半導(dǎo)體材料導(dǎo)論3ppt課件

1、第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能材料學(xué)院徐桂英半導(dǎo)體材料1 半導(dǎo)體材料的特征半導(dǎo)體材料的特征（1在室溫下，它的電導(dǎo)率在在室溫下，它的電導(dǎo)率在10310-9S/cm之間之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W. cm) ； 一般金屬為一般金屬為107104S/cm,而絕緣體則而絕緣體則10-10，最低可達(dá)，最低可達(dá)10-17。同時，同一種半導(dǎo)體材料，因其摻入的雜質(zhì)量不同，可使其電導(dǎo)率在幾個到十幾個同時，同一種半導(dǎo)體材料，因其摻入的雜質(zhì)量不同，可使其電導(dǎo)率在幾個到十幾個數(shù)量級的范圍內(nèi)變化，也可因光照和射線輻照明顯地改變其電導(dǎo)率；而金屬的導(dǎo)電數(shù)量級的范圍內(nèi)變化，也可因光照和射線輻

2、照明顯地改變其電導(dǎo)率；而金屬的導(dǎo)電性受雜質(zhì)的影響，一般只在百分之幾十的范圍內(nèi)變化，不受光照的影響。性受雜質(zhì)的影響，一般只在百分之幾十的范圍內(nèi)變化，不受光照的影響。（2當(dāng)其純度較高時，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升高，它的電導(dǎo)當(dāng)其純度較高時，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升高，它的電導(dǎo)率增大；而金屬導(dǎo)體則相反，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。率增大；而金屬導(dǎo)體則相反，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。（3有兩種載流子參加導(dǎo)電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的有兩種載流子參加導(dǎo)電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的

3、導(dǎo)電，也可載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中是僅靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，則靠正離子以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中是僅靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，則靠正離子和負(fù)離子同時導(dǎo)電。和負(fù)離子同時導(dǎo)電。第一節(jié)：概述1.2半導(dǎo)體材料的類別對半導(dǎo)體材料可從不同的角度進(jìn)行分類例如：根據(jù)其性能可分為高溫半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體、熱電半導(dǎo)體；根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為金剛石型、閃鋅礦型、纖鋅礦型、黃銅礦型半導(dǎo)體；根據(jù)其結(jié)晶程度可分為晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體，但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學(xué)組成的分類，依此可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶

4、半導(dǎo)體三大類，見表1。在化合物半導(dǎo)體中，有機(jī)化合物半導(dǎo)體雖然種類不少，但至今仍處于研究探索階段，所以本書在敘述中只限于無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，簡稱化合物半導(dǎo)體材料。1.2.1 元素半導(dǎo)體已知有12個元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)，它們在元素周期表中的位置如圖1.1所示。從這里也可以看出半導(dǎo)體材料與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。n化合物半導(dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣。n化合物半導(dǎo)體按其構(gòu)成的元素數(shù)量可分為二元、三元、四元等。n按其構(gòu)成元素在元素周期表中的位置可分為III-V 族、II-IV-V族等等。n如果要問哪些化合物是半導(dǎo)體，哪些不是，有沒有規(guī)律性？應(yīng)該回答說，規(guī)律性是有的，但還沒有找到一個嚴(yán)

5、密的公式可以毫無例外地判斷某個化合物是否屬于半導(dǎo)體。n常用的方法是先找到一個已知的化合物半導(dǎo)體，然后按元素周期表的規(guī)律進(jìn)行替換參照圖1.1） 。1.2.2 化合物半導(dǎo)體：u由兩個或兩個以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡稱固溶體或混晶。u因?yàn)椴豢赡茏鞒鼋^對純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要?dú)埩粢欢〝?shù)量的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地?fù)饺胍欢ǖ碾s質(zhì)，在這些情況下，雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量較低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。u另一方面，固溶半導(dǎo)體又區(qū)別于化合物半導(dǎo)體，因后者是靠其價鍵按一定化學(xué)配比所構(gòu)成的。固溶體則在其固溶度范圍內(nèi)

6、，其組成元素的含量可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。u固溶體增加了材料的多樣性，為應(yīng)用提供了更多的選擇性。u為了使固溶體具有半導(dǎo)體性質(zhì)常常使兩種半導(dǎo)體互溶，如Si1-xGex其中x 1)；也可將化合物半導(dǎo)體中的一個元素或兩個元素用其同族元素局部取代，如用Al來局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1-xInxAs1-yPy 等等。u固溶半導(dǎo)體可分為二元、三元、四元、多元固溶體；也可分為同族或非同族固溶體等見表1.1 ）。1.2.3 固溶半導(dǎo)體第二節(jié) 基本原理s = nem (2-1)其中：其中： n為載流子濃度，單位為個為載流子

7、濃度，單位為個/cm3; e 為電子的電荷，單位為為電子的電荷，單位為C庫侖），庫侖），e對所有材料都是一樣，對所有材料都是一樣，e=1.610-19C 。 m為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動速度，單位為為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率電導(dǎo)率s的單位為的單位為S/cm(S為西門子）。為西門子）。我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因：我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因：(2-1)式中的遷移率的差別：而半導(dǎo)體材料的遷移率一般都高于金屬，式中的遷移率的差別：而半導(dǎo)體材料的遷移率一般都高于金屬， 例如金屬銅例如金屬銅的

8、室溫電子遷移率為的室溫電子遷移率為30 cm2/V.s，而硅為，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為，銻化銦則為78000cm2/V.s。n載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個數(shù)量級的原因從載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個數(shù)量級的原因從2-1式看，只式看，只能是載流子濃度的差別。能是載流子濃度的差別。n 在金屬中，價電子全部解離參加導(dǎo)電，例如導(dǎo)電性能好的金屬銅的載流子濃在金屬中，價電子全部解離參加導(dǎo)電，例如導(dǎo)電性能好的金屬銅的載流子濃度為度為8.51022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在1061020/cm3范圍內(nèi)，與范圍內(nèi)，與金屬相

9、差可達(dá)十幾個數(shù)量級。于是，金屬的電導(dǎo)率一般要高于半導(dǎo)體材料是顯而易金屬相差可達(dá)十幾個數(shù)量級。于是，金屬的電導(dǎo)率一般要高于半導(dǎo)體材料是顯而易見的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導(dǎo)電。見的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導(dǎo)電。n既然金屬中的價電子全部參加導(dǎo)電，因此無法再增加載流子，也無法束縛住載流既然金屬中的價電子全部參加導(dǎo)電，因此無法再增加載流子，也無法束縛住載流子，所以金屬的導(dǎo)電率難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻入雜質(zhì)和升溫會在一定程度上子，所以金屬的導(dǎo)電率難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻入雜質(zhì)和升溫會在一定程度上能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。n而半導(dǎo)

10、體的載流子濃度可通過升溫、摻入雜質(zhì)、幅照予以大幅度地增加，使其電而半導(dǎo)體的載流子濃度可通過升溫、摻入雜質(zhì)、幅照予以大幅度地增加，使其電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。n為什么金屬的價電子會全部解離，半導(dǎo)體的價電子只局部解離，而絕緣體又不解為什么金屬的價電子會全部解離，半導(dǎo)體的價電子只局部解離，而絕緣體又不解離？這些將在能帶結(jié)構(gòu)等章節(jié)中加以說明。離？這些將在能帶結(jié)構(gòu)等章節(jié)中加以說明。n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：n一類是價帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；n另一類則在價帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)

11、示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n在導(dǎo)體中：n一類材料是由于電子在價帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個能級上自由流動，這需要的能量非常之??；n另一類材料雖然在價帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價電子很容易從價帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。 早在1879年霍爾(E.H.Hall就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個方向通過電流，在與電流的垂直方向加上磁場(H)，那么在樣品的第三個方向就可以出現(xiàn)電動勢，稱霍爾電動勢，此效應(yīng)稱霍爾效應(yīng)。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理l 負(fù)電荷l 正電荷+dHIx（a負(fù)電荷載流子+dHIx（b正電荷載流子n從這個電位差的正反，

12、就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是洛侖茨力作用的結(jié)果，也就是當(dāng)電流通過磁場時，不管載流子是正還是負(fù)，只要電流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，這就使得載流子的分配偏在同一方向，如圖2.1所示。l 負(fù)電荷l 正電荷+dHIx（a負(fù)電荷載流子+dHIx（b正電荷載流子n顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動勢也不相同?？梢?，霍爾電動勢的方向取決于載流子帶的電荷是正還是負(fù)。n用此法測量金屬時，證明絕大多數(shù)的金屬都是靠帶負(fù)電荷的載流子-電子進(jìn)行導(dǎo)電的。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理2.1.1 存在兩種載流子的證明n從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價鍵后，使某個硅原子中少了一個價電子，從電平衡

13、的角度相當(dāng)于帶一個正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發(fā)生流動，即鄰近原子的價電子跑過來填補(bǔ)這個缺位，而本身又產(chǎn)生一個空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導(dǎo)電的原理。n當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電intrinsic conductivity） ，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體intrinsic semiconductor)。n其特點(diǎn)是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖2.7中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對應(yīng)關(guān)系。圖2.7 硅的本征激發(fā)示意圖利用價鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：利用價鍵理論，可以方便地解

14、釋什么是空穴：以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面 的一些特征列入表的一些特征列入表2.5 中。中。我們可以看出我們可以看出111的面間距是大小交替地存在。在間距大的面上的鍵密度又最小，而的面間距是大小交替地存在。在間距大的面上的鍵密度又最小，而110次之，次之，因此它們之間的結(jié)合力最弱，最容易由此斷開，這種斷裂現(xiàn)象稱為解理。因此它們之間的結(jié)合力最弱，最容易由此斷開，這種斷裂現(xiàn)象稱為解理。在半導(dǎo)體器件工藝中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。在半導(dǎo)體器件工藝中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。硅、鍺的解理面為硅、鍺的解理面為111及及110。 表2.5 金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征

15、利用晶體結(jié)構(gòu)理論解釋具體的各向異性：利用晶體結(jié)構(gòu)理論解釋具體的各向異性：第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能 當(dāng)了解了上一章所述的一些基本概念之后，就可以深入地了解半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，可以理解半導(dǎo)體與導(dǎo)體、絕緣體的本質(zhì)的不同，從而可以認(rèn)識下述的半導(dǎo)體材料的性能以及與之相關(guān)的應(yīng)用。3.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 3.1.1 載流子的來源從上述的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵我們已知道了半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生的機(jī)理。下面我們再把載流子產(chǎn)生的影響因素和載流子在輸運(yùn)過程中的一些問題進(jìn)行闡述，這樣就容易了解半導(dǎo)體導(dǎo)電的過程。n所有材料的導(dǎo)電率s可用下式表達(dá)：ns=nem (2-1)n n其中n為載流子濃度，單位為個/cm3;e 為電子

16、的電荷，單位為C庫侖）；m為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率單位為S/cm(S為西門子）。我們首先研究一下靠熱激發(fā)的本征導(dǎo)電。在一定溫度下，由于電子能量的分布不均勻，一部分原子或分子中的電子由價帶升到導(dǎo)帶上的能級，如圖3.1所示 。這在常溫下只有當(dāng)半導(dǎo)體材料很純、晶體完整性很好時，才能顯示出來。在這種本征導(dǎo)電的情況下，被熱激發(fā)的載流子是成對的，如n表示電子數(shù)、p表示空穴數(shù)，此時： n = p （3-1）當(dāng)溫度明顯地高于絕對零度時，本征激發(fā)的濃度可近似地看作按波爾茲曼的統(tǒng)計分布即： n (p) Aexp-E/2kT (3-2)其中：A為比例常數(shù)；

17、E為禁帶寬(eV)，k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度K）。 圖3.1 本征導(dǎo)電原理示意圖+-電場方向?qū)Ы麕r帶從這里可以看出，半導(dǎo)體材料在特定溫度下，其電阻率是有上限的，即本征電阻率。當(dāng)經(jīng)過提純，使材料的雜質(zhì)濃度低于其本征載流子濃度時，如高純鍺，在此情況下，稱為本征鍺。這時，室溫電阻率就不能隨雜質(zhì)濃度的進(jìn)一步降低而增高，因此不能對應(yīng)地反映材料的純度。這就需進(jìn)行低溫測量。但對一些禁帶寬度較大的材料如硅，至今尚未能提純到本征純度。 表3.1 室溫下幾種材料的本征性質(zhì)材料本征電阻率（Wcm）本征載流子濃度（個/cm3)Ge472.41013Si2.31051.451010GaAs1081.7910

18、6 在室溫下幾種半導(dǎo)體材料的本征性質(zhì)如表3.1所示。其中，本征電阻率是指當(dāng)材料很純時，僅由本征激發(fā)時所形成的電阻率。另一種導(dǎo)電機(jī)制是靠電活性雜質(zhì)形成的載流子導(dǎo)電，這種導(dǎo)電稱為雜質(zhì)導(dǎo)電。其原理如圖3.2所示。施主雜質(zhì)：以雜質(zhì)導(dǎo)電為主的、能向?qū)ж暙I(xiàn)電子的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)。對IV族元素半導(dǎo)體而言，V族元素就是施主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)：從價帶俘獲電子，而在價帶形成空穴的雜質(zhì)稱為 受主雜質(zhì)。對IV族素半導(dǎo)體而言，III族元素就是受主雜質(zhì)。電離能：施主或受主分別向?qū)Щ騼r帶釋放電子或空穴所需的能量稱為電離能，分別用ED、 EA表示見圖3.2）。圖3.2 雜質(zhì)導(dǎo)電示意圖+-電場方向?qū)Ы麕r帶+ + +- -

19、DEDDEV施主能級受主能級雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)導(dǎo)電:n淺施主或淺受主：其電離能比較小（ T1 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體低溫高溫I外部負(fù)載金屬導(dǎo)流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖3.11 半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(a) 熱電電勢；(b) n型和p型半導(dǎo)體受熱后的載流子分布(T2T1)n在實(shí)際中利用這個現(xiàn)象可測量半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。n如果我們將熱端放到pn結(jié)處，如圖3.11(a)，則p 型冷端的正電位和n型冷端的負(fù)電位相加而形成熱電動勢。n而金屬的熱電效應(yīng)則只利用不同金屬的逸出功見3.3 節(jié)不同及電子密度不同而形成。T2 T1 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體低溫高溫I外部負(fù)載金屬導(dǎo)流片（a）+T2T1nT2T

20、1p+（b）圖3.11 半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(a) 熱電電勢；(b) n型和p型半導(dǎo)體受熱后的載流子分布(T2T1)我們再看看半導(dǎo)體的帕爾帖效應(yīng)。圖3.12所示為其原理。從圖a可以看出，當(dāng)電流從n區(qū)進(jìn)入p區(qū)時，在pn結(jié)1處的載流子不斷地流走，因此需要相應(yīng)地產(chǎn)生新的載流子，為此需要消耗能量，如圖b所示，這就使溫度降低。當(dāng)載流子流向pn結(jié)2處時，兩種載流子是相迎地運(yùn)動著，它就產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，從而放出能量，如圖b所示，使溫度升高。這些效應(yīng)是半導(dǎo)體致冷與半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換應(yīng)用的基礎(chǔ)。圖3.12 半導(dǎo)體材料的波爾帖效應(yīng)示意圖(a) pn結(jié)處的載 流子的活動；(b) 載流子的能量變化 n根據(jù)量子力學(xué)的概念，具有一定波長的光具有能量hn，其中h為普朗克常數(shù)，n為光波的頻 率。當(dāng)h