáng)的成鍵能力，晶體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。形成的四個(gè)sp3雜化軌道為：四面體共價(jià)鍵與軌道雜化對(duì)于Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體是與Ⅳ族元素半導(dǎo)體等電子的，它們每個(gè)原子所具有的平均價(jià)電子數(shù)也是4，仍以sp3雜化軌道成鍵形成四面體配位的晶體，只是由于它們是兩種原子組成的化合物，形成了閃鋅礦結(jié)構(gòu)或纖鋅礦結(jié)構(gòu)。原有sp3電子處于現(xiàn)在四個(gè)雜化軌道狀態(tài)，自旋均為配對(duì)，電子云幾率分布沿四面體頂角方向最大，一個(gè)原子和周圍最近鄰原子之間形成共價(jià)鍵，鍵和鍵之間的夾角為10928’。碳、硅、鍺和灰錫都具有四面體共價(jià)鍵，成鍵數(shù)都等于價(jià)電子數(shù)4，只是原子半徑從硅至灰錫逐漸增大，它們的共價(jià)鍵的強(qiáng)度逐漸減小。四面體共價(jià)鍵與軌道雜化

在Ⅳ族元素半導(dǎo)體中，N個(gè)原子的原子簇含有4N個(gè)價(jià)電子和4N個(gè)sp3雜化軌道，組成分子軌道為2N個(gè)成鍵軌道和2N個(gè)反成鍵軌道，4N個(gè)價(jià)電子正好填滿2N個(gè)成鍵軌道，展寬為價(jià)帶，而2N個(gè)反鍵軌道全都空著，展寬為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的能量間隙為固體能帶理論中的禁帶寬度Eg。下圖顯示硅中能帶的形成過(guò)程。四面體共價(jià)鍵與軌道雜化Eg的大?。?共價(jià)鍵強(qiáng)度越強(qiáng)，Eg

越大）

同一周期元素從左到右原子序數(shù)增加，原子半徑減小，原子核對(duì)電子吸引力增大，共價(jià)鍵強(qiáng)度增大，Eg逐漸增大。Si、P、S的禁帶寬度分別為1.12eV，1.45eV，2.65eV。同族元素從上到下，共價(jià)鍵強(qiáng)度減弱，Eg亦逐漸減小。C、Si、Ge的禁帶寬度分別為5.47eV、1.12eV、0.66eV。化合物半導(dǎo)體，Eg隨共價(jià)鍵強(qiáng)度而變化的結(jié)論也是適用的。例如，同一周期中Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的Eg大于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的Eg，更大于Ⅳ族元素半導(dǎo)體的Eg，第四周期禁帶寬度ZnSe＞GaAs。不同周期相比，禁帶寬度GaAs＞InSb，ZnSe＞CdTe。半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)*導(dǎo)電特性目前常用的半導(dǎo)體材料大部分是共價(jià)鍵晶體，晶體中參與導(dǎo)電的粒子被稱為載流子。半導(dǎo)體中對(duì)電導(dǎo)有貢獻(xiàn)的載流子不僅有導(dǎo)帶中的電子，還有價(jià)帶中的空穴。對(duì)純凈半導(dǎo)體,在理想情況下,半導(dǎo)體內(nèi)不存在可以自由移動(dòng)的電子，電子均被束縛在原子核周圍，其中價(jià)電子構(gòu)成共價(jià)鍵，當(dāng)外界對(duì)半導(dǎo)體有某種作用時(shí)，如光照、加熱等，價(jià)電子獲得足夠能量，擺脫共價(jià)鍵束縛，成為自由電子，而原來(lái)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位叫空穴，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程叫本征激發(fā)，這個(gè)導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。m*為載流子的有效質(zhì)量，m0為電子的慣性質(zhì)量,ε為母體晶體的相對(duì)介電系數(shù)，H為氫原子的基態(tài)電離能。弄清此公式的來(lái)源，εi的意義？N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體在半導(dǎo)體材料中摻入比其多一個(gè)價(jià)電子的元素，多余的價(jià)電子不能進(jìn)入共價(jià)鍵，但仍受雜質(zhì)中心的約束,只是比共價(jià)鍵約束弱得多，只要很小的能量就會(huì)擺脫約束，成為自由導(dǎo)電電子。對(duì)于P型摻雜的情況也是如此。以上兩種情況發(fā)生時(shí)，雜質(zhì)原子分別形成正電中心和負(fù)電中心，都可以近似用類氫系統(tǒng)和載流子的有效質(zhì)量來(lái)處理。這樣雜質(zhì)的淺電離能為：能帶結(jié)構(gòu)

畫能帶時(shí)只需畫能量最高的價(jià)帶和能量最低的導(dǎo)帶。價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底都稱為帶邊，分別用Ev和Ec表示它們的能量，帶隙寬度Eg＝Ec-Ev。以Ge、Si、GaAs的能帶為例?？梢杂懻撊齻€(gè)方面：

(1)帶隙結(jié)構(gòu)直接帶隙：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k空間同一點(diǎn)。間接帶隙：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k空間不同點(diǎn)。具有這兩種能帶結(jié)構(gòu)的材料分別稱為直接躍遷型材料(如GaAs)和間接躍遷型材料(如Ge、Si)。它們?cè)诠馕铡l(fā)光、輸運(yùn)現(xiàn)象和過(guò)剩載流子復(fù)合等行為上有明顯的區(qū)別。如：發(fā)生光吸收或復(fù)合發(fā)光時(shí)，過(guò)程必須滿足準(zhǔn)動(dòng)量守恒，對(duì)于間接躍遷型半導(dǎo)體，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間光學(xué)躍遷時(shí)，需要聲子參與，而對(duì)于直接躍遷型半導(dǎo)體，不需要聲子參與，因此用直接躍遷型半導(dǎo)體制作發(fā)光器件和激光器件可大有作為。直接躍遷間接躍遷(2)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，對(duì)材料的性能和應(yīng)用有明顯的影響，下面以Si、Ge、GaAs為例作簡(jiǎn)單介紹：a)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GaAs的導(dǎo)帶底附近等能面形狀為球面，Ge、Si的等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面。因此GaAs的許多性質(zhì)(如電阻率、磁阻效應(yīng)等)呈各向同性，可用標(biāo)量表示,Ge、Si的許多性質(zhì)呈各向異性。b)如果導(dǎo)帶極值不在k空間原點(diǎn)，按對(duì)稱性的要求，必然存在若干個(gè)等價(jià)的能谷，人們把具有數(shù)個(gè)能谷的半導(dǎo)體稱為多能谷半導(dǎo)體，如Ge和Si是典型的多能谷半導(dǎo)體。相反，如果導(dǎo)帶極值在k空間原點(diǎn)處，只有單個(gè)極值，人們把此種半導(dǎo)體稱為單能谷半導(dǎo)體，如GaAs為單能谷半導(dǎo)體。c)多能谷半導(dǎo)體可用來(lái)制作壓阻器件。如Si的導(dǎo)帶底處在（100)方向，距原點(diǎn)約5/6處，因此它有6個(gè)對(duì)稱的等價(jià)能谷，且每個(gè)等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，電子的縱向有效質(zhì)量大于橫向有效質(zhì)量，因而沿橢球主軸方向的縱向遷移率小于垂直于主軸方向的橫向遷移率。當(dāng)從x軸對(duì)N型硅施加壓力時(shí)，導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，y軸和z軸上能谷的電子轉(zhuǎn)移到x軸上的能谷，由于有效質(zhì)量變化，使x軸方向電導(dǎo)率減少，因此硅是制作壓阻器件的一種材料。壓阻效應(yīng)：即施加壓力而引起電阻值變化。因此具有明顯壓阻效應(yīng)的材料可作壓力傳感器。小資料：硅阻效應(yīng)半導(dǎo)體的硅阻效應(yīng)：

在硅片上施加壓力而引起電阻值變化，因此可被用做壓力傳感器，與應(yīng)變片很相似。但有重要的區(qū)別。硅的靈敏度、或壓力系數(shù)，大約是應(yīng)變片的100倍，而且，硅是接收應(yīng)力理想的材料。硅是完美的晶體，它不會(huì)永久的伸展，在應(yīng)力消失后，又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。作為壓力傳感片，硅優(yōu)于金屬。因?yàn)楣柙诠ぷ鞣秶鷥?nèi)有著特別好的彈性，通常只有硅片破裂時(shí)才停止正常工作。硅片傳感器的應(yīng)用：在1960年，霍尼韋爾技術(shù)中心就制造出了第一個(gè)壓阻傳感器，航天部門將其用于道格拉斯的DC-10飛機(jī)的機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，傳感器的壓力信號(hào)輸入數(shù)字空氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來(lái)指明飛機(jī)高度。今天，霍尼韋爾技術(shù)中心的壓阻傳感器被運(yùn)用于霍尼韋爾著名的ST3000系列變送器。d)

存在多種能量極值的半導(dǎo)體材料，由于不同極值處導(dǎo)帶的曲率不同，而且其曲率與該處電子的有效質(zhì)量成反比，則發(fā)生轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)。如GaAs的導(dǎo)帶在位于(100)方向的極值(可稱為子能谷)比位于k空間原點(diǎn)的極值(可稱為主能谷)高約0.36eV，而且前者電子的有效質(zhì)量較大，遷移率較低，因此在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子從原點(diǎn)極值轉(zhuǎn)移到(100)方向極值處時(shí)，利用此特性GaAs可以制作轉(zhuǎn)移電子器件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明InP是制作轉(zhuǎn)移器件的更好的材料。小資料：轉(zhuǎn)移電子器件轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)：導(dǎo)電的電子從高遷移率的能谷轉(zhuǎn)移到低遷移率但有較高能量的亞能谷。轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)最早是在1963年觀察到。在最初的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在n型砷化鎵或磷化銦矩形樣品上加的直流電場(chǎng)超過(guò)每厘米幾千伏臨界閾值電場(chǎng)時(shí)，便產(chǎn)生微波功率輸出。轉(zhuǎn)移電子器件(TED)是一種重要的微波器件。它被廣泛地用作1-100GHz微波頻率范圍的本機(jī)振蕩器和功率放大器。轉(zhuǎn)移電子器件已作為成熟的固態(tài)微波源用于雷達(dá)、警戒系統(tǒng)和微波測(cè)量?jī)x器中。

(3)價(jià)帶結(jié)構(gòu)

以Ge，Si和GaAs為例，價(jià)帶分為三支，價(jià)帶頂位于k原點(diǎn)處，兩個(gè)較高的帶在k原點(diǎn)處簡(jiǎn)并，分別對(duì)應(yīng)重空穴帶和輕空穴帶，雖然它們的等能面呈“扭曲”的球面形狀，仍可以用各向同性的有效質(zhì)量分別描述在重、輕兩個(gè)空穴帶中的空穴運(yùn)動(dòng)。載流子濃度對(duì)于摻雜的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，可得導(dǎo)帶底的電子濃度為：

n=N-exp[-(Ec-EF)/kBT]N-=2S-(2m*kBT)3/2/h3式中N-為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度，Ec為導(dǎo)帶底的能級(jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)，kB為波耳茲曼常數(shù)，S為導(dǎo)帶底對(duì)應(yīng)對(duì)稱點(diǎn)的數(shù)目，m*為電子有效質(zhì)量。價(jià)帶頂?shù)目昭舛葹椋?/p>

p=N+exp[-(EF-Ev)/kBT]N+=2S+(2m*kBT)3/2/h3式中N+為價(jià)帶有效能級(jí)密度，Ev為價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)，kB為波耳茲曼常數(shù)，S為價(jià)帶底對(duì)應(yīng)對(duì)稱點(diǎn)的數(shù)目，m*為空穴有效質(zhì)量。

np=N-N+exp[-(Ec-Ev)/kBT]=N-N+exp[-Eg/kBT]

式中Eg為禁帶寬度。對(duì)給定材料電子濃度和空穴濃度的乘積，只是溫度的函數(shù)，而與EF位置無(wú)關(guān)，與摻雜無(wú)關(guān)。例如硅中摻砷摻得越多，導(dǎo)帶中電子便越多，而價(jià)帶中空穴將減少。

對(duì)于本征半導(dǎo)體，很容易得出本征載流子濃度

ni=n=p=(N-N+)1/2exp[-Eg/2kBT]

本征費(fèi)米能級(jí)Ei

?(Ec+Ev),

即近似位于帶隙中央。ni

主要取決于Eg和溫度。載流子濃度半導(dǎo)體的電導(dǎo)率

導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴，在相同的電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，總導(dǎo)電作用為兩者之和，即總電流密度為：

J=Jn+Jp=(nee+pep)E

其中Jn和Jp分別為電子和空穴的電流密度；e為電子電荷量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為=nee+pep取決于兩個(gè)因素：載流子濃度和遷移率。在摻雜情況下，如果一種載流子濃度遠(yuǎn)大于另一種載流子濃度，則分別稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)和少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。主要是多子參與導(dǎo)電，上式可以簡(jiǎn)化為=nee

或=pep

。遷移率遷移率的物理含義：令在兩次碰撞之間電子作自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)ε給電子的沖量等于該期間電子獲得的動(dòng)量，即可得到電子的漂移速度，所以：即電子的漂移速度與外電場(chǎng)ε成正比，比例常數(shù)與馳豫時(shí)間及有效質(zhì)量有關(guān)，該比例常數(shù)稱為電子遷移率μ。電子遷移率:載流子的遷移率，即單位電場(chǎng)下載流子漂移的速度。它描述了外加電場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響程度。遷移率是與電子、空穴所受的散射作用有關(guān)的一個(gè)量，散射越強(qiáng)，載流子平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間就越短，遷移率就越??；相反，遷移率就越大。只有在晶體的原子排列的周期場(chǎng)受到破壞時(shí)，運(yùn)動(dòng)的電子才會(huì)受到散射，散射主要有兩種：1)晶格散射。由于原子晶格振動(dòng)引起的載流子散射叫晶格散射。2)電離雜質(zhì)散射。被電離的雜質(zhì)作為正電中心或負(fù)電中心，可以改變載流子原有運(yùn)動(dòng)速度的方向和大小，被稱為電離雜質(zhì)散射。當(dāng)同時(shí)有幾種散射作用時(shí)，總的遷移率與各種遷移率關(guān)系為：1/=1/1+1/2+1/3+……一般只考慮晶格振動(dòng)散射和電離雜質(zhì)散射。載流子遷移率與摻雜濃度有關(guān)在一定溫度下，晶體中雜質(zhì)較少時(shí)，電離雜質(zhì)散射影響小，載流子遷移率數(shù)值平穩(wěn)。摻雜濃度增加，電離雜質(zhì)散射作用增強(qiáng)，載流子遷移率顯著下降。非平衡載流子在一定溫度下，半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度是一定的，這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度稱為平衡載流子濃度。

但在外界作用下，材料中的電子濃度和空穴濃度都是偏離平衡值的，多出來(lái)的這部分載流子叫做非平衡載流子(過(guò)剩載流子)，通常用光注入或電注入方法產(chǎn)生非平衡載流子。非平衡載流子在半導(dǎo)體中具有非常重要的意義，半導(dǎo)體中許多物理現(xiàn)象和某些器件原理是與非平衡載流子有關(guān)的。非平衡載流子對(duì)于多子和少子的影響是不同的。非平衡載流子主要影響少子。例如，在室溫下，N型硅，n0~1015cm-3,p0~105cm-3,而非平衡載流子的濃度為~1010cm-3。非平衡載流子的復(fù)合和壽命其解為：同理τn，τp為衰減的時(shí)間常數(shù)，描述非平衡載流子的壽命。非平衡載流子的重要特點(diǎn)：它們會(huì)因復(fù)合而消失。非平衡載流子平均存在時(shí)間稱為壽命。

以光注入為例，設(shè)一半導(dǎo)體樣品受穩(wěn)定、均勻的光照，非平衡載流子濃度保持恒定值n，在光照撤去后，n將按下述規(guī)律衰減:壽命是半導(dǎo)體材料最重要的參數(shù)之一，反映了材料的質(zhì)量。不同的材料中非平衡載流子壽命不同：鍺（100-1000s）、硅（50-500s）、砷化鎵（10-2-10-3s）

材料中重金屬雜質(zhì)、晶體缺陷的存在、表面的性質(zhì)都直接影響壽命的長(zhǎng)短。壽命又影響著器件的性能。不同的器件對(duì)非平衡載流子壽命值也有不同的要求，如對(duì)高頻器件，要求壽命要小，而對(duì)探測(cè)器要求壽命要大。非平衡載流子的壽命非平衡載流子的復(fù)合機(jī)制

A）直接復(fù)合：導(dǎo)帶電子直接躍遷到價(jià)帶的某一空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合，稱為直接復(fù)合（帶間復(fù)合）。如砷化鎵、銻化銦中主要為直接復(fù)合。

B）間接復(fù)合：導(dǎo)帶電子在躍遷到價(jià)帶某一空狀態(tài)之前還要經(jīng)歷某一(或某些)中間狀態(tài)，稱為間接復(fù)合。能促使這種間接復(fù)合的局域中心稱為復(fù)合中心，如，雜質(zhì)和缺陷等。

C）表面復(fù)合：在材料表面常常存在各種復(fù)合中心。表面復(fù)合的本質(zhì)也是間接復(fù)合。實(shí)驗(yàn)測(cè)得表面壽命值低于體內(nèi)壽命值。由于存在表面復(fù)合，能使晶體管注入電流放大系數(shù)下降，反向漏電增大，對(duì)晶體管的穩(wěn)定性、可靠性、噪聲都有嚴(yán)重影響。非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)其中Dh為空穴擴(kuò)散系數(shù),τp為空穴的壽命。方程的解，即為非平衡空穴濃度的分布為：其中Lh＝（Dhτp)1/2為非平衡空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度，標(biāo)志空穴濃度降至1/e所需的距離。

由于非平衡載流子一般是靠外部條件的作用而產(chǎn)生的，因而在半導(dǎo)體中各處的濃度不象平衡載流子那樣是均勻的。以光注入為例，設(shè)以穩(wěn)定的光均勻照射半導(dǎo)體表面，光只在表面極薄的一層產(chǎn)生非平衡載流子，由于濃度梯度的作用，對(duì)于P型樣品，非平衡的空穴將向材料內(nèi)部擴(kuò)散，并形成穩(wěn)定的分布，以下為一維的連續(xù)性方程：p-n結(jié)：半導(dǎo)體器件的核心

如果在同一塊半導(dǎo)體材料中，一邊是p型區(qū)，另一邊是n型區(qū)，在相互接觸的界面附近將形成一個(gè)結(jié)叫p-n結(jié)。它是許多半導(dǎo)體電子器件的基本結(jié)構(gòu)單元。正因?yàn)閜-n結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有單向?qū)щ娦?，使得各種功能半導(dǎo)體器件得以迅速發(fā)展。突變結(jié):突變結(jié)結(jié)面兩邊的摻雜濃度是常數(shù)，但在界面處導(dǎo)電類型發(fā)生突變。（合金結(jié)、高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)）緩變結(jié):緩變結(jié)的雜質(zhì)分布是通過(guò)結(jié)面緩慢地變化。（低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)）平衡p-n

結(jié)勢(shì)壘當(dāng)p-n結(jié)形成時(shí)，在交界處引起電荷積累，形成一定的接觸電勢(shì)差，此電場(chǎng)叫自建場(chǎng)。交界處的結(jié)區(qū)，由于自由載流子數(shù)目很少，所以也常稱為耗盡層。對(duì)于電子而言，結(jié)區(qū)是從n區(qū)向p區(qū)逾越的勢(shì)壘；對(duì)于空穴而言，結(jié)區(qū)也是從p區(qū)向n區(qū)逾越的勢(shì)壘，因此結(jié)區(qū)也稱為勢(shì)壘區(qū)。

N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)之上，P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)之下，當(dāng)N型和P型半導(dǎo)體形成p-n結(jié)時(shí)，要達(dá)到統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF，即p型區(qū)能帶相對(duì)n型區(qū)上移，而上移的高度為qVD,稱為平衡p-n結(jié)的勢(shì)壘高度。勢(shì)壘高度的物理意義即為電子從n區(qū)到p區(qū)(或空穴從p區(qū)到n區(qū))必須克服的能量勢(shì)壘。勢(shì)壘高度與溫度、半導(dǎo)體材料種類、n區(qū)和p區(qū)凈雜質(zhì)濃度有關(guān)。p-n結(jié)的特性1）伏安特性

p-n結(jié)伏安特性指通過(guò)p-n結(jié)的電流與外加電壓的關(guān)系。正向偏壓下，電流隨偏壓指數(shù)上升，可達(dá)幾十安／厘米2-幾千安／厘米2；反向偏壓下，電流很小，且很快趨向飽和，即反向飽和電流僅幾微安／厘米2；當(dāng)反向偏壓升到某電壓值時(shí)，反向電流急劇增大，稱為擊穿，其電壓為擊穿電壓。此伏安持性具有單向?qū)щ姷恼餍再|(zhì)。

p-n結(jié)單向?qū)щ姷脑蛟谟冢河捎诮Y(jié)區(qū)中載流子濃度很低，是高阻區(qū)，如果加上正向偏壓V，V使P區(qū)電勢(shì)升高，則勢(shì)壘降低，電子不斷從n區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，空穴也不斷從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，由于是多子運(yùn)動(dòng)，所以隨外加電壓的增加。擴(kuò)散電流顯著增加；反之施加反向偏壓-V時(shí)，外加電場(chǎng)與自建電場(chǎng)一致，使勢(shì)壘升高，由于是少子運(yùn)動(dòng)，所以反向電流很小，且不隨反向電場(chǎng)的增大而增加。

實(shí)際p-n結(jié)的反向電流與材料受到的污染、含有缺陷或外界作用有關(guān)，常常導(dǎo)致電流的實(shí)際值大于理論值。如光照射p-n結(jié)，在空間電荷區(qū)外一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)光激發(fā)的電子－空穴對(duì)，使到達(dá)反向p-n結(jié)空間電荷區(qū)邊界少子濃度增高,可形成較大的光致反向電流。這正是p-n結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本原理。2）擊穿電壓擊穿特性是p-n結(jié)的一個(gè)重要特性，以擊穿電壓VB作為檢測(cè)器件是否合格的重要參數(shù)，同時(shí)也利用擊穿規(guī)律制作穩(wěn)壓二極管、微波振蕩二極管等。一般有兩種擊穿機(jī)理:雪崩擊穿和隧道擊穿。雪崩擊穿的機(jī)理：當(dāng)p-n結(jié)反向偏壓很大時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，越過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電子和空穴受到強(qiáng)電場(chǎng)作用，動(dòng)能增大，若載流子在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)獲得的動(dòng)能大到足以引起碰撞電離的程度，就可以和原子碰撞，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新的電子-空穴對(duì)再?gòu)碾妶?chǎng)中獲得動(dòng)能，進(jìn)一步產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這種連鎖過(guò)程稱為雪崩倍增，能夠迅速增大了反向電流，導(dǎo)致雪崩擊穿。在p-n結(jié)上外加反向強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，價(jià)電子能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，電子這種穿過(guò)禁帶的過(guò)程叫隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)引起的擊穿現(xiàn)象稱為隧道擊穿。發(fā)生在p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度都很高，材料高度簡(jiǎn)并化，而且勢(shì)壘區(qū)非常薄的情況下。其伏安特性如圖所示：反偏壓時(shí)，電流單調(diào)增加，小正向偏壓下，電流有一負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)(2-4)，在較高的正向偏壓下，逐漸趨于普通伏安特性。這個(gè)I-V特性是隧道電流和熱電子電流分量疊加的結(jié)果。具有這種特性的二極管稱為隧道二極管或江崎二極管。EcEv小資料：江崎二極管

1956年江崎玲於奈在索尼公司主要考查窄寬度p-n結(jié)的導(dǎo)電機(jī)制。p-n結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)分布取決于雜質(zhì)的分布。當(dāng)時(shí)許多研究者都把提取含雜質(zhì)少的高純半導(dǎo)體材料當(dāng)作目標(biāo)，而江崎則嘗試制備高摻雜的鍺p-n結(jié)器件。江崎增大了摻雜濃度，使結(jié)寬進(jìn)一步變窄。當(dāng)濃度達(dá)到1018cm-3以上時(shí)，p-n結(jié)的施主和受主濃度都高到使結(jié)兩側(cè)呈簡(jiǎn)并態(tài)。江崎發(fā)現(xiàn)，在這種隧穿路程極短的情況下，所有溫度條件下都可以觀察到負(fù)阻現(xiàn)象。江崎用量子力學(xué)理論令人信服地證明了這正是隧道效應(yīng)，這項(xiàng)研究確立了隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體材料中的存在。接著，江崎利用這種半導(dǎo)體p-n結(jié)中的隧道效應(yīng)研制出一種新型半導(dǎo)體器件：隧道二極管。這種二極管具有獨(dú)特而優(yōu)異的反向負(fù)阻特性，可在開關(guān)電路、振蕩電路、微波電路以及各種高速電路中獲得廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代電子技術(shù)中最重要的器件之一。正是這項(xiàng)貢獻(xiàn)使江崎于1973年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3）電容效應(yīng)在正向偏壓下，隨著外加電壓的增加，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)減弱，寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少，而在反向偏壓下，隨著外加電壓的增加，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)加強(qiáng)，寬度變厚，空間電荷數(shù)量增加，類似于邊界在充、放電。這種由于勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓的變化，所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為p-n結(jié)的勢(shì)壘電容。通過(guò)減小結(jié)面積、減小高阻區(qū)的雜質(zhì)濃度、加大反向電壓的方法能夠減小突變結(jié)勢(shì)壘電容。異質(zhì)結(jié)和超晶格

在過(guò)去的二十幾年中，材料科學(xué)家借助于分子束外延(MBE)，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)及其他工藝，在GaAS，InP及Si襯底上制備出形形色色的天然晶體中所不存在的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料。固體物理學(xué)家在對(duì)超晶格的超周期性和量子限制效應(yīng)的研究中，發(fā)現(xiàn)了不同尋常的輸運(yùn)性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)；應(yīng)用物理學(xué)家改變了電子器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)由“摻雜工程”走向“能帶工程”，進(jìn)而制造了許多新型器件，從而將微電子和光電子領(lǐng)域推向一個(gè)引人人勝的境界。

1963年，為了改進(jìn)當(dāng)時(shí)GaAs結(jié)型激光器的高閾值電流問(wèn)題，Kroemer建議把一個(gè)窄帶隙半導(dǎo)體夾在兩個(gè)寬帶隙之間，從而提高注入效率和增加載流子限制，首次明確提出異質(zhì)結(jié)概念。1970年，AlGaAs激光器實(shí)現(xiàn)室溫受激發(fā)射，從而拉開由均勻材料向半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料變革的序幕。超晶格超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長(zhǎng)在襯底上，使在外延生長(zhǎng)方向形成附加的晶格周期性。

當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運(yùn)動(dòng)將受到超晶格附加的周期勢(shì)場(chǎng)的影響，而其xy平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動(dòng)能是連續(xù)的，z方向附加周期勢(shì)場(chǎng)使電子的能量分裂為一系列子能帶，不連續(xù)點(diǎn)的kz值滿足:Kz=±n/D，D為超晶格周期。超晶格分類組分調(diào)制超晶格摻雜調(diào)制超晶格應(yīng)變超晶格低維超晶格非晶態(tài)半導(dǎo)體的超晶格半磁超晶格漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結(jié)構(gòu)來(lái)源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。超晶格的種類1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。*組分調(diào)制超晶格按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對(duì)準(zhǔn)情況，江崎把異質(zhì)結(jié)分為三類。*Ⅰ型異質(zhì)結(jié):窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號(hào)相反。不論對(duì)電子還是空穴，窄帶材料都是勢(shì)阱，寬帶材料都是勢(shì)壘。即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號(hào)相同）分兩種：

*ⅡA類超晶格，材料1的導(dǎo)帶和價(jià)帶都比材料2的低，禁帶是錯(cuò)開的。材料1是電子的勢(shì)阱，材料2是空穴的勢(shì)阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點(diǎn)，躍遷幾率小，如GaAs/AlAs超晶格

*ⅡB類超晶格當(dāng)禁帶錯(cuò)開更大時(shí)，窄帶材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于寬帶材料的價(jià)帶中，有金屬化現(xiàn)象。如InAs/GaAs

超晶格。

*Ⅲ類超晶格有一種材料具有零帶隙。組成超晶格后，由于它的電子有效質(zhì)量為負(fù)，將形成界面態(tài)。典型的例子是HgTe/CdTe超晶格。

2．摻雜超晶格在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。優(yōu)點(diǎn):(1)任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。(3)摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對(duì)各分層厚度和摻雜濃度的選擇。摻雜調(diào)制超晶格利用電離雜質(zhì)中心產(chǎn)生的靜電勢(shì)在晶體中形成周期性變化的勢(shì)，例如n-i-n-i結(jié)構(gòu)超晶格。3．多維超晶格一維超晶格與體單晶比較具有許多不同的性質(zhì)，這些特點(diǎn)來(lái)源于它把電子和空穴限制在二維平面內(nèi)而產(chǎn)生量子力學(xué)效應(yīng)。進(jìn)一步發(fā)展這種思想，把載流子再限制在低維空間中，可能會(huì)出現(xiàn)更多的新的光電特性。用MBE法生長(zhǎng)多量子阱結(jié)構(gòu)或單量子阱結(jié)構(gòu)，通過(guò)光刻技術(shù)和化學(xué)腐蝕制成量子線、量子點(diǎn)。

4．應(yīng)變超晶格

初期研究超晶格材料時(shí)，除了A1xGa1-xAs／GaAs體系以外，對(duì)其他物質(zhì)形成的超晶格的研究工作不多。原因：晶格常數(shù)相差很大，會(huì)引起薄膜之間產(chǎn)生失配位錯(cuò)而得不到良好質(zhì)量的超晶格材料。解決方法：當(dāng)多層薄膜的厚度十分薄時(shí)，在晶體生長(zhǎng)時(shí)反而不容易產(chǎn)生位錯(cuò)。即，在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生。因此，巧妙地利用這種性質(zhì)，可制備出晶格常數(shù)相差較大的兩種材料所形成的應(yīng)變超晶格。

SiGe／Si是典型應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般Si器件更高速工作的電子器件。應(yīng)變超晶格一般認(rèn)為，晶格常數(shù)的失配度<5%為晶格匹配，失配度>5%為晶格失配。在晶格常數(shù)失配度<7%的范圍內(nèi)，其中的一種或兩種材料內(nèi)存在應(yīng)變，以補(bǔ)償晶格常數(shù)的失配，界面不產(chǎn)生位錯(cuò)與缺陷。

如：Si/Ge,GaP/InP§2異質(zhì)結(jié)-超晶格的基本單元

“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理”,虞麗生,科學(xué)出版社.

異質(zhì)結(jié)：不同能隙材料形成的結(jié)，如Ⅲ-Ⅴ族，Ⅱ-Ⅵ族，Ⅳ-Ⅳ族等主要特點(diǎn)：能隙寬度，介電常數(shù)及電子親和勢(shì)均不同不僅是超晶格的基本組成部份，其材料與結(jié)構(gòu)的不同也為器件設(shè)計(jì)帶來(lái)許多自由度及獨(dú)特的性質(zhì)小資料：第一個(gè)異質(zhì)結(jié)激光器最初，由于組成異質(zhì)結(jié)的兩種材料晶格常數(shù)不同，界面附近的晶格畸變形成大量位錯(cuò)和缺陷，因而不能做成性能比較好的異質(zhì)結(jié)。直到1968年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室RCA公司和前蘇聯(lián)的約飛研究所同時(shí)宣布作成了GaAs-AlxGa1-xAs雙異質(zhì)結(jié)激光器。他們之所以取得成功的主要原因是選擇了較好的晶格匹配的一對(duì)材料：GaAs的晶格常數(shù)是5.6531?，AlAs的晶格常數(shù)是5.6622?。異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)：兩種晶格結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相近，但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料長(zhǎng)在一起形成結(jié)則稱為異質(zhì)結(jié)。

構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料一般應(yīng)選擇：(1)具有相同的晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)盡可能相近，以便獲得無(wú)缺陷、無(wú)應(yīng)變的界面，改善結(jié)的性能。但是近年來(lái)隨著超薄層生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，成功地生長(zhǎng)出原子級(jí)厚度的外延層，即使材料本身的失配度很大，也可以被薄層材料的均勻彈性形變所調(diào)制，大大改善異質(zhì)結(jié)材料的質(zhì)量，而且形變應(yīng)力引起的材料能帶結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致它具有新的物理特性，發(fā)展了新型改性人工材料；(2)具有相近的熱膨脹系數(shù)；(3)滿足一定要求的能隙寬度和電子親和能。直條影區(qū)指具有相近晶格常數(shù)但不同能隙寬度的材料。在區(qū)內(nèi)材料原則上都可組成異質(zhì)結(jié)超晶格。圖1中的連線是指這些材料都可形成特定的合金(IuGaAs,GaAlAs及InGaP)。圖1.低溫下具有金剛石、閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體與晶格常數(shù)的關(guān)系(4.2K)異質(zhì)結(jié)的重要性質(zhì)1)可以提高“注入比”。電子的注入比，即在總電流中電子電流和空穴電流之比。如果異質(zhì)結(jié)的N型區(qū)的一側(cè)是寬帶隙材料，因?yàn)椋鹤⑷氡燃串?dāng)(Eg)N

>(Eg)P

時(shí)，即使在兩邊摻雜濃度相差不多時(shí)，也可以獲得很高的注入比。對(duì)于晶體管、半導(dǎo)體激光器等器件，注入比是很重要的參量，它決定著晶體管的電流放大系數(shù)，激光器的注入效率和閾值電流。2)“窗口效應(yīng)”。若(Eg)N>(Eg)P

，入射光子能量滿足(Eg)P<hν<(Eg)N時(shí)，入射光子可以透過(guò)寬隙的N型層而主要在帶隙較窄的P型層中被吸收，因此寬帶材料對(duì)于hν<(Eg)N

的光起一個(gè)窗口作用。這個(gè)效應(yīng)可以提高太陽(yáng)電池的效率。異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用異質(zhì)結(jié)的實(shí)現(xiàn)，為制作集成電路提供了能起良好絕緣作用的襯底，對(duì)集成電路的發(fā)展有重大意義?？梢酝ㄟ^(guò)改變異質(zhì)結(jié)的組分，在一定范圍內(nèi)，人為地連續(xù)可調(diào)異質(zhì)結(jié)的晶格常數(shù)、帶隙寬度等參數(shù)，則擴(kuò)大了材料的應(yīng)用范圍。異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)的突變，使其具有不同于單獨(dú)材料的特性，從而發(fā)展了許多重要的半導(dǎo)體光電器件，如激光器、探測(cè)器、高電子遷移率晶體管、雙極晶體管等，推動(dòng)了半導(dǎo)體物理的發(fā)展。實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料中總會(huì)有一定的雜質(zhì)存在，一些是人們要設(shè)法去掉的，又有一些是為了特定目的人為摻入的。雜質(zhì)的存在使晶體嚴(yán)格的周期勢(shì)場(chǎng)受到破壞，對(duì)材料性質(zhì)有重要影響。半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)雜質(zhì)的種類:1)按雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體材料中存在的方式，可以分為兩類，一類是單個(gè)原子，另一類是它們與其它雜質(zhì)缺陷的復(fù)合體。2)以單個(gè)原子存在的位置又可以分為兩類，一類是替代式,另一類是間隙式。3)按雜質(zhì)原子對(duì)半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響,又可以分為五類：受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、兩性雜質(zhì)、中性雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)的影響是復(fù)雜的，既與雜質(zhì)原子的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，又與它們?cè)诰w中的狀態(tài)有關(guān)。不同材料中雜質(zhì)種類和作用也不相同，常用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的雜質(zhì)在禁帶中的能級(jí)來(lái)分析它們的影響。雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的影響雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的影響當(dāng)材料中施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)共存時(shí)，有補(bǔ)償作用，材料的導(dǎo)電類型，取決于哪一種占優(yōu)勢(shì)。設(shè)雜質(zhì)在室溫下全部電離，ND表示施主雜質(zhì)濃度，NA表示受主雜質(zhì)濃度，當(dāng)ND>>NA時(shí)半導(dǎo)體呈N型。當(dāng)NA>>ND呈P型。當(dāng)ND

NA時(shí)，雜質(zhì)高度補(bǔ)償，呈弱N或弱P型，甚至是本征的。人們常常利用擴(kuò)散或注入法，改變材料中某一區(qū)域的導(dǎo)電類型，制作各種器件；同時(shí)人們?cè)谶x擇半導(dǎo)體材料時(shí)，也提出對(duì)補(bǔ)償度的要求，保證器件的質(zhì)量和穩(wěn)定性。2.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體材料電阻率的影響材料中有多種雜質(zhì)，并且飽和電離時(shí)，電阻率可以表示為:有補(bǔ)償?shù)那闆r下，電阻率主要由有效雜質(zhì)濃度(ND-NA)或(NA-ND)決定,但總的雜質(zhì)濃度對(duì)電阻率有影響，因?yàn)殡s質(zhì)濃度很大時(shí)，對(duì)載流子散射將加強(qiáng)，則遷移率下降，電阻率增加。3.雜質(zhì)對(duì)非平衡載流子壽命的影響半導(dǎo)體中深能級(jí)雜質(zhì)，對(duì)材料的平衡態(tài)電學(xué)性能影響較小，對(duì)非平衡態(tài)的電學(xué)性能影響較大，在禁帶中有多重能級(jí)，對(duì)電子和空穴的復(fù)合起中間站作用，稱為復(fù)合中心或陷阱中心，大大縮短了非平衡載流子的壽命，因此一般在制備材料時(shí)要嚴(yán)防重金屬污染，它們對(duì)光電器件特別有害。而對(duì)一些特殊器件還可以人為注入微量重金屬來(lái)降低非平衡載流子壽命。典型半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用

硅材料常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，升溫時(shí)，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，高溫下極活潑。硅不溶于鹽酸，硫酸，硝酸及王水，但容易溶于HF-HNO3混合液，后者常用來(lái)作為硅的腐蝕液；硅容易與堿反應(yīng)，可用來(lái)顯示晶體缺陷；硅與金屬作用能生成多種硅化物，可用來(lái)制作大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路內(nèi)部引線、電阻等。硅的能帶結(jié)構(gòu)是典型的多能谷半導(dǎo)體,電子橫向有效質(zhì)量mt＝0.2m0,電子縱向有效質(zhì)量ml＝m0,谷間具有電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)。由于硅是間接躍遷型半導(dǎo)體材料，很少用作發(fā)光器件和激光器件．但可用來(lái)制作壓阻元件、磁阻元件。硅晶體具有灰色金屬光澤，硬而脆，熔點(diǎn)1420度室溫下本征電阻率：2.3×l05cm硅的室溫禁帶寬度為：1.12eV電子遷移率為：1800cm2／V·s本征載流子濃度為1.5×1010cm-3制備本征硅材料，提純需達(dá)到l2個(gè)“9”以上。制作半導(dǎo)體器件時(shí)需要摻雜,可分為三檔：輕摻雜—適用于大功率整流級(jí)單晶；中摻雜—適用于晶體管級(jí)單晶；重?fù)诫s—適用于外延襯底級(jí)單晶。本征載流子濃度隨溫度上升而增加，在250C時(shí)達(dá)到1014cm-3數(shù)量級(jí)，接近雜質(zhì)濃度，器件性能開始變壞，所以器件工作溫度上限為250C左右。硅材料硅材料的主要應(yīng)用制作的半導(dǎo)體器件主要有：晶體二極管、三極管、集成電路(利用整流效應(yīng)、少子注入)、熱敏電阻(利用熱電效應(yīng))、霍爾器件(利用霍爾效應(yīng))、變?nèi)荻O管(利用p-n結(jié)電容效應(yīng))、混頻二極管(利用肖特基勢(shì)壘效應(yīng))、光敏電阻(利用光電效應(yīng))、光電二極管(利用光電導(dǎo)和光伏效應(yīng))、雪崩光電二極管、雪崩渡越二極管(利用p-n結(jié)雪崩倍增效應(yīng))、半導(dǎo)體探測(cè)器(利用光電效應(yīng))、核輻射探測(cè)器(利用本征激發(fā)或雜質(zhì)電離)、晶閘管(利用整流效應(yīng))、太陽(yáng)能電池(利用光生伏特效應(yīng))。近來(lái)稀土摻雜硅材料也取得重要進(jìn)展，如摻鉺硅有發(fā)光現(xiàn)象．并成功研制出發(fā)光二極管，標(biāo)志光電子研究與應(yīng)用中的重大突破。1990年首次在室溫下觀測(cè)到多孔硅的可見光光致發(fā)光，又開始了對(duì)硅光電子集成電路的探索。鍺具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆，室溫本征電阻率為50cm常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，升高溫度時(shí)也易與氧、氯等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱濃硫酸、濃硝酸、王水及HF+HNO3混合酸。鍺與濃堿幾乎不起作用，但很容易溶于H2O2十NaOH混合液。鍺材料室溫下鍺的電子遷移率為3800cm2／V·s室溫下本征載流子濃度為2.4×1013cm-3，禁帶寬度為0.66eV相應(yīng)的器件工作溫度上限約在100C為了得到純凈的本征半導(dǎo)體材料應(yīng)達(dá)到九個(gè)“9”以上的純度，雜質(zhì)原子少于l0-9。鍺經(jīng)化學(xué)提純只達(dá)到4-5個(gè)“9”，還需再進(jìn)行區(qū)熔提純，鍺是最早應(yīng)用區(qū)熔法提純的半導(dǎo)體材料。

根據(jù)鍺的性能也可以制作用硅制作的大部分半導(dǎo)體器件，但是出于硅具有許多優(yōu)良的特性和豐富的資源，目前絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅制造的。盡管如此，鍺器件在一些領(lǐng)域還占有優(yōu)勢(shì)，例如高頻小功率晶體管，特別對(duì)低壓條件鍺材料更有利，還有鍺材料制作的紅外探測(cè)器在紅外檢測(cè)、原子能分析、探礦分析等方面的應(yīng)用都有重要地位。鍺的主要應(yīng)用砷化鎵GaAs為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，密度為5.307g／cm3，主要鍵合形式為共價(jià)鍵，還有離子鍵，鍵長(zhǎng)2.44×10-10m，熔點(diǎn)較高為1238C。GaAs的能帶結(jié)構(gòu)為直接躍遷型,有較高效率的光轉(zhuǎn)換，是制作半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管優(yōu)先選用的材料、而且具有雙能谷，能發(fā)生負(fù)阻現(xiàn)象，可用來(lái)制作耿氏二極管。

GaAs在室溫下禁帶寬度為1.43eV，比Si、Ge寬得多，器件工作溫度達(dá)到450C，可用作高溫、大功率器件。室溫下電子遷移率為8000cm2／V·s，也比Si、Ge高，所以GaAs器件具有高頻、高速特性。

GaAs的電子有效質(zhì)量為0.07m0,比Ge，Si小得多，其禁帶中雜質(zhì)電離能小，器件有良好的低溫特性，也易于制成兼并半導(dǎo)體，宜于制作隧道二極管。通常在GaAs中摻Te、Sn或Si制備N型半導(dǎo)體，摻Zn制備P型半導(dǎo)體，滲Cr、Fe制備半絕緣的高阻GaAs，而半絕緣GaAs是場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成電路的襯底材料。

GaAs單晶的制備有兩個(gè)需要解決的重要問(wèn)題,一是GaAs的合成，二是砷蒸氣壓的控制。80年代初，國(guó)際上發(fā)展不摻雜的GaAs單晶，其熱穩(wěn)定性好，直徑大，而且可控，基本上可滿足現(xiàn)有微電子器件和電路的需要，但在位錯(cuò)密度，均勻性方面還有待提高。GaAs的外延生長(zhǎng)主要用氣相外延和液相外延，而且可以制成異質(zhì)外延、多層、超薄層超晶格等多種結(jié)構(gòu)。根據(jù)GaAs的不同性能，用其制成的光電器件和微波器件得到廣泛的應(yīng)用。晶體的特征是晶格具有周期對(duì)稱性，即長(zhǎng)程有序。不具有長(zhǎng)程有序的物質(zhì)，稱為非晶體。對(duì)非晶半導(dǎo)體的研究始于1950年，先后在硫系玻璃、Ge、Si等元素非晶半導(dǎo)體應(yīng)用研究取得進(jìn)展，并對(duì)非晶半導(dǎo)體電子理論也進(jìn)行了深入研究。目前被研究最多的是以下兩類非晶半導(dǎo)體：

(1)四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體，其中主要有a-Si,a-Ge,a-GaAs,a-GaP等。這類非晶半導(dǎo)體的特點(diǎn)是它們的最近鄰原子配位數(shù)為4，即每個(gè)原子周圍有4個(gè)最近鄰原子。

(2)硫系非晶半導(dǎo)體。這類非晶半導(dǎo)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)。非晶半導(dǎo)體

能帶理論雖然是一個(gè)近似理論，它對(duì)晶態(tài)半導(dǎo)體是比較好的近似。由于非晶態(tài)半導(dǎo)體不存在