第四节 半导体材料

第四节第四节 半导体材料半导体材料 第四节半导体材料 半导体能带结构 价带 最上面的满带 导带 最下面的空带 带隙 E g 纯净半导体空带禁带满带空带禁带满带1 无缺陷和杂质的半导体 也称本征半导体 杂质半导体 掺入杂质的半导体 也称非本征半导体 杂质态分两类 施主和受主 施主 在在带隙中提供带有电子的能级之 杂质 受主 在在带隙中提供空的能级之杂质 半导体能带结构半导 体能带结构ET 0T 0导带ET 0T 0导带型施主满带ET 0T 0导带施主满 带ET 0T 0导带型受主满带2SiSiSi SiSiSiSiP Si掺杂VI元素的结构示意图n型半导体SiBSi SiSiSiSiSi Si掺杂III元素的结构示意图元素的结构示意图p型半导 体n型型施主和受主p型型 n型半导体 主要依靠电子传导电流的半导体 p型半导体 主要依靠空穴传导电流的半导体 电子和空穴是半导体中的两种载流 子 多子和少子 n型半导体中主要依靠电子导电 同时存在少量空穴 电子称为多数载 流子电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 p子型 半导体中空穴是多子电子是少子3 p型半导体中空穴是多子 电子是少子 载流子浓度 指单位体积内自由电子或空穴的数目 分别用电子浓度 n 和空穴 浓度 和空穴浓度 p 表示 非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下 载流子的浓度是一定的 其 浓度称为其浓度称为平衡载流子浓度 在外界作用下 有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值 超出热平 衡浓度超出热平衡浓度的多余载流子 称为非平衡载流子 也称过剩 载流子 非平衡载流子会自发复合 一对电子和空穴消失 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子在复合之前平均存在的时间 用 少数载流子的寿命描述用少数载流子的寿命描述 在简单情况下 过 剩载流子的浓度过剩载流子的浓度 中式中 n0间为时间t 0时 过剩 少数载流子浓度过剩少数载流子浓度 为少Ptte nen n 0 0 4 数载流子寿命 为非平衡载流子的复合 几率 晶体内过剩少子可以直接复合和经过复合中心实现晶体内过剩少子 可以直接复合和经过复合中心实现间接复合 复合中心 一些能够引起电子和空位复合过程的一些能够引起电子和 空位复合过程的杂质和缺陷 间接复合是大多数半导体的主要复合过程是大多数半导体的主要复 合过程 在正是杂质或缺陷能级的存在 使半导体的禁带能隙变窄甚至变为零 禁带甚至变为零禁带 从而导致半导体更容易导电 载流子的迁移率 半导体中的电子和空穴在外加电场作用下将产生净加速度和净位移 净加速度和净位移 这种在电场力作用下载流子的运动称为漂移运动 载流子电荷的净漂移形成载流子电荷的净漂移形成漂移电流 载流子的迁移率 单位电场作用下载流子的平均漂移速度 E E mevme 5 载流子的平均漂移速度 E 电场强度 驰豫时间 迁移率 迁移率是载流子在电场作用下运动速度大小的度量 载流子 运动得快 迁移率大载流子运动得快 迁移率大 运动得慢 迁移 率小 迁移率与散射几率有关 正比于温度 的 次方 载流子受到的散射 晶格散射 电离杂质散射 缺陷或中性杂质引起 晶格畸变所产生的散射等晶格散射 电离杂质散射 缺陷或中性杂 质引起晶格畸变所产生的散射等 总散射几率为各种散射几率之和总 散射几率为各种散射几率之和 故故总迁移率 与各种迁移率 i的 关系为 321111 111iiv 半导体的电导率 J 电流密度 E 电场强度 n 单位体积载流子数 载流子浓度 迁移率 半导体的电导率为电子和空穴两种载流产生的电导率之和 nemneE J 2h epene 6n p分别是电子 空穴浓度 e h分别是电子 空 穴的迁移率 除漂移电流外 半导体中的载流子还可形成另一种形式的电流 扩散 电流扩散电流 它是由于载流子浓度分布不均匀 产生扩散运动而引 起 扩散系数 cm2 s 与迁移率 的关系 载流子浓度和迁移率是半导体导电性质的两个重要参量 ekTD 半 导体材料的分类按组成分为 元素半导体 化合物半导体 有机物半 导体 非晶态半导体 半导体陶瓷 用途7 用途晶体管 激光器 集成 电路 光电与微波器件 传感器等电子与电气元器件 是信息时代的 基石 晶体管 激光器 集成电路 光电与微波器件 传感器等电子 与电气元器件 是信息时代的基石 一一 元素半导体 元素半导体 由 一种元素组成的半导体 具有半导体特性的元素 IIIA IVAVA VIAVIIAB CSi PS8其中 金刚石 B P S I 禁带很宽 晶体生长困难 灰锡 Bi 灰砷 黑锑 不稳定 称半金属 Se Ge Si 作半导体器件Ge AsSe SnSb TeI Bi9 Si 性能和工艺性好 资源丰富 最广泛使用 Ge 在红外探测器和高频小功率晶体管器件方面占有优势 应用中的Si Ge大多数为掺杂后的非本征半导体 Si Ge单晶 高纯度 大尺寸 高均匀度 使成本急剧下降二二 化合 物半导体 组成 种类多 有以共价键为主的的 IIIA VA族化合物 IIA VIA族化合物 IVA IVA族化合物和氧化物半导体 特点 性能上 如 禁带宽度 迁移率 提供了更宽的范围 材料G A10 GaAs GaP GaN ZnO SiC GaAs1 x Px 固溶体化合物等 电子跃迁方式 直接跃迁 半导体导带极小值和价带极大值在k空间位于相同点 电子 和空穴对容易形成电子和空穴对容易形成 间接跃迁 半导体导带极小值和价带极大值在k空间位于不同点 跃迁 过程必须有跃迁过程必须有声子参加 给电子提供k的变化 间接跃迁 发生的几率比直接跃迁小得多间接跃迁发生的几率比直接跃迁小得 多 导带边E k E k 11ok导带边价带边ok导带边价带边导带边价带边 直接跃迁间接跃迁电子跃迁方式直接跃迁间接跃迁电子跃迁方式12 超晶格半导体将两种不同组成或不同掺杂的半导体超薄层 和 交 替生长在衬底上将两种不同组成或不同掺杂的半导体超薄层 和 交替生长在衬底上 使在外延生长方向形成附加的晶格周期性使在外 延生长方向形成附加的晶格周期性 叫超晶格 度每层厚度d A d B为晶格常数的2 20倍 附加周期 衬底d Ad B13期附加周期D d A dB 特点 在异质界面处能带不连续 可设计和控制电子的量子化状态及 电子穿越势垒的隧道效应可设计和控制电子的量子化状态及电子穿 越势垒的隧道效应 材料 GaAs 掺杂AlGaAs衬底超晶格 InGaAs GaAs CdTe HCdTe ZnSe ZnTe等多层膜 用途 光电器件 量子阱激光器 高电子迁移率晶体管等 三三 有机 物半导体液晶 是处于液相与固相之间的中间相 在一定温度范围 既 具有液体的14流动性 不能承受切应力 粘度 形变等机械性质 又 具有晶体的热 光 电 磁等物理性质又具有晶体的热 光 电 磁等物理性质 已知的液晶都为有机化合物 分子几何形状有棒状和 碟状两种分子几何形状有棒状和碟状两种 棒状分子才有技术应用价 值 它按分子排列方式分三种 近晶型液晶 向列型液晶 技术应用价 值最大 胆甾型液晶15液晶的类型a 型近晶型b 型向列型c 胆甾型 液晶显示 主要利用液晶的电场效应 其各向异性的折射率和反射率 随电场变化 使它所反射或透射的环境光变化 从而达到显示目的 用途 液晶显示器 功耗低 工作电压低 3 6 宜与集成电路联用 在明亮环境下对比度和分辨率好16 但响应 速度慢 工作温度范围窄四四 非晶态半导体非晶态物质 原子排列 在长程序上不存在在规律的周期性 即长程无序 但短程有序 非晶态 半导体 具有半导体特性的非晶态物质 非晶态半导体能带特点 两类电子态 扩展态 波函数遍及整个材料中 定域态 波函数局限在 某个范围之内 能态密度存在带尾在导带中 扩展态 E E C 定域态 E A 3 SrTiO3及它们的固溶体 晶粒 基体 n型半导体 通常添加一定的施主杂质 例如添加含例如 添加含Nb W6 Dy Sb5 等离子的氧化物 并在 还原气氛中进行第一次烧结时获得并在还原气氛中进行第一次烧结 时获得 晶界 晶粒表面 绝缘体薄层 厚度约0 1 2 m 晶界层电容器制备 20晶界层电容器制备 分三步 1 成型 氮气氛中烧成半导体 2 在烧结后的瓷体表面涂敷氧 化物在烧结后的瓷体表面涂敷氧化物 在氧化气氛第二次烧结 形成 晶界绝缘层 3 涂银 烧银 焊引线涂银 烧银 焊引线 晶界层电 容器性能 视在相对介电系数K 根据晶界层电容器的结构等效电路图 可近似 地把它看成一种复合材料可近似地把它看成一种复合材料 其其视在 相对介电系数为为 K b 纯基材的相对介电系数 bKd dddK2211222121 21 1 晶界绝缘层电导率 2 晶粒