第九章-半導(dǎo)體材料

1、第九章-半導(dǎo)體材料 物質(zhì)按其導(dǎo)電的難易程度可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 半導(dǎo)體材料的種類(lèi)繁多，按其成分，可分為由同一種元素組成的元素半導(dǎo)體和由兩種或兩種以上元素組成的化合物半導(dǎo)體；按其結(jié)構(gòu)，可分為單晶態(tài)、多晶態(tài)和非晶態(tài)；按物質(zhì)類(lèi)別，可分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料；按其形態(tài)，可分為塊體材料和薄膜材料；按其性能，多數(shù)材料在通常狀態(tài)下就呈半導(dǎo)體性質(zhì)，但有些材料需在特定條件下才表現(xiàn)出半導(dǎo)體性能。半導(dǎo)體主要分為無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體兩類(lèi)。9.19.1半導(dǎo)體材料分類(lèi)半導(dǎo)體材料分類(lèi)9.19.1半導(dǎo)體材料分類(lèi)半導(dǎo)體材料分類(lèi)9.19.1半導(dǎo)體材料分類(lèi)半導(dǎo)體材料分類(lèi)9.1.1 9.

2、1.1 元素半導(dǎo)體元素半導(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12種，但其中S、P、As、Sb和I不穩(wěn)定，易揮發(fā)；灰Sn在室溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榘譙n，已是金屬；B、C的熔點(diǎn)太高，不易制成單晶；Te十分稀缺，因此具備實(shí)用價(jià)值的元素半導(dǎo)體材料只有Si、Ge和Se。9.1.2 9.1.2 固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體 元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體相互溶解而成的半導(dǎo)體材料稱(chēng)為固溶體半導(dǎo)體。其重要特性是禁帶寬度隨固溶度的成分變化，因此可利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體。9.19.1半導(dǎo)體材料分類(lèi)半導(dǎo)體材料分類(lèi)9.1.3 9.1.3 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 非晶態(tài)物質(zhì)的特征是長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序，

3、也叫無(wú)定形物質(zhì)。在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但在達(dá)到一定值得外界條件（如電場(chǎng)、光、溫度等）時(shí)，就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱(chēng)之為非晶態(tài)半導(dǎo)體。9.1.4 9.1.4 有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體 有機(jī)化合物是指有碳鍵的化合物，其晶格是分子晶格，分子間為范德華力相互作用，分子間價(jià)電子的共用化幾乎不可能，因此呈現(xiàn)優(yōu)良的絕緣性能。9.2 9.2 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合9.2.1 9.2.1 金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu)是一種由相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格。元素半導(dǎo)體Si、Ge、-Sn都具有金剛石結(jié)構(gòu)。如圖所示，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

4、個(gè)面心，還有4個(gè)分別在4條對(duì)角線距頂角原子相距1/4對(duì)角線長(zhǎng)度。9.2 9.2 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合9.2.2 9.2.2 閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu) 亦稱(chēng)立方ZnS結(jié)構(gòu)，如圖所示，它是由兩種不同元素的原子分別組成面心晶格套構(gòu)而成，套構(gòu)的相對(duì)位置與金剛石結(jié)構(gòu)相對(duì)位置相同。也具有四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子有4個(gè)異類(lèi)原子文最鄰近、后者位于四面體的頂點(diǎn)，具有立方對(duì)稱(chēng)性。9.2 9.2 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合9.2.3 9.2.3 纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu) 亦稱(chēng)六方硫化鋅，如圖。它是由兩種不同元素的原子分別組成hcp晶格適當(dāng)位錯(cuò)套構(gòu)而成的，并且也有四面體結(jié)構(gòu)，具有六方對(duì)稱(chēng)

5、性。9.2 9.2 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與鍵合9.2.4 9.2.4 氯化鈉結(jié)構(gòu)氯化鈉結(jié)構(gòu) 是由兩種不同元素原子分別組成的兩套面心立方格子沿1/2100方向套構(gòu)而成的，如圖。這兩種元素的電負(fù)性又顯著的差別，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。具有氯化鈉結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料主要有CdO、PbS、PbSe、SnTe等。 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(chēng)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，電子和空穴具有不同符號(hào)的電荷。固體物理學(xué)中常用能帶來(lái)表示電子的各種行為。通常把能帶

6、、禁帶寬度以及電子填充能帶的情況統(tǒng)稱(chēng)為能帶結(jié)構(gòu)。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)，但兩者所獲平均漂移速度不同，即電子遷移率大于空穴遷移率，而總導(dǎo)電作用為兩者之和。單位電場(chǎng)下載流子漂移的速度稱(chēng)為載流子的遷移率。它是反映半導(dǎo)體中載流子的導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，而且直接決定著載流子運(yùn)動(dòng)的快慢，它對(duì)半導(dǎo)體器件的工作速度有直接的影響。 若兩種晶格結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相近，但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體長(zhǎng)在一起形成結(jié)，則稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)。若結(jié)兩側(cè)材料導(dǎo)帶類(lèi)型相同稱(chēng)為同型異質(zhì)結(jié)；若不相同稱(chēng)為異型異質(zhì)結(jié)。9.29.2半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)：光照射在半導(dǎo)體上，光子能量

7、會(huì)被半導(dǎo)體吸收，其中最主要的過(guò)程是本征吸收其發(fā)生條件式光子能量大于禁帶寬度；光導(dǎo)電效應(yīng)，在光的照射下，使半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光導(dǎo)電效應(yīng)，按其發(fā)生機(jī)制可以分為本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。為了使半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)激光。 需滿(mǎn)足以下三個(gè)基本條件：（1）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，使受激發(fā)射占優(yōu)勢(shì)，常用p-n結(jié)注入法來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）存在光學(xué)諧振腔，產(chǎn)生激光震蕩，因?yàn)槭芗ぽ椛涞某跏脊庾觼?lái)源于材料中的自發(fā)輻射，而自發(fā)輻射產(chǎn)生的一些光子之間頻率、相位、出射方向都互不相同，將它們放大，則得不到激光。（3）滿(mǎn)足閾值電流密度，使倍增持續(xù)，因?yàn)榧す獍l(fā)生過(guò)程中除了有光子數(shù)倍增因素外，還有諧振腔的透射和吸收、材料不均勻性

8、引起的散射等因素使光子數(shù)減少，只有倍增大于損耗，才能使倍增持續(xù)下去，當(dāng)滿(mǎn)足閾值電流密度時(shí)，增益會(huì)大于損耗，倍增則持續(xù)。9.39.3半導(dǎo)體的光、熱、電、磁性質(zhì)半導(dǎo)體的光、熱、電、磁性質(zhì) 半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)：半導(dǎo)體也具有賽貝爾效應(yīng)，當(dāng)金屬和半導(dǎo)體兩個(gè)接觸點(diǎn)之間有溫度差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)榈陀趐型半導(dǎo)體，高溫處空穴濃度高于低溫處，形成空穴濃度梯度，同時(shí)高溫處空穴運(yùn)動(dòng)速度也較高，則空穴向低溫處擴(kuò)散，并在低溫處累積而帶正電荷，則高溫處則帶負(fù)電荷，這樣產(chǎn)生的電場(chǎng)又引起空穴流，最后和擴(kuò)散流之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。半導(dǎo)體也具有波爾帖效應(yīng)。 半導(dǎo)體的磁電效應(yīng)：磁阻效應(yīng)，在通電的半導(dǎo)體上加磁場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體的電阻將會(huì)發(fā)生

9、變化。熱磁效應(yīng)，當(dāng)電場(chǎng)和溫度梯度兩者同時(shí)存在時(shí)，加上磁場(chǎng)所引起的現(xiàn)象。光磁電效應(yīng)，在垂直光照方向加上磁場(chǎng)，則由于羅倫磁力作用，電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起與霍爾效應(yīng)類(lèi)似的效應(yīng)，在橫向方向引起電場(chǎng)，產(chǎn)生電勢(shì)差。9.39.3半導(dǎo)體的光、熱、電、磁性質(zhì)半導(dǎo)體的光、熱、電、磁性質(zhì) 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認(rèn)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)都有重要影響。 按雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體中存在的方式，可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是單個(gè)原子，另一類(lèi)是它們與其他雜質(zhì)缺陷的復(fù)合體。而以單個(gè)原子存在的位置又可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是替代式，另一類(lèi)是間隙式。按

10、雜質(zhì)原子對(duì)半導(dǎo)體材料電場(chǎng)性質(zhì)的影響，又可以分為5類(lèi)：受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、兩性雜質(zhì)、中性雜質(zhì)的影響，所以雜質(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)。9.4 9.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)半導(dǎo)體晶體中的點(diǎn)缺陷有肖特基缺陷、填隙原子缺陷和弗倫克爾缺陷等，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的根源是熱運(yùn)動(dòng)，也稱(chēng)為是熱缺陷。位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響表現(xiàn)在對(duì)刃型位錯(cuò)存在一串原子帶有未飽和的懸掛鍵，可起施主或受主作用（與單晶類(lèi)型有關(guān)），使材料電阻率改變。位錯(cuò)還會(huì)影響遷移率和電導(dǎo)率，并具有明顯的方向性。位錯(cuò)的存在還會(huì)改變少數(shù)載流子的壽命。堆垛層錯(cuò)可以引起雜質(zhì)不規(guī)則擴(kuò)散和不均勻分布，使器件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，

11、引起漏電流增大，二次擊穿，局部擊穿甚至短路。層錯(cuò)也成為重金屬等有害雜質(zhì)聚集、沉淀核心，引起擊穿。層錯(cuò)害成為載流子的復(fù)合中心和散射中心，使少數(shù)載流子壽命和遷移率下降，使器件放大系數(shù)下降，增大反向電流和正向壓降，降低截止頻率。9.5 9.5 元素半導(dǎo)體中的缺陷元素半導(dǎo)體中的缺陷9.6.19.6.1硅材料硅材料硅是當(dāng)前最重要、產(chǎn)量最大、發(fā)展最快、用途最廣的半導(dǎo)體材料，95%以上的半導(dǎo)體器件是用硅材料制作。9.6.29.6.2鍺材料鍺材料鍺也是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆，室溫本征電阻率為500。室溫下化學(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混合物。鍺也是間接躍遷移型半導(dǎo)體。9.6 9.6 典型的半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體材料9.6.39.6.3砷化鎵材料砷化鎵材料 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，熔點(diǎn)較高為1238，它具有非中心對(duì)稱(chēng)性，對(duì)晶體的解理性、表面腐蝕