第8章_半导体材料

1、 1947年年12月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管，同获克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管，同获1956年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 半导体材料的发展半导体材料的发展 薄层外延技术、化合物半导体、薄层外延技术、化合物半导体、微电子技术微电子技术n光电导光谱特性的光电导光谱特性的测量，已成为确定测量，已成为确定半导体禁带宽度的半导体禁带宽度的有效方法有效方法 （1）因为当有因为当有N个相同的自由原子时，每个原个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是子内的电子有相同的分立的能级，它们

2、是N重简重简并的，当这并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡违反泡利不相容原则利不相容原则）从而只能分裂成）从而只能分裂成N个非常靠近的个非常靠近的能级（能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为连续的区域，称为能带。能带。1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带（2）电子填空能带的情况）电子填空能带的情况a、满带：、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带各能级都被两个自旋相反电子填满的能带满带满带E 当电子从

3、原来状态转移到另一状态时，另一电当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。中电子不能形成电流。导带导带E电子可在外场作电子可在外场作用下跃迁到高一用下跃迁到高一级的能级形成电级的能级形成电流。故称为流。故称为导带导带。b、导带：、导带：能级没有被电子填满的能带能级没有被电子填满的能带c、空带：、空带：各能级都没有被电子填充的能带各能级都没有被电子填充的能带d、价带：价电子所处的带称为价带、价带：价电子所处的带称为价带（3）金属、半导体、绝缘体的能带结构）金属、半导体、绝缘体的能带结构a、导体：

4、价带是导带或等效导带、导体：价带是导带或等效导带导带导带满带满带满带满带空带空带满带满带空带空带重叠重叠相连相连b、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大满带满带空带空带)63(eVEgeV63gE禁带禁带例如金刚石中两个碳原例如金刚石中两个碳原子相距子相距15纳米时，纳米时，Eg=5.33eV。 c、半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小、半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小满带满带空带空带eV21 . 0gE禁带禁带)21 . 0(eVEg例如硅例如硅 Eg=1.12eV，锗锗 Eg=0.66eV，砷化镓砷化镓 Eg=1.43eV。 二、本征半导体与杂

5、质半导体二、本征半导体与杂质半导体1 1、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少实际应用实际应用 空带空带满带满带禁带禁带-e-e-e-eEIeIP 本征激发本征激发空空穴穴电电流流导电机制：导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）（本征导电）n n型：本征半导体中掺入微量型：本征半导体中掺入微量高一价的元素高一价的元素杂质原杂质原子，多余电子导电子，多余电子导电 例在四价锗（例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入五价砷（）元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4

6、+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5掺入掺入AS以后，五个价电以后，五个价电子中，有四个电子与周子中，有四个电子与周围的围的Ge组成共价键晶体组成共价键晶体，还多余一个电子，此，还多余一个电子，此电子成为自由电子电子成为自由电子p p型：本征半导体中掺入微量型：本征半导体中掺入微量杂杂质原子，空穴导电质原子，空穴导电 例在四价锗（例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（）元素半导体中掺入三价硼（B）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4

7、+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4Ge掺入掺入B以后，以后，B是三价，是三价，与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还缺少一个电子，晶体，还缺少一个电子，从而形成一个空穴，形从而形成一个空穴，形成空穴导电。成空穴导电。BB+3+3+3+3n型半导体与型半导体与p型半导体的能带模型型半导体的能带模型一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。如十亿分之一就可达到目的。P型衬底型衬底P-n结的构造：结的构造：N型杂质型杂质扩散扩散 n-type semicondu

8、ctor p-type semiconductor Photovoltaic effect应用：半导体光电池、应用：半导体光电池、光敏二极管和光敏三光敏二极管和光敏三极管等。极管等。户外半户户外半户外全彩显外全彩显示屏用示屏用LED发光发光二极管二极管图图5.3 高纯多晶高纯多晶Si的制备工艺流程图的制备工艺流程图 0.18微米微米上海上海“汉芯一号汉芯一号”利用利用0.3微米线宽工艺在微米线宽工艺在10mm20mm的芯片上集的芯片上集成了成了1.4亿个元件，即集成密度达亿个元件，即集成密度达70万个元件万个元件/毫毫米。每个芯片可包含多至上百万个晶体管。米。每个芯片可包含多至上百万个晶体管。晶体管小型化的速度是非常惊人的。从晶体管小型化的速度是非常惊人的。从60年代年代线宽线宽10微米，到微米，到90年代已达到线宽年代已达到线宽0.5微米或微米或更小。更小。2 2集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯片上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电片上