半导体材料导论7-1(精)

1、第 7 章半导体材料的应用徐桂英材料学院无机非金属材料系第7章半导体材料的应用半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类耀制作半导体器件；一类是作光学窗口、透 镜等。71皐导体器件的分类半导体器件可分为两大类， 一类称为分立器件（discrete part） ,另一类为集成电路（integrated clrciut,简称IC）。分立器件可分为：（1）晶体二极管：（2）晶体三极管；（3）发光二极管；（4）激光管；（5）电力电子器件，（6）电子转移器件；（7）能量转换器件；（8）敏感元件。集成电路可分为：（1）SI集成电路；（2） GaAs集成电路；（3）混合集成电路。其中Si集成电路按其结构又可

2、分为：（1）双极型电路；（2）金属氧化物半导体（MOS）型电路；（3）双极MOS （BiMOS）电路等。$种器件所用的材料及上要原理见表7.1 卜面就一些有代表性的器件作一简要的介绍。表7 1主要半导体器件所用材料及其工作原理為件类別35件名杆一矢材料峯车匚作廠理O-cr tilpn站单向仔电检波二槪竇OwSipn结W向导电二粧背FF关二展笛Ge. Si. GaAspc结单向转电越伍偵Sipn辎的齐纳岛穹&好二fttnSt.电圧悭制pn結碑*厚燈燧涓二极臂Oc、GazXs GaSb讎道效应Si少敢假流f /t pn结的 扩is saiftSi OHAs InP用卩“结妗垒挖铝洶ifl丹

3、喰給取极唧品体&SK；zSi刊用w殛结邱周尿荡赖 七赵业rifGa AhXs/Grt/Xs二维屯子气枝光极讦可紀光发比二呢丹GaA3Apn . Gfi/s*PGaP曲结1E向伯賈的S合红外发此二槻 r5 Awpn夕占吐向作IWC的奴舍Ga As . Gi* Al AsInQaAsP, InSa A-iSbpn结BH近铃产敎反转 所形成的受織笈射Se. Cu2Sipn倍帕向評电咆力电犷器件Sapupa给杓的少敬戟t子注入与旗移幺阳电池, InP.CdT利M pn结分配)t生敬 河子辻V忙H黠fl怏电池Si Ge. 4Te ScW刃*1效应半冷体致冷Bi Te Se波尔站效应由于本书内容的

4、限制.未对这些效应与原理加以说明。7.2晶体二极管二极管是具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件。其原理已在第四章中介绍过。当这两块半导体结合成一个整体时.如图3.6(b), P型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大 量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非 无休止的，因为这种扩散打破了边界附近的电中性, 空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便 形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电 势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势 场(电场)，或称扩散电势.这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防 止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平 衡的电势用V扩

5、表示，这就构成pn结。N|啊* 皆冶 O 0 (3 GLdprdNw r(b)图3 6pn结原理示意电子 0 带正电离子 o 空穴O帯散电离子图3.6 pn结原理示意图当加上外加电场V外时：如果正极接到p型区， 负极接到n型区， 见图3 6中(c).因为半导体材料具有一定 的电导率.因此电压降的主要部分却落在 了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相 反，于是降低了内建电场，减少了阻拦层 的厚度，使电流顺利通过。而当电场方向相反时，内建电场与外加 电场相叠加.见图3.6中(d),增加了阻挡 层的厚度.使电流不能通过。 这就是结的 整流作用。当电压方向使pn结导通时，称为正向偏置，当电压方向使阻挡层

6、加厚时，称为反向 偏置。 Qi O G O O Oi O 0 G o GQ。Qo& 爭oOOQ0 e 0 9 0O0OGQ 00&二极管主要应用于整流与检波。交流电圧加在pn结上时.如使正电斥接于p型区，负电压接于n型区时电流就通过， 而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安 特性如图7.1。从图中可以看出当电压为正向偏置时，所获 电流为正向电流，可达几千安培，而电压为反 向偏置时，通过的电流为几亳安培，或小于1亳安。反向饱和电流启穿电流图71 pn结二极管的伏安特性V扩V(c)Vb-击穿电压正向电流二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等.所用的材料为硅、猪、硒、碎化稼等

7、。 有的器件在pn结中间加一个高阻戻，称i层，这就是pin二极管。例如徳波用的碱掩習崩渡域 时间二极管(IMPATT)就是这种结构。利用肖特基势垒的二极管称肖特基二极管。利用异质结构成的二极管称为异质结二极管.耿氏器件也有两个端子，但没有pn结也称为耿氏二极管，它是利用电子的导电的转移而产生 微波振荡，又称转移电子器件。作这种器件的材料有碎化稼与确化钢。反向电流是由于少数载流子产生的，即 在P区有少址的电子， 因为在P区主要是 空穴，而少重的电子是呈平衡状态的，同 样在n区也有少数载流子-空穴。这些载 流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成 电流，这种电流强度与所加的电压无关， 因此在被击穿前是

8、一个常数。在正常掺杂浓度下， 击穿是由于pn结的 反向偏置电压高到一定的程度时，少数載 流子具有很大的能量，以致发生碰撫电离 现彖，顿时产生大量的载流子使电流猛增, 失去整流的效应。对用作整流器的二极管而言，耐反向电 压是个重要的指标，材料的电阻率愈高， 耐压愈高.单个硅的二极管的耐压可达几 千伏.eooo93 dJGe1 I an I n n o 2咼o 00 0OO00 0 00 Q 00 c(d)业子$带止电离子。空穴O帯负电离子图3.6 pn结原理示虑图V外(c)Vir00%00 eoeoo0 00 07.3太阳电池其基本结构亦为pn结， 通常只有一个pn结. 它的工作原理见图7.2。

9、太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。电磁波的能量可用hv来表示，其中h为普 朗克常数，v为电磁波的频率。当太阳光照 到带pn结的半导体表面时， 其中hvEg,即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价 带中的电子，使之形成电子空穴对。这些 电子与空穴受结内建电场的作用，p区与n区的少数載子可穿过pn结向对方流动，也 就是说，P区中的电子流入n区，而p区中 的空穴则受内建电场的排斥则留p区，n区 的少数載流子空穴也同样流向P区.这样pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。 这种效应称为光生伏打效应.将p区与n区 用总线联结，就可形成电流，这就是太阳电池发电的原理，见图7.2。太阳能电池的分类:按运用分

10、：有空间电池和地面电池按材料分：有硅太阳电池和化合物太阳电池。按工艺分：有常规制造工艺(热扩散)、外延结(液相外延和气相外延) 和化学气相沉积。按PN结结构分：有同质结、异质结、平面结、垂直结和多结电池。按光学特性分：聚光电池、背反射电池、紫光电池和绒面电池。按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类:(1)单晶硅太阳能电池(2)多晶硅太阳能电池(3)非晶硅太阳能电池(4)多元化合物太阳能电池(5)聚光太阳能电池下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。G电子入肘光P型半导体Pn结“SI半导体按材料组成和结构分类：晶体硅 _r单硅晶块日I多晶硅块HIT异质材料夹层硅材质/ （异质结）非晶

11、硅薄膜I微晶硅薄膜目前最主要光伏材料化合物半导体镉确（II-VI族化合物）薄膜太阳能电池III-V族化合物多元化合物（铜锢稼二硒、GaAlAs/GaAs InP. CdS/Cu2SCuInSe2）等太阳能电池染料敏化太阳能电池单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达2 0%以上，但价格 也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光 电变换效率达到1 0 %,每瓦发电设备价格降到12美元时，便足以同现在的发电方式竞争。特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由碎化镇半导体同伊化稼半导体重叠而成的太阳能电池，光电

12、变换效率可达3 6%,快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是 主要技术。图1给出了2005年，世界光 伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为87% 2。硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产 硅太阳电池的原材料非常容易获得。 而且 硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由 于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技 术之上，所以，这个技术被普遍地接受和 理解。目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中 占据主要地位，但是在能源供应中并不是 主要的供应来源。无论是国内还是国外， 它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与 水电，火电和核电相比.硅太阳能电池的 电力

13、价格是比较高的，所以，它的成本回 收周期需要很长时间。居高不下的成本是 限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键 因素。7.4晶体三极管是用半导体材料制成的具有三个端子的器件，简 称晶体管。它是重要的分立器件、也是构成集成 电路的主要元件.晶体三极管的种类很多，基本 可分为两大类：结型晶体管和场效应晶体管。7.4.1结型晶体管它有两个pn结，于是就有两种结构.BPnpn或pnp。现 以pnp为例来说明基本工作原理（见图7.3）。首先我们先看E B间的pn结，根据3 2节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量 的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏貿，

14、即n区的 电子受电场的作用不能进入P区，但空穴可自由地进入p区.于是从E处到达n区的空穴就在电场的作用下进入P区而到达C极，即收集极.从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管 工作的基础。通过专门的设计， 特别是把中间的基区作得很薄， 使从发射极注入的载流子在基极内被复合得 很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这 虽对电流未起放大作用，但由于B C间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生电压放大和功率 放大的作用。其放大倍数可达1000以上。不同太阳能电池的市占率2005年世界光伏市场中，各种太阳电 池占据的比重2图7.3晶体三极管工作原理图

15、7.4.2场效应晶体管一种电压控制的器件，其原理如图7.4所示。 例如是在一块n型半导体薄片的上下两边，各 作一个重掺P型层以P+示之.所形成的电极称为 橱极G）, p+与n型材料之间形成pn结。对这 两个栅极施加反向偏置，根据前面所述的结pn原理，此时的pn结的空间电荷区要扩张，见图 内虔线所示，这样在这个电荷区之间便形成一 个沟道.于是就可以调节从源（S ）到漏（D）之间的电阻，直至完全关断。因为这种类型的晶体管只靠多数载流子导电，与少数载流子的寿命无关，少数载流子寿命短 的材料也可制作这类器件。用作此种晶体管的材料有硅、碎化稼等.与其类似的还有肖特基势垒栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管

16、。所有的场效应管，只有一种载流子（电子或空穴）参加导电故称为单极型晶体管。而上述的结型晶体管有两种载流子，即空穴与电子同时参加导电，故称双极型晶体管。7.5发光二极管是利用pn结进行发光的器件，当向其pn结通入正向电流时，可发出红外光或可见光。我们在前面已经说过，半导体材料的导带 与价带间存在着禁带。导带中的电子数与价 带中的空穴数取决于材料的禁带宽度、温度 与奈质，当这些条件被确定并达到平衡后， 其载流子浓度即为常数，这种载流子称为平 衡载流子.要想实现发光必需要有某种激发过程以不 断提供过剩的载流子，也称非平衡载流子， 通过这些非平衡裁流子的复合以实现发光.所谓复合，就是被激活的电子又回到

17、价带与空穴复合并释放出能鼠。要想使这个过程能不断 地发生，可以通过pn结，如图7.5所示.图7.4场效应品体管工作原理示意图导敝位）价带占）O空诂： 电f图7.5发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时）当在结上加上正向电压时，大量的空穴进入p区，大量的电子流入n区，这就可形成不断复 合、不断提供载流子的过程.如果禁带是直接跃迁型的(即直接禁带)， 那么这复合所释放的能量就可以变成光， 光的波 长入为：X =hc/Eg(7-1)其中h为普朗克常数；c为光速；Eg为禁带宽度。 因h与c均为常数,如Eg的单位为电子伏(eV)时，入=1240/Eg(nm)(7-2)如果材料的禁带是间接型的，电子与空

18、穴直接复合的几垂很小，是通过声子进行复合，而声 子把能量传给晶格，造成材料发热，这就形成了非辐射复合。所以多采用宜接禁带材料作发光二极管，对某些间接禁苒材料只有采取专门的措施，才能用 于发光。可见光的波长为390760nm,根据(7 2)式计算，应选择禁带宽度在1.64-3.18eV之间的半 导体.硅、错的禁带宽度小，且为间接禁带，不能作发光二极管材料。GaAs是直接禁带，其禁带宽度为1.43eV,是良好的红外发光管材料，该器件已批量生产. 在可见光区域内使用的半导体材料有GaP、GaN、SiC及各种固洛体。固溶体在发光二极管中得到大量应用的原因是可以利用其组成的变化来调整其禁带宽度， 表7.

19、2列出了发光二极管所用的主要半导体材料及其结构.诱化稼的禁带宽度为2.26eV,但它的禁带是间接型的.为了提高GaP的发光效率，在其中 掺入N或Zn O对，这些杂质在其中可形成等电子陷阱，通过这种陷阱所形成束缚激子的复合 亦可发光。这方面的机理已超出本书范围，所以只在这里涯一下。GaP是发光二极管使用最多的晶体材料。表7.2发光二极管的主要材料结构与发光性能外延（樓杂剂）H底发光妙邑波氏（TIE ）GaP：(ZnO)GaP红7004 75Gao usAlii. 3!AKGa Ab*红66037usAlu.於A*Ga Al As红6609-12(RAZ石1%.:A&虹6500. 2GRA

20、J巧匕：(N)(；aP63003065tia A/.炸丄(N )GaP黄5900. 120. 25GaP：(NGaP黄57001GaP：(NGaP5650. 307GRPGaP绿55S0. 080. 2SiCSiC4800. 00400?GalnNAhOi绿5254 63GnlnNAhOj蓝45091长期困扰发光二极管发展的一个难题是它发光的颜色不全：只有红色、橙色、黄色、 黄绿色，没有纯绿色及蓝色的产品。根据三基色的原理，缺少这两种颜色就不能形成全 色显示.最近这一难题在氮化俅材料上获得了夹截GaN的禁带宽度为3.39eV,以此为基础，可制出短波长的发光二极管，但长期由于 无法进行p型掺杂而

21、未能实现。于1989年发现了对掺Mg的GaN进行专门的处理，可获得低阻p型材料。最近利用GalnN固洛体已制成纯绿色和纯蓝色发光管.并有相当高的发光效率.在这里，材料工艺起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生长并保证其性 能有高度的均匀性、一致性，以及单异质结、双异质结、量子阱的生长技术等对制作发 光管都是很重要的.人类的视觉对不同颜色的光也就是不同 波长的光的感受能力不同，称为视感度 又称流明效率。图7.6示出主要发光二极管的发光波长 与视感度的相互关系。发光二极管是重要的显示器件。是目前 生产规模最大的化合物半导体器件。7.6激光二极管半导体材料可用来制作激光发射器件，它的激发方

22、 式有两种，一种是电注入激光二极管，它是靠电能直 接漁发发射出激光，另一种则靠光泵进行澈发.注入式激光二极管的结构见图7.7所示。 当向pn结施 加正向偏貿时，根据上述发光二极管的原理可产生pn结发光，这种发光属于上述的自发发射。如果继续提高电压与电流有可能产生受激发射，而 产生激光.对注入式激光二极管而盲，产生这种受激发射的条 件是：半导体材料应具有直接禁带，产生粒子数反转, 具有光谐振腔。只有在宜接禁带的半导体材料中，电子与空穴宜接复合几率才能很高。激光是高密度的单色光，没有很高的复合几率是无法实现的。所谓粒子的反转，对半导体而言，就是导带中能级上电子的占有率大于价带中相对应能级的 占有率

23、.我们知道，在没有电场的作用下，导带中各 能级的电子占有率要比价带中能级的电子占 有率低几个数童级.当激光二极管的正向电流大于一定数值时， 大量的电子与空穴被注入，就可能产生这种“反转”，当受到能量为Eg= hv的光量子作用时（这 种光最子也可能来自自发发射）就产生受激 发射。谐振腔是由序度为几十微米的pn结和与结 面垂直的两组平面构成谐振腔（见图7.7） 上面所说的当电流增大到一定临界值时就产 生激光发射，这个临界电流值称为阈值电流， 这时，光功率与电流的关系发生突变，如图7.8 上述这种简单的激光二极管由于它的阈值电流 较大，在室温下，还未达到阈值电流时，二极管 就因电流过大而形成的温升所

24、烧毁，因此只能 在液氮下工作.进一步的改进是采用异质结：开始是单异质结, 然后是双异质结。双异质结是把一种具有直接禁带的薄层材料生 长在两个禁带宽度比它大的材料之间（直接或间 接禁带均可），图7.9示出了n GaAIAs/p GaAs/p-GaAIAs的结构及原理。这种异质结可以在电学与光学上起双重作用， 一方面由于外部材料的禁带比较宽，可以把载流 子限制在结区内， 使其更有利于发光， 同时由于 两种材料的折射率不同，使光限制在有源区内. 釆用这种方法，获得了激光二极管的室温连续发 射。图7 9双异质结激光二极管工作原理示意图图7.8激光二极管的电流与光输出的关系折M华|再进一步的发展则是采用

25、量子阱结构。如果我们把双异质结构中间薄层的厚度进一步 减薄至10nm左右.即达到电子的德布子罗意波 长的范围内，就形成了址子阱结构，电子在垂宜 于异质结方向运动时就被盘子化。采用这种结构就进一步地降低阈值电流，也可 改善光的单色性，并可对光的波长进行一些调节。 为了增加有源区的厚度，可作成多量子阱结构。 许多直接禁带半导体材料都可以用来制作激光 一根管的有源层.根据所需的波长不同.常选用 固溶体材料，图列出了一些固溶体的发光波长。常用的衬底材料有GaAs、InP、GaSb等。半导体激光二极管具有结构简单、可直接用电 进行激发.便于调制、体积小等优点。在光通讯、测距、制导.光存储.激光打印 条码

26、扫描.CD唱盘等方面得到广泛的应用。随着信息技术的发展，将会有更美好的前景。Pbi SnSc |-Ph -角严-1临 4-Pinc -.i - CdS-1-y -I hit -. . 4 lnt.- -In| 4In.rAI,lIGai - “AlyA、(3-4(Al/Jajr)yIni-yP2 T 11.61246 8 1020图7.10些面溶体材料的激光波长7 7金属氧化物半导体( (MOS)型集成电路集成电路的种类很多，其中可分为MOS型电路与双极型电路两大类MOS是金属氧化 物半导体( (metal oxide semiconductor)的 简称，由它们构成的 场效应晶体管(见7.4

27、.2)与电阻、电容 笹元件所组成图7 示出了MOS意图，这里显示出的管，将它们联结可组图7们MOS电路单元结构示意图(b) nMOS构示意图nMOSpMOS(v) CMOS结构示息图是把多个4 7 1节所述的结型晶体管与电阻电容等元件作在一个硅片上。它的单兀结构示意图见图7.12o由图可见， 在P型衬底上先用扩散等 方法作成重掺的n型埋层，然后再进行 外延获得n型外延层。双极型电路的手段.从发射极( (E)到基极(B)之间是np组成pn结，然后基极与收集极( (C)之间是靠基极的P区与外延层形成的pn结，而C区的的n+层则起导电作用. 而两边两个p+区是利用它与外延层 所形成pn结起到晶体管与

28、晶体管或其 他元件间的隔离作用双极型电路的速度快，工作频率高. 缺点是功耗大，集成度相对比较低 用量没有MOS大。金属氧化物半导体(MOS)型集成电路町 分为PMOS、NMOS.CMOS.第N型型沟道工作的称NMOS；相反，如靠P型沟道：作的.称PMOS.如图7.11(a) 如果一个NMOS与一个PMOS组合成一个单元则称为CMOS,见图7.11 (c) , C是complementary,即互 补(补充)的意思，所 以CMOS可译成互补型 金属氧化物半导体。 MOS型电路具有工艺简单.容易制作高集成 度电路、功耗低等优点, 因此它的产量大，现在 的超大规模.特大规模 集成电路都是MOS型。A

29、lnMOSpMOSD隔离坏T CMOS结恂示意图图711 MOS电路单元结构示意图7.8双极型集成电路2) pMOS竹泪构示盘图(b) nMOS结构示意图型外延层图712双极型电路单元结构示意图B基板；E-发射极；C收集极第8章 展望半导体材料已显示出它的许多独特的性能，得到了广泛的应用，并在此基础上建立了庞大的产 业，引起了社会的巨大变革。曲么它的发展是否已达到宁顶峰？我们认为，它的潜力还很大，基于以下一些原因，在可望的 将来，它仍将高速发展，它在人类社会中的地位将变得更为重要。(1)(1)微电子学、光电子学都将以很高的速度继续发展口其中集成电路的集成度以每3年增大4倍的速度继续发展，其市场平均増长率为15%左右。口佰息高速公路，即国家的以及全球的佰息基础设施是人类历史上空前的巨大工程。这为研究开 发半导体，扩大半导体材料市场开辟了广阔的天地。估计在不远的将来，信息产业将成为全球的 第一大产业。这个产业除本身