半導(dǎo)體材料-課件

半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1Contents第一章半導(dǎo)體材料綜述第二章基本原理第三章半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能第四章對半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求第八章半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望第七章半導(dǎo)體材料的應(yīng)用第五章半導(dǎo)體材料的制備第六章一些主要的半導(dǎo)體材料參考書：半導(dǎo)體材料作者：楊樹人

王兢出版社：

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第一章半導(dǎo)體材料綜述

第一章半導(dǎo)體材料綜述3第一章：半導(dǎo)體材料綜述

半導(dǎo)體已成為家喻戶曉的名詞，收音機(jī)是半導(dǎo)體的、電視機(jī)是半導(dǎo)體的、計(jì)算器及計(jì)算機(jī)也是半導(dǎo)體的。那么哪些是半導(dǎo)體材料？它有哪些特征？1半導(dǎo)體材料的特征半導(dǎo)體材料在自然界及人工合成的材料中是一個(gè)大的部類。顧名思義，半導(dǎo)體在其電的傳導(dǎo)性方面，其電導(dǎo)率低于導(dǎo)體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在103~10-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W.cm)；

一般金屬為107~104S/cm,而絕緣體則<10-10，最低可達(dá)10-17。同時(shí)，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(gè)到十幾個(gè)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。第一章：半導(dǎo)體材料綜述半導(dǎo)體已成為4（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，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。（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，則靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升51.2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6表1.1半導(dǎo)體材料分類及其開發(fā)情況*此處所列子項(xiàng)只舉其中重要者，并未完全列出。表1.1半導(dǎo)體材料分類及其開發(fā)情況*此處所列子項(xiàng)只舉其中71.2.1元素半導(dǎo)體已知有12個(gè)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。處于III-A族的只有硼，其熔點(diǎn)高(2300oC)，制備單晶困難，而且其載流子遷移率很低，對它研究的不多，未獲實(shí)際應(yīng)用。IV-A族中第一個(gè)是碳，它的同素異形體之一金剛石具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，但制備單晶困難，是目前研究的重點(diǎn)；石墨是碳的另一個(gè)同素異形體，系層狀結(jié)構(gòu)，難以獲得單晶，故作為半導(dǎo)體材料未獲得應(yīng)用。IV-A族的第二個(gè)元素是硅，具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，是現(xiàn)代最主要的半導(dǎo)體材料。再往下是鍺，它具有良好的半導(dǎo)體的性質(zhì)，是重要的半導(dǎo)體材料之一。錫在常溫下的同素異形體為b-Sn，屬六方晶系，但在13.2oC以下可變?yōu)榱⒎骄祷义a（a-Sn）。灰錫具有半導(dǎo)體性質(zhì)，屬立方晶系。在從b-Sn轉(zhuǎn)化為a-Sn的過程中，體積增大并變粉末，故難以在實(shí)際中應(yīng)用。1.2.1元素半導(dǎo)體8圖1.1元素半導(dǎo)體在周期表中的位置B硼C碳Si硅Sb銻S硫Sn錫Ge鍺As砷P磷Te碲Se硒I碘圖1.1元素半導(dǎo)體在周期表中的位置B硼C碳Si硅Sb銻S硫S9在磷的同素異形體中，只有黑磷具有半導(dǎo)體性質(zhì)，由于制備黑磷及其單晶的難度較大，未獲工業(yè)應(yīng)用。砷的同素異形體之一的灰砷具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但由于制備單晶困難，且其遷移率較低，故未獲應(yīng)用。銻的同素異形體之一的黑銻具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但它在0oC以上不穩(wěn)定，亦未獲應(yīng)用。硫的電阻率很高，屬絕緣體，但它具有明顯的光電導(dǎo)性質(zhì)。硫作為半導(dǎo)體材料還未獲得應(yīng)用。硒的半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)現(xiàn)得很早，現(xiàn)用于制作整流器、光電導(dǎo)器件等。碲的半導(dǎo)體性質(zhì)已有較多的研究，但因尚未找到n型摻雜劑等原因，未得到應(yīng)用。在磷的同素異形體中，只有黑磷具有半導(dǎo)體性質(zhì)，由于制備黑磷及其10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?；衔锇雽?dǎo)體按其構(gòu)成的元素?cái)?shù)量可分為二元、三元、四元等。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。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(gè)嚴(yán)密的公式可以毫無例外地判斷某個(gè)化合物是否屬于半導(dǎo)體。常用的方法是先找到一個(gè)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：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。11例如我們看砷化鎵：它是半導(dǎo)體，如果把Ga下面的In替換鎵，就變成InAs，也是半導(dǎo)體，同樣，如果把As替換成P或Sb，同樣也是半導(dǎo)體。這種替換是垂直方向的，它服從周期表的規(guī)律，即從上往下金屬性變強(qiáng)，最后就不是半導(dǎo)體了。也可以在周期表中進(jìn)行橫向置換，仍以GaAs為中心，Ga向左移變成Zn，As向右移變成Se，ZnSe是半導(dǎo)體。這些置換都要注意原子價(jià)的平衡。在垂直移動時(shí)，原子價(jià)不發(fā)生變化，但在橫向移動時(shí)，就要考慮兩個(gè)元素同時(shí)平移。同時(shí)在原子價(jià)總和不變的前提下也可以用兩元素取代一個(gè)，例如ZnSe，Zn是二價(jià)，與可以用其左右的Cu與Ga取代，即CuGaSe2也是半導(dǎo)體材料。這樣可以導(dǎo)出三元化合物半導(dǎo)體。另外可用莫塞（Mooser）-皮爾猻（Pearson）法則來進(jìn)行推算，此法能預(yù)測大多數(shù)化合物是否具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但對某些化合物，如金屬的硼化物的判斷就不夠準(zhǔn)確。例如我們看砷化鎵：它是半導(dǎo)體，如果把Ga下面的In替換鎵，就12由兩個(gè)或兩個(gè)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。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。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(jià)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)，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。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。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(gè)元素或兩個(gè)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。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)體由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具13首先發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)的是法拉第。1833年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)a-Ag2S被加熱時(shí)，它的電阻率急劇下降，這和金屬的性質(zhì)完全相反；而且他還預(yù)言，如果要尋找的話，會有更多的物質(zhì)具有這種類似的性質(zhì)。40年后，1873年史密斯（W.Smith）發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)現(xiàn)象，而布朗（F.Braund）于1874年發(fā)現(xiàn)了硫化鉛與硫化鐵具有整流現(xiàn)象。后來發(fā)現(xiàn)一些其他的材料，如金屬的硫化物、氧化物以及金屬硅等有這種性質(zhì)。隨后開始了光電導(dǎo)器件的制備與應(yīng)用。到了1906年鄧伍迪（H.Dunwoody）發(fā)明了碳化硅的檢波器，從而開始了半導(dǎo)體在無線電方面的應(yīng)用。隨后發(fā)現(xiàn)硅、方鉛礦、黃銅礦、蹄鉛礦等都可以作檢波器。但很快這方面的應(yīng)用被電子管取代了，因?yàn)殡娮庸芗瓤梢宰鞒啥O管用于檢波，也可作成三極管用于放大與振蕩。硒整流器和氧化亞銅整流器先后于20世紀(jì)20年代開始用于生產(chǎn)，部分地取代了水銀整流器或電動機(jī)--發(fā)電機(jī)整流器，從此半導(dǎo)體材料得到初步的工業(yè)應(yīng)用。不論作光導(dǎo)二極管、檢波器，還是作整流器，在這個(gè)階段，所用的半導(dǎo)體材料都是從自然界直接采集的，或者取自工業(yè)上的通用產(chǎn)品，均未經(jīng)專門的提純與晶體制備過程。1.3半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡史首先發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)的是法拉第。1833年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)a-Ag214在第二次世界大戰(zhàn)期間，英美曾聯(lián)合研制雷達(dá)以抵御德國的空襲。由于雷達(dá)朝高頻率方向發(fā)展，其檢波方面的要求已超出了當(dāng)時(shí)電子管的極限，于是想到了原來在無線電中所使用的晶體檢波器。開始是用工業(yè)硅作出的，它可以在雷達(dá)的頻率下正常工作，但是它的一致性與可靠性卻滿足不了要求。改進(jìn)的第一步是用提純過的硅粉經(jīng)熔化摻雜后鑄錠，用它作出的檢波器的性能得到了改善，從而激勵了研究提純硅技術(shù)的積極性，其中杜邦公司的四氯化硅鋅還原法得到了發(fā)展。與硅研究的同時(shí)，鍺檢波器也得到了發(fā)展，主要是用鍺烷熱分解法或用偏析法進(jìn)行提純，獲得了具有良好的耐高壓的晶體二極管。在第二次世界大戰(zhàn)期間，英美曾聯(lián)合研制雷達(dá)以抵御德國的空襲。由15第二次世界大戰(zhàn)證實(shí)了電子設(shè)備在戰(zhàn)爭中的巨大作用，同時(shí)也暴露了以電子管為基礎(chǔ)的電子設(shè)備的一系列的缺點(diǎn)，諸如其重量大、耗電高、啟動慢、怕震動等。人們自然就會想到，既然用半導(dǎo)體二極管可替代真空二極管，那么能否作出半導(dǎo)體器件來取代真空三極管？這就是晶體管發(fā)明的歷史背景。為了研制這種器件，開始使用制作整流器常用的氧化亞銅作半導(dǎo)體材料，沒有獲得成功，后來改用鍺，于1947年12月制出了第一個(gè)晶體管，自此揭開了電子學(xué)的新篇章。當(dāng)時(shí)所用的是鍺的多晶錠，它是經(jīng)過偏析法提純的，其電阻率為109(W.cm)，它的純度約為6個(gè)“9”。正是由于上述的雷達(dá)發(fā)展所引起的半導(dǎo)體材料的進(jìn)步，給晶體管發(fā)明提供了前提條件。第二次世界大戰(zhàn)證實(shí)了電子設(shè)備在戰(zhàn)爭中的巨大作用，同時(shí)也暴露了16為了提高晶體管的性能及改善其生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在半導(dǎo)體材料的制備方面實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)突破。1950年，由蒂爾（G.Teal)等用喬赫拉斯基法（直拉法）首先拉制出鍺單晶。1952年由蒲凡（W.Pfann）發(fā)明了區(qū)熔提純法，使鍺能提純到本征純度。這兩項(xiàng)成果的應(yīng)用滿足了晶體管的工業(yè)化生產(chǎn)的要求，也使半導(dǎo)體鍺材料的制造能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，這兩項(xiàng)突破構(gòu)成了半導(dǎo)體材料制備工藝的基礎(chǔ)，即超提純與晶體制備。半導(dǎo)體材料--課件17硅的優(yōu)異性能早已被人們所注意，但上述的杜邦法在純度上滿足不了半導(dǎo)體器件的要求，又因硅在熔點(diǎn)下性質(zhì)活潑，難以找到偏析或區(qū)熔提純所用的容器材料。但鍺提純的成功，以及純度對晶體管的重要性推動了人們?nèi)ソ鉀Q硅的提純技術(shù)。1956年西門子公司（Simens）研究成功了三氯氫硅氫還原法使硅中有害雜質(zhì)含量降到10-9級或更低，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。用這種多晶硅作原料，用直拉法制出的單晶用作晶體管已顯示出許多優(yōu)越性，但還滿足不了大功率的電力電子器件整流器與晶閘管等的要求。曾于1952發(fā)明的懸浮區(qū)熔法，用這種高純多晶硅棒作原料，可得出純度很高的硅單晶。用這種單晶，成功地制出大功率的電力電子器件。1958年發(fā)明的集成電路是電子學(xué)的又一次革命，同時(shí)它給硅的發(fā)展帶來新的推動，使硅的工藝在單晶的大直徑、高完整性、雜質(zhì)可控等方面取得顯著的進(jìn)步，使硅片精密加工工藝也得到巨大的發(fā)展。硅的優(yōu)異性能早已被人們所注意，但上述的杜邦法在純度上滿足不了18在研究硅、鍺材料的同時(shí)，人們還努力尋找別的半導(dǎo)體材料。早在1952年，德國人威克爾（H.Welker）就系統(tǒng)地研究了III-V族化合物半導(dǎo)體的性質(zhì)。在50年代后期加強(qiáng)了對砷化鎵等材料的研究。這時(shí)用于合成化合物的組成元素都已能提純到很高的純度。但是大多數(shù)化合物半導(dǎo)體在其熔點(diǎn)下，都有一定的分解壓。針對這一特點(diǎn)，多使用水平布里吉曼法生長單晶，后來又開發(fā)了幾種改進(jìn)的直拉法，如液封直拉法等。微波器件以及光電子器件等方面的發(fā)展進(jìn)一步推動了化合物半導(dǎo)體晶體材料朝著高純度、高完整性、大直徑等方向發(fā)展，得到應(yīng)用的化合物半導(dǎo)體的品種也隨之增多。在研究硅、鍺材料的同時(shí)，人們還努力尋找別的半導(dǎo)體材料。19薄膜在半導(dǎo)體材料中占有重要的地位。在熔體生長單晶的方法出現(xiàn)不久，就開始了汽相生長薄膜的工作。但直到硅晶體管的平面工藝出現(xiàn)以后，硅的外延生長才被提上了日程，因?yàn)檫@種器件要求在一個(gè)有一定的厚度的低電阻率的硅片上，有一較高電阻率單晶的薄層。發(fā)展起來的化學(xué)汽相外延法，一直到今天仍舊是生產(chǎn)硅外延片的唯一的方法。外延技術(shù)給化合物半導(dǎo)體解決了一系列晶體制備的難題，包括提高純度、降低缺陷、改善化學(xué)配比、制作固溶體或異質(zhì)結(jié)等。一些微波二極管、激光管、發(fā)光管、探測器等，都是在外延片上作成的。除采用化汽相外延法外，又于1963年開發(fā)成功了液相外延，不久又出現(xiàn)了金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延等。1969年在美國工作的江畸玲于奈和朱肇祥首先提出了超晶格的概念，用當(dāng)時(shí)的晶體生長與外延技術(shù)是生長不出這種材料的，因?yàn)樗蟛牧嫌性蛹壍木?。為此研究成功了分子束外延，用此方法?972年生長出超晶格材料。從此開始了半導(dǎo)體的性能在微觀尺度上的可剪裁階段。薄膜在半導(dǎo)體材料中占有重要的地位。20半導(dǎo)體的非晶及納米晶材料也得到了應(yīng)用。1975年英國人斯皮爾（W.Spear）在硅烷氣體中進(jìn)行輝光放電，所得非晶硅薄膜可進(jìn)行摻雜，現(xiàn)在這種方法已成為生產(chǎn)非晶硅薄膜的主要工藝。用上述輝光放電化學(xué)汽相沉積法以及微波激勵化學(xué)汽相沉積、磁控濺射等方法可獲得納米級的微晶半導(dǎo)體材料。這種材料已初步顯示了它們的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體的非晶及納米晶材料也得到了應(yīng)用。211.4半導(dǎo)體材料的現(xiàn)狀現(xiàn)在已在工業(yè)上得到應(yīng)用并能批量供應(yīng)的半導(dǎo)體晶體材料有硅、鍺、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦、磷化銦、銻化鎵及碲化鎘等。批量供應(yīng)的外延片除硅、砷化鎵和磷化鎵的同質(zhì)外延片外，還有一些III-V族固溶體（如GaAsP)，II-VI族固溶體（如HgCdTe）等。正在研究開發(fā)中的有III-V族、II-VI族的量子阱超晶格材料，以及一些難以制備的金剛石、碳化硅、硒化鋅等薄膜材料。非晶硅薄膜材料已大批量地生產(chǎn)。目前產(chǎn)量最大的是半導(dǎo)體硅材料，現(xiàn)在每年生產(chǎn)約1萬噸多晶硅。用它制成約4000余噸單晶硅，半導(dǎo)體鍺材料在100t左右，化合物半導(dǎo)體材料為幾十噸。這些材料雖然比鋼鐵、鋁材、銅材、塑料的產(chǎn)量與產(chǎn)值都低，但以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)卻是世界上最龐大的產(chǎn)業(yè)之一。同時(shí)半導(dǎo)體已應(yīng)用到社會生活的各個(gè)方面，改善著人類生活的面貌，從這個(gè)意義上講，把我們的時(shí)代稱為硅的時(shí)代是合適的。現(xiàn)在我們從信息、能源、材料這世界文明的三大支柱中看看半導(dǎo)體材料的地位。1.4半導(dǎo)體材料的現(xiàn)狀221.4.1信息技術(shù)的主體信息技術(shù)的發(fā)展日新月異、五花八門，令人眼花繚亂，但從其功能而言，可以分為信息的獲取與轉(zhuǎn)換、信息的傳遞、信息的處理、信息的存儲、信息的顯示?，F(xiàn)在我們從這幾方面看看半導(dǎo)體材料所起的作用。（1）信息的獲取與轉(zhuǎn)換。各種信息源的信息是以它本身的形態(tài)存在的，人類可以通過自己的感官感知其中的一部分。如果作為信息技術(shù)的信息來源，則必需把這些信息變成信息技術(shù)所能接受的形態(tài)，在大多數(shù)的情況下是變成電信號，于是各種傳感器就應(yīng)運(yùn)而生。用作傳感材料的有半導(dǎo)體材料、金屬材料、無機(jī)材料、有機(jī)材料、生物材料等。其中半導(dǎo)體材料占主要地位，因?yàn)榘雽?dǎo)體傳感器材料容易和信號的放大裝置（這些裝置的主要部件都是用半導(dǎo)體材料作成的）相銜接。已使用的有硅制光敏器制壓敏器件：硒、硫化鎘制光敏器件；砷化鎵、銻化銦制磁敏器件等等。（2）信息的傳遞。包括振蕩、放大、發(fā)射、接受。在這方面主要的有源元件幾乎都是用半導(dǎo)體材料作成的，例如晶體二極管、晶體三極管、微波二極管、激光二極管、光電晶體管及各種集成電路等。1.4.1信息技術(shù)的主體23（3）信息的處理。電腦是信息處理的主要設(shè)備，而電腦的核心部分是由半導(dǎo)體集成電路及半導(dǎo)體器件構(gòu)成的。（4）信息的存儲。所用的材料有磁性材料、光磁盤材料、光盤材料、半導(dǎo)體材料等，半導(dǎo)體存儲器則構(gòu)成電腦的內(nèi)存儲，為電腦運(yùn)算直接提供信息。（5）信息的信息的顯示。信息顯示是人機(jī)對話的主要手段?，F(xiàn)在陰極射線管是顯示的主要設(shè)備，這是真空電子設(shè)備，但是驅(qū)動顯示的仍是半導(dǎo)體的元器件。由半導(dǎo)體發(fā)光二極管構(gòu)成的指示燈、數(shù)碼管和顯示屏已大量應(yīng)用。另一種正在發(fā)展中的平面顯示屏，則是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的薄膜晶體管驅(qū)動的液晶顯示?？傊?，在信息技術(shù)中，半導(dǎo)體材料起著決定性的作用。（3）信息的處理。電腦是信息處理的主要設(shè)備，而電腦的核心部分241.4.2能源技術(shù)的巨匠人類在能源方面所面臨的問題一方面是隨著社會的發(fā)展與人口的增多，所需的能源日益增多，其中大部分是來自非再生性能源如煤、石油、天然氣等；另一方面用這些材料生產(chǎn)能源時(shí)，會造成環(huán)境污染與生態(tài)的破壞。太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，只有半導(dǎo)體也就是太陽電池可以把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能?，F(xiàn)在太陽電池的年產(chǎn)量約為126MW(1997年統(tǒng)計(jì)數(shù)），目前還主要用于燈塔、無人中繼微波站、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電等?，F(xiàn)在正在為降低太陽電池的成本、提高轉(zhuǎn)換效率而進(jìn)行研究開發(fā)，并已取得明顯的成效。據(jù)測算，如果大規(guī)模地使用太陽電池，只需占用地球荒漠的土地的4%，就可以滿足世界能源的需要。另一個(gè)設(shè)想的方案是把太陽電池發(fā)射到太空，然后再將所得的電能用微波傳送到地面，便可獲得巨大的能源，滿足世界日益增長的能源需要。1.4.2能源技術(shù)的巨匠25溫差發(fā)電用的半導(dǎo)體熱電材料可以直接把各類熱源直接轉(zhuǎn)換成電，并已成功應(yīng)用于深空探測、各類余熱廢熱的利用等方面。能源的節(jié)約也是非常重要的方面。半導(dǎo)體在這方面起著首要的作用。例如對遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜輸電等采用交流電先變成直流電，輸電后再把直流變成交流的這個(gè)稱之為“交直交”系統(tǒng)，比使用交流輸電具有造價(jià)低、可靠性高、線路損耗低等優(yōu)點(diǎn)。這種“交直交”的變換都是靠半導(dǎo)體的電力電子器件來完成的。采用半導(dǎo)體器件進(jìn)行工業(yè)設(shè)備的調(diào)節(jié)可節(jié)電10%~40%。例如在一臺5600kW的交流傳動車上采用先進(jìn)的半導(dǎo)體器件GTO調(diào)控，一年可節(jié)電150萬度。溫差發(fā)電用的半導(dǎo)體熱電材料可以直接把各類熱源直接轉(zhuǎn)換成電，并261.4.3材料中的先鋒在新材料中，半導(dǎo)體材料已獲得廣泛的應(yīng)用，而且其科學(xué)技術(shù)發(fā)展快，需求增長快，對人類的社會生活各個(gè)方面都有顯著影響。半導(dǎo)體材料對材料科學(xué)與工程的發(fā)展與進(jìn)步起著重要的作用，這表現(xiàn)在以下方面。（1）制備出最大的單晶。目前生產(chǎn)的硅單晶直徑可達(dá)200mm，少量的已達(dá)300mm，直徑600mm的單晶已拉制出來，單晶的重量已超過100kg。每年生產(chǎn)的半導(dǎo)體單晶超過4000t以上。這是任何其他材料所不能比擬的。（2）制備出最純的物質(zhì)?，F(xiàn)在最純的物質(zhì)要算超高純鍺，它的凈載流子濃度可達(dá)1.0×109cm-3，其純度至個(gè)少在12個(gè)“9”以上。（3）中子嬗變技術(shù)的應(yīng)用。中子嬗變是一種核反應(yīng)，它將一種元素變成另一種元素。將這種20世紀(jì)的新技術(shù)用到了半導(dǎo)體的摻雜，生產(chǎn)出高均勻性的單晶硅，同時(shí)也是中子嬗變技術(shù)的最大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。1.4.3材料中的先鋒27（4）高精度加工工藝。超大規(guī)模集成電路等高集成度電路對半導(dǎo)體晶片的加工精度有很高的要求。例如對直徑200mm的硅拋光片的平坦度要求小于3mm，這猶如一個(gè)足球場上的最高處與最低處相差僅差7cm！尺寸不小于0.2mm的灰塵顆粒在一個(gè)硅片上不能超過10個(gè)，表面的雜質(zhì)濃度小于10-11g/cm2。不難想象，達(dá)到這種加工要求有多大的難度，而且這不是少數(shù)幾片，而是每年要生產(chǎn)幾百萬平方米?。?）低維量子材料。利用現(xiàn)代的外延技術(shù)已制出半導(dǎo)體量子阱、超晶格材料。材料的制備已達(dá)到原子或分子尺度的精度。這可人為地改變材料的能帶結(jié)構(gòu)和載流子輸運(yùn)特性，并已作出一些新的光電子器件與微波器件。這一方面為電子學(xué)、光電子學(xué)的革命性的發(fā)展提供了前提，同時(shí)為固體物理開辟了新的視野，為材料設(shè)計(jì)開創(chuàng)了新的前景。（4）高精度加工工藝。超大規(guī)模集成電路等高集成度電路對半導(dǎo)體28第二章：基本原理半導(dǎo)體材料第二章：基本原理半導(dǎo)體材料29第二章：基本原理在第一章中介紹的半導(dǎo)體材料的特征，只是根據(jù)它的主要性質(zhì)來論述的，實(shí)際上這種論述并不是十分嚴(yán)格的。例如當(dāng)一些半導(dǎo)體材料的摻雜濃度很高時(shí)，其電導(dǎo)率也可以高出某些金屬材料。但作為第一步，使大家對半導(dǎo)體材料有一個(gè)初步的概念，這種介紹是必要的。只有認(rèn)識了半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)以及這種微觀結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系，才能從根本上了解半導(dǎo)體的性質(zhì)與性能及其與金屬、絕緣體的區(qū)別，也才能理解半導(dǎo)體材料應(yīng)用的根據(jù)。為此要闡述半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)等。這要求具備固體物理、固體化學(xué)、量子力學(xué)等近代科學(xué)理論，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了本課程的范圍。本課程試圖深入淺出地對一些原理進(jìn)行介紹，以便獲得必要的概念。有了這些知識與概念才能對本課程以下各章節(jié)的內(nèi)容有較深入的理解，并能了解它們之間的聯(lián)系。第二章：基本原理在第一章中介紹的半導(dǎo)體材料的特征，只是根據(jù)它302.1導(dǎo)電現(xiàn)象2.1.1為什么半導(dǎo)體的導(dǎo)電性不如金屬所有材料的導(dǎo)電率（s）可用下式表達(dá)：s=nem(2-1)其中：

n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e為電子的電荷，單位為C（庫侖），e對所有材料都是一樣，e=1.6×10-19C。

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cm2/V.s；電導(dǎo)率s的單位為S/cm(S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：(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，例如金屬銅的室溫電子遷移率為30cm2/V.s，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2/V.s。2.1導(dǎo)電現(xiàn)象31載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級的原因從（2-1）式看，只能是載流子濃度的差別。在金屬中，價(jià)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8.5×1022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在106~1020/cm3范圍內(nèi)，與金屬相差可達(dá)十幾個(gè)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。既然金屬中的價(jià)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能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。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。為什么金屬的價(jià)電子會全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)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。載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級的原因從（232

早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個(gè)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(gè)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

負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子2.1.1存在兩種載流子的證明早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣33從這個(gè)電位差的正反，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(shí)，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。

負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動勢也不相同?？梢姡魻栯妱觿莸姆较蛉Q于載流子帶的電荷是正還是負(fù)。用此法測量金屬時(shí)，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)原理從這個(gè)電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是34

負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子圖2.1霍爾效應(yīng)原理測量半導(dǎo)體時(shí)發(fā)現(xiàn)，一種材料既可以靠帶負(fù)電荷的電子進(jìn)行導(dǎo)電，又可以靠帶正電荷的載流子進(jìn)行導(dǎo)電。這種帶正電荷的載流子稱為空穴。那么空穴的本性是什么？為什么半導(dǎo)體能產(chǎn)生空穴？這要在下面的關(guān)于能帶結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的兩節(jié)中加以說明。

既然半導(dǎo)體中可以存在兩種載流子，那么式（2-1)可以寫成s=neme+pemp(2-2)其中n為電子濃度；p為空穴濃度；me,mp分別為電子與空穴的遷移率。如果n>>p，則，s=neme，反之，若p>>n,s=pemp。負(fù)電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電352.2能帶結(jié)構(gòu)我們首先看看單個(gè)原子的情況。大家都知道原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，外圍的電子數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。這些電子都有自己的能量，根據(jù)現(xiàn)代量子力學(xué)的理論，這些能量是量子化的，即有一定的數(shù)值，而且是不連續(xù)的，這些彼此不連續(xù)而有一定數(shù)值的能量稱為能級。一個(gè)電子的能量只能從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級，不可能連續(xù)地變化，伴隨這種跳躍會吸收或放出一定的能量。根據(jù)鮑林(L.Pauling）的不相容理論，不可能有兩個(gè)電子的量子數(shù)完全相同。這樣，在原子的一個(gè)能級上，只能有兩個(gè)電子，它們的量子數(shù)區(qū)別在于其自旋（spin)的正與反。2.2能帶結(jié)構(gòu)我們首先看看單個(gè)原子的情況。36當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)，各原子的電子間發(fā)生相互作用，各原子間原來在分散狀態(tài)的能級擴(kuò)展成為能帶，這能帶是由彼此能量相差比較小的能級所組成的準(zhǔn)連續(xù)組。因?yàn)橹挥羞@樣才能保持電子能量的量子化并符合鮑林的不相容原理。圖2.2示出了元素銅的能帶形成過程，當(dāng)原子相靠近時(shí)能級擴(kuò)展為能帶的情形以及在形成晶體時(shí)，在晶體內(nèi)的原子間距（即晶格常數(shù)）上，能帶發(fā)生的搭接的現(xiàn)象。原子間距離→a03p3d4s4pE=0能量圖2.2元素銅的能帶形成（其中ao為晶格常數(shù)）許多原子形成晶體的情況：當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)，各原子的電子間發(fā)生相互作用，37圖2.3碳原子彼此接近形成金剛石的能帶示意圖

1一價(jià)帶；2一禁帶；3一導(dǎo)帶；ao—金剛石晶格常數(shù)；xo一能帶搭接時(shí)的原子距離圖2.3示出了碳原子形成金剛石晶體時(shí)能帶的形成，以及能帶間禁帶的形成。圖2.4金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(ΔE稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體按照能帶搭接或分立的情況，我們可以把金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別用圖2.4加以簡單表示。原子間距離（?）能量（eV）圖2.3碳原子彼此接近形成金剛石的能帶示意圖圖2.3示出38根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：一類是價(jià)帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；另一類則在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖2.4金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(ΔE稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體在導(dǎo)體中：一類材料是由于電子在價(jià)帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個(gè)能級上自由流動，這需要的能量非常之??；另一類材料雖然在價(jià)帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價(jià)電子很容易從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：圖2.4金39而半導(dǎo)體材料則因其價(jià)帶已填滿，在價(jià)帶和導(dǎo)帶間存在有禁帶，價(jià)電子必須要具有足夠的能量躍過禁帶才能進(jìn)入導(dǎo)帶而導(dǎo)電，在常溫或更高一些溫度下，由于能量的不均勻分布，總有一部分價(jià)電子能進(jìn)入導(dǎo)帶，使其具有一定的電導(dǎo)率。對絕緣體而言，其禁帶寬度大，以致在常溫或較高溫度下均不能使其價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶所以不能導(dǎo)電。圖2.4金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(ΔE稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體而半導(dǎo)體材料則因其價(jià)帶已填滿，在價(jià)帶和導(dǎo)帶間存在有禁帶，價(jià)電40能帶理論是從固體的整體出發(fā)，主要考慮到晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期性。用這個(gè)理論容易說明導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體之間的區(qū)別以及半導(dǎo)體材料的一些本性?；瘜W(xué)鍵理論主要從物質(zhì)的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列來說明半導(dǎo)體材料的物性與化學(xué)組成、雜質(zhì)行為等問題。固體的化學(xué)鍵主要有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵等。它們的特征列入表2.1中。2.3化學(xué)鍵能帶理論是從固體的整體出發(fā)，主要考慮到晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期41表2.1化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)表2.1化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)42圖2.5不同化學(xué)鍵的電子分布

各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電子對各個(gè)原子間的不同分配關(guān)系，圖2.5示出了前四種化學(xué)鍵的價(jià)電子分配關(guān)系。在離子鍵中，如NaCl，Na原子將其價(jià)電子完全給了Cl而形成Na+離子與Cl-離子。這種物質(zhì)在常溫下為絕緣體，但在熔融狀態(tài)則靠離子導(dǎo)電。以金剛石為代表的是外圍價(jià)電子共用的共價(jià)鍵。以Ar為代表的范德華鍵是靠瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)和引力形成的鍵。以金屬M(fèi)g的外圍電子形成自由電子為正離子Mg2+所共享，并被正離子產(chǎn)生的庫侖力所吸引。(a)離子鍵(b)共價(jià)鍵(c)范德華鍵(d)金屬鍵圖2.5不同化學(xué)鍵的電子分布各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電43將硅作為半導(dǎo)體的代表，其共價(jià)鍵的示意圖見圖2.6。從圖2.6中可看出每個(gè)硅原子共有4個(gè)共價(jià)鍵，有8個(gè)電子。按照鮑林的不相容理論，每個(gè)能級上只有一對電子。這可用雜化軌道來解釋，即在組成晶體時(shí)，原子的勢場受到周圍原子的影響而產(chǎn)生微擾，從而雜化組成新的軌道。從圖中可以看到，在這種共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，這反映在絕對零度的溫度條件下，半導(dǎo)體是呈絕緣體的情形。圖2.6硅的共價(jià)鍵將硅作為半導(dǎo)體的代表，其共價(jià)鍵的示意圖見圖2.6。圖2.644圖2.7硅的本征激發(fā)示意圖隨著溫度的升高，電子的能量也隨之增高，但能量在電子之間并非是均勻分布的，其中能量高的電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，如圖2.7所示。這反映在能帶結(jié)構(gòu)上，就是電子從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶的空閑著的能級上。圖2.7硅的本征激發(fā)示意圖隨著溫度的升高，電子的能量也隨之45從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，而空穴也可以發(fā)生流動，即鄰近原子的價(jià)電子跑過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。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。當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（intrinsicconductivity），這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsicsemiconductor)。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)示意圖利用這個(gè)機(jī)可理，可以方便地解釋什么是空穴：從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子46如果在硅中摻入磷(P)，P外圍有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si原子的位置時(shí)，在電子軌道上只能容納4個(gè)電子，另一個(gè)電子就成為自由載流子，如圖2.8（a）所示。但這時(shí)并未產(chǎn)生空穴，P原子由于失掉一個(gè)電子，就呈帶正電的離子，這種離子在固體中只能振動，而不可能移動，所以不能參加導(dǎo)電。圖2.8硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；我們再看看雜質(zhì)參加導(dǎo)電的情況：每個(gè)P原子可貢獻(xiàn)一個(gè)電子，如果P在硅中具有一定的濃度，當(dāng)它所貢獻(xiàn)的自由電子的數(shù)目明顯地超過由上述的本征激發(fā)所產(chǎn)生載流子的數(shù)目時(shí)，這種半導(dǎo)體就呈電子型導(dǎo)電，被稱為n型（negative--負(fù)的）半導(dǎo)體。這時(shí)P及其相類似雜質(zhì)就被稱為施主（donor--給予者）雜質(zhì)，簡稱施主。如果在硅中摻入磷(P)，P外圍有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si原子47

相反，如果雜質(zhì)是鋁（Al）而不是P，Al只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si的位置與其他Si原子形成共價(jià)鍵時(shí)，則少了一個(gè)電子子，見圖2.8（b）。別的Si原子的價(jià)電子可以來補(bǔ)充，這就形成帶正電的空穴載流子。同樣，當(dāng)Al的濃度足夠高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電是以空穴為主，稱為p型（positive--正的）半導(dǎo)體。類似Al這種雜質(zhì)被稱為受主（acceptor--接受者）雜質(zhì)，或受主。圖2.8硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；相反，如果雜質(zhì)是鋁（Al）而不是P，Al只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)48從化學(xué)鍵的角度更容易理解各種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性。我們首先看看元素半導(dǎo)體，它們的化學(xué)鍵屬于單純的共價(jià)鍵。在周期表同一族內(nèi)，其原子序數(shù)愈大，共價(jià)鍵的鍵合能愈弱，因此它的熔點(diǎn)愈低，它的禁帶寬度也愈小，如表2.2所示。表2.2IV族元素的原子序數(shù)與性質(zhì)從化學(xué)鍵的角度更容易理解各種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性49這一規(guī)律性也基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖2.9示出了III-V族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度與原子序數(shù)和的關(guān)系?；衔锇雽?dǎo)體的化學(xué)鍵較為復(fù)雜。因?yàn)閮煞N或兩種以上的元素對電子的親和力不可能完全相等，因此化合物的化學(xué)鍵就不可能是純的共價(jià)鍵。假定一個(gè)化合物由A，B兩個(gè)元素形成，如果A的價(jià)電子在形成化合物時(shí)完全給B，就形成了離子鍵，這種化合物就屬于絕緣體，它在室溫下不導(dǎo)電，而當(dāng)熔融時(shí)，靠（A+）和（B-）的離子導(dǎo)電。屬于化合物半導(dǎo)體的則是那種價(jià)電子朝一種元素靠近而與另一種疏遠(yuǎn)，但仍以共價(jià)鍵結(jié)合為主的化合物。這種共價(jià)鍵有一定的離子性。元素對電子的親和力稱為負(fù)電性，化合物AB的負(fù)電性之差Δx=xB-xA可以在一定程度上反映化學(xué)鍵的極性，其中xB，xA分別為B，A的負(fù)電性。

圖2.9III-V族化合物原子序數(shù)（N1+N2）與禁帶寬度的關(guān)系禁帶寬度（eV）原子序數(shù)（N1+N2）這一規(guī)律性也基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖2.9示出了III-V50從中可以看出，在同一平均原子序數(shù)的條件下，有極性的化合物半導(dǎo)體比元素半導(dǎo)體的禁帶寬度大。這是因?yàn)殡x子鍵的存在會增加總鍵能，但在有極性的化合物之間卻不是完全按其負(fù)電性差來排列的，這反映了極性對其作用的復(fù)雜性。極性對材料的載流子遷移率也有影響，但其作用就更為復(fù)雜了。表2.3極性對禁帶寬度的影響化學(xué)鍵的極性對半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有明顯的影響，表2.3示出了極性對禁帶寬度的影響。從中可以看出，在同一平均原子序數(shù)的條件下，有極性的化合物半導(dǎo)512.4.1單晶、多晶、微晶、非晶單晶是原子或離子沿著三個(gè)不同方向按一定的周期有規(guī)則地排列，并沿一致的晶體學(xué)取向所堆垛起來的遠(yuǎn)程有序的晶體。多晶則是由多個(gè)單晶顆粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學(xué)取向彼此不同，其周期性與規(guī)則性亦在此處遭到破壞。微晶是組成粒度小于一定尺寸（對半導(dǎo)體而言，大約小于100nm）的多晶體。非晶材料的原子排列是近程有序遠(yuǎn)程無序，即最鄰近的原子排列包括原子間距、配位數(shù)與單晶的情況相似，在次鄰近位置的原子則上述參數(shù)相差很大。在半導(dǎo)體材料中，單晶使用得最多，其次是多晶，非晶與微晶也開始使用。2.4晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶、化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)是從不同角度來闡述材料的本性的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是能看得見并與材料的制備和應(yīng)用有著密切關(guān)系的，同時(shí)它又是上述的能帶結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵的一些特征的反映。我們首先介紹一下有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本知識。2.4.1單晶、多晶、微晶、非晶2.4晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的522.4.2晶胞與晶系為了弄清晶體內(nèi)部的周期性與規(guī)律性，首先我們把構(gòu)成晶體的原子、離子看成分立的點(diǎn)，然后研究其構(gòu)成的點(diǎn)陣的特點(diǎn)。這種點(diǎn)陣具有其不同的周期性、規(guī)律性，我們?nèi)缦胂笥弥本€把點(diǎn)陣中的“點(diǎn)”連接起來，就形成各種格子，稱為晶格。布喇菲（Bravias）證明，雖然晶體有多種多樣，但只存在14種晶格，稱為布喇菲格子，如圖2.10所示，這些格子分屬于7大晶系。圖2.10布喇菲格子2.4.2晶胞與晶系圖2.10布喇菲格子53每一種點(diǎn)陣都可以取一個(gè)體積最小的單元，這種單元呈平行六面體，將它沿著三個(gè)不同的方向位移，就可形成整個(gè)晶體。這個(gè)最小的單元稱為晶胞（unitcell），或原胞。晶胞的三個(gè)棱邊的單位矢量用a、b、c表示；夾角用a、b、g表示，見圖2.11。用這6個(gè)參數(shù)可以決定晶體結(jié)構(gòu)，見表2.4。這里稱為矢量，是因?yàn)樗蔷哂忻鞔_方向的邊長。通常將晶胞所必需指明的矢量稱為晶格常數(shù)。圖2.11晶胞的矢量與夾角每一種點(diǎn)陣都可以取一個(gè)體積最小的單元，這種單元呈平行六面體，54表2.4晶系與布喇菲格子及其矢量表2.4晶系與布喇菲格子及其矢量55圖2.12半導(dǎo)體材料的主要晶體結(jié)構(gòu)（a）金剛石型；（b）閃鋅礦型；（c）纖鋅礦型半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)也不盡相同，但就目前使用最廣的元素半導(dǎo)體及二元化合物半導(dǎo)體而言，最主要的晶體結(jié)構(gòu)是：金剛石型、閃鋅礦型和纖鋅礦型，其結(jié)構(gòu)如圖2.12所示。圖2.12半導(dǎo)體材料的主要晶體結(jié)構(gòu)（a）金剛石型；（b）閃鋅56其中金剛石型乍一看來，難以找到相應(yīng)的布喇菲格子，其實(shí)它是由兩個(gè)面心立方的布喇菲格子沿<111>方向(體對角線）相互位移a/4套構(gòu)所形成的，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)則由不同原子的兩個(gè)面心立方格子套構(gòu)而成的，如圖2.13所示。常用的硅、鍺都屬于金剛石型晶體結(jié)構(gòu)，一些重要的化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、磷化銦、碲化鎘等屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)。纖鋅礦型屬六角晶系的布喇菲六角格子。硫化鋅、氮化鎵等具有這種結(jié)構(gòu)。兩套晶胞沿a/4<111>套構(gòu)同種元素原子套構(gòu)不同元素原子套構(gòu)金剛石型閃鋅礦型面心立方晶胞圖2.13金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)與面心立方晶胞的關(guān)系其中金剛石型乍一看來，難以找到相應(yīng)的布喇菲格子，其實(shí)它是由兩57材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。以硅為例，它的每個(gè)原子的四周雜化軌道以及它的共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)決定了它必然是面心立方的金剛石結(jié)構(gòu)，見圖2.14。而且周期表的4個(gè)IV族元素半導(dǎo)體都是這種結(jié)構(gòu)。在化合物半導(dǎo)體中，以共價(jià)鍵為主的材料多呈閃鋅礦結(jié)構(gòu)。閃鋅礦與金剛石完全是一種類型，只不過前者是兩種元素相互交替，而后者只是一種元素。隨著極性的增大，有可能變成纖鋅礦結(jié)構(gòu)，但這種變化并非單一性的，因?yàn)闃O性對物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的影響是復(fù)雜的。圖2.14硅的雜化軌道與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系2.4.3晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系（a）硅的雜化軌道（b）晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。圖258如上所述，不論晶體屬于何種晶系或晶格，都不是完全對稱的，因此單晶表現(xiàn)出各向異性。為了標(biāo)明單晶的取向或晶面相對于上述晶胞所形成的晶軸的相互關(guān)系，提出了晶面指數(shù)的概念，并以密勒指數(shù)表示。設(shè)晶面對x、y、z晶軸的截距分別為p、q、r，取其倒數(shù)之比為：1/p：1/q：1/r=h：k：l將h、k、l化為互質(zhì)整數(shù)，就稱為密勒指數(shù)。

圖2.15立方晶系的一些面的密勒指數(shù)2.4.4晶面與晶面指數(shù)如上所述，不論晶體屬于何種晶系或晶格，都不是完全對稱的，因此59按規(guī)定用()表示晶面，<>表示晶向。從圖中可以看出，每一種晶面是一個(gè)族，用{}來表示族。在立方晶系中，各族包括的晶面為：{100}

：(100)，(100)，(010)，(010)，(001)，(001)共6個(gè)面；{110}

：(110)、(110)、(101)、(101)、(011)、(011)、(110)、(110)、(101)、(101)、(011)、（011）共12個(gè)面；{111}：(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)共8個(gè)面。

圖2.15立方晶系的一些面的密勒指數(shù)如圖2.15所示的立方晶系，其中（a）的上面的平面與x、y軸平行，截距為∞，與z軸相切，截距為r，那么h:k:l=1/∞:1/∞:1/r=0:0:1，故上面的平面為（001）面，此面的法線方向?yàn)?lt;001>方向，以此類推。按規(guī)定用()表示晶面，<>表示晶向。從圖中可以看出，每一種晶60以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面的一些特征列入表2.5中。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{110}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。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{111}及{110}。表2.5金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征晶體的各向異性也可以從晶格結(jié)構(gòu)中看出。以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面的一些特征列入表2.5中。表61但對閃鋅礦結(jié)構(gòu)則不完全相同。例如磷化鎵，構(gòu)成{111}面的原子不同，即一層鎵原子、一層磷原子交替地排列著。上面已講過，由于Ga與P對電子的親合力不同，而產(chǎn)生極性，這樣在這兩個(gè)面間不容易產(chǎn)生斷裂，所以對GaP而言它的解理面為{110}。但對極性不夠強(qiáng)的化合物如砷化鎵，它的解理面以{110}為主，但{111}也是它的解理面。表2.5金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征但對閃鋅礦結(jié)構(gòu)則不完全相同。表2.5金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特62第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能半導(dǎo)體材料第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能半導(dǎo)體材料631半導(dǎo)體材料的特征（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在103~10-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W.cm)；

一般金屬為107~104S/cm,而絕緣體則<10-10，最低可達(dá)10-17。同時(shí)，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(gè)到十幾個(gè)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(shí)，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。（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，則靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。第一節(jié)：概述1半導(dǎo)體材料的特征第一節(jié)：概述641.2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651.2.1元素半導(dǎo)體已知有12個(gè)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?；衔锇雽?dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣?；衔锇雽?dǎo)體按其構(gòu)成的元素?cái)?shù)量可分為二元、三元、四元等。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。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(gè)嚴(yán)密的公式可以毫無例外地判斷某個(gè)化合物是否屬于半導(dǎo)體。常用的方法是先找到一個(gè)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：1.2.1元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，66由兩個(gè)或兩個(gè)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。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。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(jià)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)，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。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。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(gè)元素或兩個(gè)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。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)體由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具67第二節(jié)基本原理s=nem

(2-1)其中：

n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e為電子的電荷，單位為C（庫侖），e對所有材料都是一樣，e=1.6×10-19C。

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cm2/V.s；電導(dǎo)率s的單位為S/cm(S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：(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，例如金屬銅的室溫電子遷移率為30cm2/V.s，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2/V.s。第二節(jié)基本原理s=nem68載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級的原因從（2-1）式看，只能是載流子濃度的差別。在金屬中，價(jià)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8.5×1022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在106~1020/cm3范圍內(nèi)，與金屬相差可達(dá)十幾個(gè)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。既然金屬中的價(jià)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能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。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。為什么金屬的價(jià)電子會全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)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。載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級的原因從（269根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：一類是價(jià)帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；另一類則在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖2.4金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(ΔE稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體在導(dǎo)體中：一類材料是由于電子在價(jià)帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個(gè)能級上自由流動，這需要的能量非常之?。涣硪活惒牧想m然在價(jià)帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價(jià)電子很容易從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：圖2.4金70

早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個(gè)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(gè)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

負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣71從這個(gè)電位差的正反，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(shí)，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。

負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子顯然，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)。用此法測量金屬時(shí)，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從這個(gè)電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是72從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，而空穴也可以發(fā)生流動，即鄰近原子的價(jià)電子跑過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。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。當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（intrinsicconductivity），這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsicsemiconductor)。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(jià)鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子73以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面的一些特征列入表2.5中。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{110}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。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{111}及{110}。表2.5金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征利用晶體結(jié)構(gòu)理論解釋具體的各向異性：以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面的一些特征列入表2.5中。表74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。所有材料的導(dǎo)電率（s）可用下式表達(dá)：s=nem(2-1)

其中n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e為電子的電荷，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）。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75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(jià)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(shí)，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(shí)：

n=p（3-1）當(dāng)溫度明顯地高于絕對零度時(shí)，本征激發(fā)的濃度可近似地看作按波爾茲曼的統(tǒng)計(jì)分布即：

n(p)≈Aexp[-ΔE/2kT](3-2)其中：A為比例常數(shù)；ΔE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(jià)帶我們首先研究一下靠熱激發(fā)的本征導(dǎo)電。圖3.1本征導(dǎo)電原理76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(shí)，如高純鍺，在此情況下，稱為本征鍺。這時(shí)，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)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(shí)，僅由本征激發(fā)時(shí)所形成的電阻率。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，77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(jià)帶俘獲電子，而在價(jià)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(jià)帶釋放電子或空穴所需的能量稱為電離能，分別用ΔED、ΔEA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(jià)帶+++---DEDDEV施主能級受主能級雜質(zhì)導(dǎo)電: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78淺施主或淺受主：其電離能比較?。?lt;0.1ev）的稱為淺施主或淺受主；淺能級雜質(zhì)：在室溫下一般可全部電離。雜質(zhì)導(dǎo)電所形成的載流子，并非電子與空穴成對產(chǎn)生的。例如，施主雜質(zhì)原子將其電子送到導(dǎo)帶后，它本身就成為帶正電的離子；對受主雜質(zhì)也是一樣。因此在雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)，其正負(fù)載流子數(shù)目是不相同的。圖3.2雜質(zhì)導(dǎo)電示意圖+-電場方向?qū)Ы麕r(jià)帶+++---DEDDEV施主能級受主能級深能級施主雜質(zhì)和深能級受主雜質(zhì)：深能級雜質(zhì)其電離能比較大的、能級位置在禁帶的中部附近的稱為深能級雜質(zhì)，包括深能級施主雜質(zhì)和深能級受主雜質(zhì)。--還起陷阱、正負(fù)電荷復(fù)合中心的作用。淺施主或淺受主：其電離能比較?。?lt;0.1ev）的稱為淺施主或79材料的載流子濃度與溫度的關(guān)系:以n型為例(見圖3.3),可以看出本征導(dǎo)電與雜質(zhì)導(dǎo)電之間的關(guān)系，其中：I為高溫區(qū)，這時(shí)本征激發(fā)的載流子濃度超過雜質(zhì)所提供的載流子濃度，它是服從于式(3-2)的，其斜率應(yīng)為ΔE/2k；

n(p)≈Aexp[-ΔE/2kT](3-2)II為中溫區(qū)，為雜質(zhì)載流子的飽和區(qū)，因?yàn)殡s質(zhì)的電離能比禁帶寬度小得多，因此在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)雜質(zhì)全部電離，在此溫度范圍內(nèi)，載流子濃度無變化；III區(qū)是在溫度相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，本征激發(fā)的載流子與雜質(zhì)激發(fā)的載流子都隨溫度下降而減少所出現(xiàn)的載流子濃度與溫度的關(guān)系。圖3.3n型半導(dǎo)體的載流子濃度與溫度的關(guān)系示意圖Lnn1/TIIIIII材料的載流子濃度與溫度的關(guān)系:以n型為例(見圖3.3),可以80載流子的遷移率：根據(jù)（2-1）式s=nem中m為電子遷移率，m=n/E。其中n為電子運(yùn)動速度，E為外加電場強(qiáng)度。m的單位為cm2/V.s。從這里可以看出，遷移率是描述載流子在電場作用下運(yùn)動快慢的物理量。散射：在電場的作用下，電子在晶體中的運(yùn)動并非“一帆風(fēng)順”，它要經(jīng)歷許多次碰撞或與電場相作用而改變方向，這種作用在物理學(xué)上稱為散射。散射的來源：可來自晶格振動、電離雜質(zhì)、中性雜質(zhì)、晶體缺陷，也來自載流子之間的相互作用。遷移率的大?。菏潜碚靼雽?dǎo)體材料固有特性的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)也與晶體的雜質(zhì)含量、晶體完整性、溫度等因素有關(guān)。

3.1.2載流子的遷移率載流子的遷移率：根據(jù)（2-1）式s=nem中m為電子遷移率81LgmTm∞T3/2m∞T-3/2圖3.4元素半導(dǎo)體的遷移率與溫度的關(guān)系遷移率與溫度的關(guān)系：比較復(fù)雜。圖3.4所示的是元素半導(dǎo)體的載流子遷移率與溫度的關(guān)系。在低溫段，以電離雜質(zhì)散射為主，由于載流子運(yùn)動與電離雜質(zhì)的靜電場相互作用的結(jié)果，遷移率隨溫度上升而增大；在高溫區(qū)，則晶格散射起主導(dǎo)作用，隨溫度升高，晶格振動的振幅增大，對載流子的運(yùn)動的散射作用就增強(qiáng)，因此遷移率變低。圖3.4中的最大值，也就是從電離雜質(zhì)散射轉(zhuǎn)變到晶格散射的溫度，取決于電離雜質(zhì)含量，雜質(zhì)含量愈高，其轉(zhuǎn)變溫度也愈高。LgmTm∞T3/2m∞T-3/2圖3.4元素半導(dǎo)體的遷移82根據(jù)（2-1）式，把載流子濃度與遷移率兩者對溫度的關(guān)系同時(shí)考慮就能得出溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系，見圖3.5。其中曲線I，從低溫升溫，先是雜質(zhì)隨溫度升高而逐步解離成自由載流子，一直到c點(diǎn)達(dá)到飽和，ΔEi為雜質(zhì)解離能，從c點(diǎn)再升溫，載流子濃度不會增加（因此時(shí)的本征激發(fā)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雜質(zhì)提供的載流子），但遷移率卻因溫度升高而降低，最終結(jié)果造成電導(dǎo)率隨溫度上升而下降。一直到b點(diǎn)以后，遷移率雖然繼續(xù)下降，但這時(shí)已到達(dá)本征激發(fā)階段，本征載流子濃度隨溫度升高而增大的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遷移率下降的速度，所以電導(dǎo)率呈指數(shù)上升，其斜率近似等于禁帶寬度ΔEg。

圖3.5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系Lns1/T12cbDEiDEg3.1.3電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系而曲線2則是雜質(zhì)濃度比較高的情況。根據(jù)3.1.2所述，遷移率轉(zhuǎn)變的最大值的對應(yīng)溫度隨雜質(zhì)濃度增高而增高，所以當(dāng)雜質(zhì)全部電離以后，遷移率仍繼續(xù)隨溫度升高而增大，直至達(dá)到本征激發(fā)占主導(dǎo)時(shí)，以后雖有遷移率的下降，也抵不上載流子數(shù)目的增加。根據(jù)（2-1）式，把載流子濃度與遷移率兩者對溫度的關(guān)系同時(shí)83從這些變化中我們看出半導(dǎo)體與金屬在導(dǎo)電性能方面的本質(zhì)區(qū)別。它不僅表現(xiàn)為金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體高及電導(dǎo)率的溫度系數(shù)的差異，而且也能看出半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度的復(fù)雜關(guān)系。而金屬的導(dǎo)電性能基本上受其遷移率的制約。從這里我們還可以看出，在我們的最初敘述中所談到的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率溫度系數(shù)為正值，并不是十分嚴(yán)密的，也就是說，在較高的純度下，在一定的溫度區(qū)間，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率溫度系數(shù)也可以為負(fù)值。

圖3.5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系Lns1/T12cbDEiDEg從這些變化中我們看出半導(dǎo)體與金屬在導(dǎo)電性能方面的本質(zhì)區(qū)別。它84pn結(jié)是大多數(shù)的半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。因此弄清pn結(jié)的原理是十分必要的。如圖3.6（a）所示，當(dāng)一塊p型半導(dǎo)體和一塊n型半導(dǎo)體分開存放時(shí)，p型具有空穴作載流子，n型有電子作載流子，這時(shí)它們都是電中性的，它們的載流子都與它們的離子形成平衡。當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合成一個(gè)整體時(shí)，如圖3.6(b),p型半導(dǎo)體中有大量的空穴，而n型半導(dǎo)體中有大量的電子，他們向相對方向擴(kuò)散，但這種擴(kuò)散并非無休止的，因?yàn)檫@種擴(kuò)散打破了邊界附近的電中性，空穴進(jìn)入n型區(qū)與電子復(fù)合，而失去電子的離子便形成正電勢；在p型區(qū)則因同樣的道理而形成負(fù)電勢，這樣便在邊界附近形成了電位差，稱為內(nèi)建勢場（電場），或稱擴(kuò)散電勢。PN（a）V擴(kuò)dNdP（b）

圖3.6pn結(jié)原理示意圖3.2pn結(jié)pn結(jié)是大多數(shù)的半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。因此弄清pn結(jié)的原理是85這個(gè)勢場根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，會防止空穴與電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，而達(dá)到平衡，這個(gè)平衡的電勢用V擴(kuò)表示，這就構(gòu)成pn結(jié)。而在邊界兩端這個(gè)區(qū)內(nèi)電子與空穴已經(jīng)被復(fù)合掉。所以稱其為耗盡區(qū)（層），分別用dp與dn表示。這時(shí)從動平衡的角度，可以認(rèn)為p型區(qū)的空穴、n型區(qū)的電子都不再向?qū)Ψ綌U(kuò)散，等于起了阻擋作用，因此pn結(jié)的這一區(qū)域又稱為阻擋層。PN（a）V擴(kuò)dNdP（b）

圖3.6pn結(jié)原理示意圖這個(gè)勢場根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，會防止空穴與電子的進(jìn)一86圖3.6pn結(jié)原理示意圖V擴(kuò)（c）V外V擴(kuò)（d）V外當(dāng)加上外加電場V外時(shí)：如果正極接到p型區(qū)，負(fù)極接到n型區(qū)，見圖3.6中(c)，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料具有一定的電導(dǎo)率，因此電壓降的主要部分卻落在了阻擋層上，這時(shí)外加電場與內(nèi)建電場相反，于是降低了內(nèi)建電場，減少了阻擋層的厚度，使電流順利通過。而當(dāng)電場方向相反時(shí)，內(nèi)建電場與外加電場相疊加，見圖3.6中(d)，增加