現(xiàn)代電子材料與元器件1

3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)1本征半導(dǎo)體圖3.1不同材料的能帶結(jié)構(gòu)金剛石：5.4eV硅：1.12eV鍺：0.67eV本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制：依靠本征激發(fā)的等量導(dǎo)帶電子和價帶空穴導(dǎo)電。當前1頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)n型半導(dǎo)體圖3.2非本征的n型半導(dǎo)體當前2頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)p型半導(dǎo)體圖3.2非本征的p型半導(dǎo)體當前3頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)圖3.3半導(dǎo)體硅中金的深能級金在導(dǎo)帶下0.54eV處有一個受主能級，在價帶上0.35eV處有一個施主能級。當前4頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)深能級雜質(zhì)大多是多重能級。它反映出雜質(zhì)可以有不同的荷電狀態(tài)：在這兩個能級中都沒有電子填充的情況下，金雜質(zhì)是帶正電的，當受主能級上有一個電子而施主能級空著時，金雜質(zhì)是中性的；當金雜質(zhì)施主能級與受主能級上都有一個電子的情況下，金雜質(zhì)帶負電。深能級雜質(zhì)和缺陷在半導(dǎo)體中起著多方面的作用。例如，它可以是有效的復(fù)合中心，使得載流子的壽命大大降低；它可以成為非輻射復(fù)合中心，而影響發(fā)光效率；它可以作為補償雜質(zhì)，而大大提高材料的電阻率。當前5頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費米能級和載流子濃度由雜質(zhì)能級或滿帶所激發(fā)的電子，使導(dǎo)帶產(chǎn)生電子或使價帶產(chǎn)生空穴，這些電子或空穴致使半導(dǎo)體導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。半導(dǎo)體中電子的分布遵循費米分布的一般規(guī)律。圖3.4費米分布函數(shù)滿帶中空穴的占據(jù)幾率為當前6頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費米能級和載流子濃度電子濃度空穴濃度電子和空穴的濃度分別決定于費米能級與導(dǎo)帶底、費米能級與價帶頂?shù)木嚯x。對于n型半導(dǎo)體，在雜質(zhì)激發(fā)的范圍，電子的數(shù)目遠多于空穴，因此費米能級EF應(yīng)在禁帶的上半部，接近導(dǎo)帶。而在p型半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目遠多于電子，EF將在禁帶下部，接近于價帶。當前7頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費米能級和載流子濃度對于確定的材料來說，禁帶寬度是確定的，所以電子和空穴密度的乘積只是溫度的函數(shù)。半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子越多，則空穴越少；反之，空穴越多．則電子越少。例如，在n型半導(dǎo)體中，施主越多，電子越多，則空穴越少，故電子稱為多數(shù)載流子，而空穴稱為少數(shù)載流子。當前8頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)歐姆定律遷移率一方面決定于有效質(zhì)量，一方面決定于散射幾率。散射可以是由晶格振動引起的，也可以是由于雜質(zhì)引起的。在溫度較高時，晶格振動是散射的主要原因，隨溫度的升高而增加。在低溫時，雜質(zhì)散射是主要的散射方式。圖3.5電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系當前9頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)在溫度較低時，隨著溫度升高電導(dǎo)率不斷增加，這是由于在雜質(zhì)電離隨溫度升高而增大，因而電導(dǎo)率對數(shù)與溫度的倒數(shù)之間存在線性關(guān)系；在高溫時本征激發(fā)已成為主要影響因素，載流子只取決于材料的能帶結(jié)構(gòu)，此時電導(dǎo)率對數(shù)與溫度的倒數(shù)之間也存在線性關(guān)系，但直線的斜率不同。而在中間溫度范圍，電導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，這是由于此時雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，因此載流子的數(shù)目不會增加，而晶格散射隨溫度升高而增加，從而使得遷移率下降。當前10頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)由于電導(dǎo)率受多種因素的影響，其中電離的雜質(zhì)濃度依賴于溫度和雜質(zhì)能級，所以半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度可能與載流子濃度不同。為了直接測量載流子濃度和電導(dǎo)率，最直接的方法是利用霍爾效應(yīng)。

圖3.6霍爾效應(yīng)當前11頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)當半導(dǎo)體片放置在x-y平面內(nèi)，電流沿x方向，磁場垂直于x-y平面。如果是空穴導(dǎo)電，那么它們沿電流方向運動的同時，也受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成電荷的積累，從而導(dǎo)致一個與洛倫茲力方向相反的電場力。當兩者相等時，霍爾系數(shù)為對于電子導(dǎo)電（n型半導(dǎo)體），霍爾系數(shù)為由霍爾系數(shù)可以直接測得載流子的濃度，而且，由它的符號可以確定是空穴導(dǎo)電還是電子導(dǎo)電。當前12頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子熱平衡時，滿足但在外界作用下，有可能使電子濃度和空穴濃度偏離平衡值。例如，在光照下，由價帶激發(fā)電子至導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對，使電子濃度增加Δn，空穴濃度增加Δp，多余的載流子稱為非平衡載流子。

多數(shù)載流子的數(shù)量一般會很大，非平衡載流子通常不會對它的數(shù)目產(chǎn)生顯著的影響。但對于少數(shù)載流子而言，其數(shù)量的變化將是十分顯著的。因此，在討論非平衡載流子時，最關(guān)心的是非平衡少數(shù)載流子。當前13頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(fù)合和壽命非平衡載流子會自發(fā)地發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)電電子由導(dǎo)帶回落到價帶，導(dǎo)致一對電子和空穴消失，這是一種由非平衡恢復(fù)到平衡的自發(fā)過程。所謂熱平衡，實際上是電子-空穴不斷產(chǎn)生和復(fù)合的動態(tài)平衡。當存在非平衡載流子時，這種動態(tài)平衡被破壞。在最簡單的情形中，非平衡載流子復(fù)合以一個固定的概率發(fā)生，單位時間、單位體積復(fù)合的數(shù)目可以用復(fù)合率表示，當前14頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(fù)合和壽命光照撤去后，非平衡載流子逐漸消失當光照撤去后，非平衡載流子是隨時間呈指數(shù)形式衰減。τ描述了非平衡載流子平均存在時間，通常稱為非平衡載流子壽命。對于光電導(dǎo)現(xiàn)象，τ決定著在變化光強下，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢。當前15頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(fù)合和壽命實驗證明，非平衡載流子壽命τ與材料所含雜質(zhì)有關(guān)。對于同一材料，制備方法不同，τ值可相差很大。這是由于電子從導(dǎo)帶回落到價帶往往主要通過雜質(zhì)能級，電子先落入到一個空的雜質(zhì)能級，然后再由雜質(zhì)能級落到價帶中的空穴。有些雜質(zhì)在促進復(fù)合上特別有效，成為主要決定非平衡載流子壽命的雜質(zhì)，被稱為復(fù)合中心。當前16頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴散在金屬和一般半導(dǎo)體的導(dǎo)電過程中，載流子都是依靠電場的作用而形成電流，稱為漂移電流。但半導(dǎo)體中的載流子還可以形成另外一種形式的電流，稱為擴散電流。擴散電流是由于載流子的濃度分布不均勻而造成的擴散運動后所形成的。對于非平衡載流子而言，擴散往往是最主要的運動形式。在通常的情況下，少數(shù)載流子的數(shù)量極少，與多數(shù)載流子相比，漂移電流是微不足道的，但正是由于有非平衡載流子的存在，使得可以在不破壞電中性而形成載流子濃度的變化，從而形成顯著的擴散電流。當前17頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴散考慮一維穩(wěn)定擴散的情況。以均勻光照射半導(dǎo)體表面，而且光在很薄的薄層內(nèi)被吸收。光產(chǎn)生的非平衡載流子通過擴散向體內(nèi)運動，一邊擴散，一邊復(fù)合。在穩(wěn)定光照下，將在半導(dǎo)體內(nèi)建立起穩(wěn)定的非平衡載流子分布。載流子擴散流密度正比于載流子濃度變化梯度，比例系數(shù)D稱為擴散系數(shù)，負號表明擴散運動總是從濃度高的地方流到濃度低的地方。當前18頁，總共85頁。3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴散非平衡少數(shù)載流子邊擴散邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布，滿足連續(xù)方程L表示非平衡載流子深入樣品的平均距離，稱為擴散長度。第一項表示因擴散造成的積累，第二項表示因復(fù)合而造成的損失。通解為擴散電流密度當前19頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)在半導(dǎo)體中，光的衰減與光強成正比光吸收系數(shù)當光在介質(zhì)中傳播的距離為1/α?xí)r，則光強衰減到原來的1/e，于是可把1/α近似看成是光能夠穿透樣品的深度。光是一種電磁波，對于在沿某x方向傳播的平面電磁波，其光強I是按照指數(shù)規(guī)律進行衰減光損耗系數(shù)，或是消光系數(shù)，表示電磁波能量衰減的大小當前20頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)不同波長的光能夠穿過樣品的深度也是不同的，對于吸收很強的材料，光吸收實際上只發(fā)生在樣品的表面層內(nèi)。半導(dǎo)體材料通常對光的吸收很強，材料吸收光的輻射之后，使得電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體材料受到光照射時電導(dǎo)率變大的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)。當前21頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)無光照時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或暗電導(dǎo)率

在光照條件下，半導(dǎo)體中將產(chǎn)生光生電子和光生空穴稱為光電導(dǎo)當前22頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)光電導(dǎo)有雜質(zhì)光電導(dǎo)和本征光電導(dǎo)兩大類本征光電導(dǎo)由本征吸收引起，相應(yīng)長波限是雜質(zhì)光電導(dǎo)是由雜質(zhì)吸收引起的，吸收波長取決于雜質(zhì)的電離能Ei

雜質(zhì)吸收的吸收系數(shù)較本征吸收的吸收系數(shù)小，激發(fā)的光生載流子濃度也較小，故同一材料中本征光電導(dǎo)一般比雜質(zhì)光電導(dǎo)大。此外，雜質(zhì)吸收所產(chǎn)生的光生載流子或是空穴，或是電子，而本征吸收則能產(chǎn)生電子空穴對。

當前23頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)光電導(dǎo)效應(yīng)的強弱表示為式中，比值越大，則光電導(dǎo)效應(yīng)就越強，反之就越弱。降低工作溫度，使得n0和p0濃度減小，是獲得較強光電導(dǎo)效應(yīng)的有效措施。當前24頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性電容效應(yīng)勢壘電容pn結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)存在不能移動的正的和負的電離雜質(zhì)電荷，當外加偏壓使勢壘區(qū)電場變化時，必須改變勢壘區(qū)寬度以改變空間電荷量，這種微分電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。圖3.7pn結(jié)反偏電壓的變化導(dǎo)致空間電荷區(qū)的變化對于反偏pn結(jié)，空間電荷區(qū)的勢壘電壓為VD+VR，此時單位面積的勢壘電容可表示當前25頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性電容效應(yīng)擴散電容反偏的pn結(jié)以勢壘電容起主要作用，而對于正偏的pn結(jié)，擴散電容和勢壘電容都起作用。pn結(jié)在加正向偏壓時，由于少子注入，在擴散區(qū)內(nèi)有一定數(shù)量的少子和等量的多子積累，其濃度隨外加電壓而變化，這種電容效應(yīng)稱為擴散電容在實際工作中，為簡單起見，常以零偏時的勢壘電容的4倍作為正偏時pn結(jié)的總電電容。當前26頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性擊穿特性

pn結(jié)上加反偏電壓會形成很小的反向電流。但反偏電壓不能無限制地增大，到某一臨界值，反向電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為結(jié)的擊穿。

擊穿并不等于器件的燒毀。若采用保護電阻或散熱裝置，使擊穿電流控制在一定范圍，pn結(jié)擊穿后可以重新恢復(fù)高阻狀態(tài)。否則，使反向電流無限增長，將導(dǎo)致pn結(jié)燒毀。當前27頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性隧道擊穿雪崩擊穿圖3.8pn結(jié)的擊穿機理隧穿幾率隨禁帶寬度Eg增大而減小，因而由隧穿效應(yīng)所決定的擊穿電壓具有負溫度系數(shù)。

隨溫度的升高，載流子的平均自由程減小，需要更強的電場在較短距離內(nèi)獲得足夠高的能量產(chǎn)生電子空穴對，因此雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)是正的。當前28頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料在不受應(yīng)力作用時，其電阻與電阻率ρ與長度l成正比，與截面積S成反比如果沿長度方向施加一個應(yīng)力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變與此同時，截面面積減小。又由于應(yīng)力引起能帶的變化，能谷的能量移動，導(dǎo)致電阻率變化

稱為泊松比當前29頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)電阻的變化有兩部分組成前一項為純幾何效應(yīng)；后一項代表的是物理效應(yīng)，即壓阻效應(yīng)。對于金屬，幾何效應(yīng)是主要的；對于半導(dǎo)體材料，物理效應(yīng)是主要的。當前30頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡單說明Si導(dǎo)帶等能面是極值沿<100>方向的6個旋轉(zhuǎn)橢球面。如圖沿[100]方向施加應(yīng)力T(<0)，則[100]方向被壓縮，晶格間距減少，而[010]、[001]方向則間距增大。禁帶寬度隨壓強的增加而減小。所以，沿[100]方向能量極值降低，而[010]、[001]方向能量極值增大。當前31頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡單說明無應(yīng)力作用下，每個能谷中的電子密度相同。在應(yīng)力作用下，由于極值發(fā)生變化，則電子要占據(jù)能量最低的狀態(tài)，即[010]和[001]能谷中的電子要向[100]能谷轉(zhuǎn)移。如圖，則[100]能谷的電子數(shù)目增加，而[010]能谷的電子數(shù)目減少。當前32頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡單說明考慮n型非簡并半導(dǎo)體，室溫下雜質(zhì)電離飽和，載流子密度不隨壓強變化，遷移率也與應(yīng)力無關(guān)。當前33頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)如果施加的應(yīng)力T>0，則電導(dǎo)率增加。如果測試方向改變，則電導(dǎo)率增加。需要注意，壓阻效應(yīng)是各向異性的，壓阻系數(shù)是一個張量。同時，由于發(fā)生了電子在能谷間的轉(zhuǎn)移，即要考慮谷間散射，使得遷移率也會隨應(yīng)力變化。利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可以制成各種器件，如半導(dǎo)體應(yīng)變計，壓敏二極管，壓敏晶體管等。當前34頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料受到與電流方向垂直的外加磁場作用時，不但具有霍爾效應(yīng)，還會出現(xiàn)電流密度下降和電阻率增大的現(xiàn)象，這種外加磁場使電阻變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)由兩部分組成，一部分由材料的物理性質(zhì)所決定，稱為半導(dǎo)體材料的物理磁阻效應(yīng)；另一部分由材料的幾何形狀所決定，稱為材料的幾何磁阻效應(yīng)。

當前35頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)以p型半導(dǎo)體為例考慮正交電磁場，合成電場與J成一定夾角，即霍爾角θ。在洛倫茲力和電場力的作用下，空穴如圖所示呈弧線運動。因而散射幾率增大，平均自由時間減少，遷移率下降，電導(dǎo)率降低，但該因素引起的電阻率幾乎可忽略。即不考慮速度統(tǒng)計分布時，（認為平均自由時間與速度無關(guān)），則不顯示橫向磁阻效應(yīng)。當前36頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)實際上，半導(dǎo)體材料中載流子的速度分布是一種統(tǒng)計分布，即平均自由時間與速度有關(guān)。那些以平均速度運動的載流子，所受到的洛侖茲力和霍爾電場力會達到平衡，載流子運動的方向為外加電場所指定的方向。但那些比平均速度大的載流子，它們所受到的洛侖茲力將大于霍爾電場力，并沿洛侖茲力指定的方向偏轉(zhuǎn)。那些比平均速度小的載流子則沿霍爾電場的方向偏轉(zhuǎn)。結(jié)果使得沿外加電場指定方向運動的載流子數(shù)量減少，表現(xiàn)為材料的電阻率增大。——表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)當前37頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)設(shè)半導(dǎo)體薄片在外加磁感應(yīng)強度為零時所具有的電阻率為ρ0，在外加磁感應(yīng)強度為B時所具有的電阻率為ρB。半導(dǎo)體材料的電阻率變化為磁場不太強時，對于等能面為球面的非簡并半導(dǎo)體有橫向磁阻系數(shù)霍爾遷移率當前38頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)在相同磁場作用下，由于半導(dǎo)體片幾何形狀的不同，而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。沒有磁場時，電流密度與外加電場方向一致。加磁場后，由于橫向電場的作用，使得電流密度與合成電場不一致。當前39頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)如圖所示的長條形樣品，在金屬電極處，由于霍爾電場EH受到電流電極短路作用而減弱，電子運動受洛倫茲力的影響而發(fā)生偏斜，所以電流方向偏斜θ。在半導(dǎo)體中間部分，霍爾電場EH不受電流電極短路作用的影響，霍爾電場力作用及洛倫茲力作用達到平衡，運動方向不發(fā)生變化。但合成電場因受霍爾電場作用而發(fā)生偏斜，它與電流方向夾角也是霍爾角θ。當前40頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)故而在磁場作用下，電流流通的路徑增加，樣品電阻增大。其中l(wèi)的增加與樣品的形狀有關(guān)，對于長寬比大的長條形樣品，l的增大不明顯，而長寬比遠遠小于l的扁條形樣品，電流偏轉(zhuǎn)很厲害，電阻增大明顯。若形狀為圓盤，則電流以螺旋形流通，l大大加長，此時的幾何磁阻效應(yīng)最明顯。該圓盆稱為科比諾圓盤。當前41頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)一般來說，霍爾效應(yīng)明顯的則幾何磁阻效應(yīng)不顯著；反之霍爾電壓低，則幾何磁阻效應(yīng)顯著。利用磁阻效應(yīng)可以制作半導(dǎo)體磁敏電阻。遷移率越大，霍爾角越大，磁阻效應(yīng)越明顯，因此一般選用InSb、InAs等高遷移率的材料制作磁敏電阻。磁敏電阻比霍爾器件的靈敏度更高，結(jié)構(gòu)更簡單。當前42頁，總共85頁。3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)4電阻率的溫度特性當溫度為電離區(qū)的最低溫度時在非本征溫度區(qū)，n=Nd，電阻率與溫度的關(guān)系為在本征溫度區(qū)，則隨著溫度升高，電阻率下降。當前43頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體Ⅳ-Ⅳ化合物Ⅲ-Ⅴ化合物Ⅱ-Ⅵ化合物SiSiCAlPZnSGeSiGeAlAsZnSeAlSbZnTeGaNCdSGaPCdSeGaAsCdTeGaSbInPInAsInSb當前44頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類1元素半導(dǎo)體材料（1）Si是目前應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的主要材料硅在地殼中含量約占27%，僅次于氧，自然界中，Si以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。Si的單晶相對容易制備，成本低Si平面工藝使得集成電路成為可能Si的特性雖不是最優(yōu)，但基本覆蓋常用的場合當前45頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類1元素半導(dǎo)體材料（2）Ge是開發(fā)較早的半導(dǎo)體材料Ge在地殼中含量約為2×10-4%。（稀有元素）Ge的資源：煤和煙灰，分散的Ge與金屬硫化物共生鍺礦石鍺精礦提純當前46頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類1元素半導(dǎo)體材料（2）Ge是開發(fā)較早的半導(dǎo)體材料遷移率高較高的工作頻率和開關(guān)速度雪崩二極管高速開關(guān)探測器高折射率和低吸收率光學(xué)器件光纖摻雜劑當前47頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類1元素半導(dǎo)體材料（3）硒是一種黑色玻璃態(tài)半金屬灰色金屬光澤六種形態(tài)地殼中含量少對光敏感光電池整流器硒鼓當前48頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類1元素半導(dǎo)體材料（4）金剛石是碳的同素異構(gòu)體光學(xué)、化學(xué)、物理化學(xué)、機械方面有廣泛應(yīng)用可做熱沉提高芯片散熱效率對遠紅外到紫外是透明的，可做透鏡的保護膜和窗口材料當前49頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料

（1）砷化鎵(GaAs)單晶是目前應(yīng)用最廣泛的化合物半導(dǎo)體材料性質(zhì)GeSiGaAs介電常數(shù)16.011.813.1能隙，Eg（eV）0.671.121.43折射率4.03.43.3熱膨脹系數(shù)（1/℃）5.8×10-62.6×10-66.86×10-6

電子，μn3,9001,5008,500

空穴，μp1,900500400比熱（J/g-℃）0.610.70.35熱導(dǎo)率（W/cm-℃）0.61.50.46熱擴散率（cm2/s）0.360.90.44當前50頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料

（1）砷化鎵(GaAs)雙能谷結(jié)構(gòu)——微波器件Eg大，可在更高的溫度和更大的反向電壓下工作——功率放大器電子遷移率高——高頻、高速器件和微波單片集成電路直接躍遷——發(fā)光器件、激光器摻入雜質(zhì)可得到半絕緣的高阻材料——集成電路的襯底和紅外探測器當前51頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料（2）磷化銦(InP)單晶是最重要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料之一典型的極性半導(dǎo)體InP——In：1.8；P：2.2；相差0.4則離子鍵成分：4%，共價鍵成分：96%Ga可以與3個P構(gòu)成共價鍵所以，對于整個晶體來說，共價鍵成分：96×3/4=72%；離子鍵成分：28%當前52頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料（2）磷化銦(InP)銀灰色，質(zhì)地軟脆負阻效應(yīng)大于GaAs，制作微波器件和放大器比GaAs器件好抗輻射性能強——空間應(yīng)用太陽能電池截止頻率高——毫米波雷達、衛(wèi)星通信InP襯底上生長的GaInAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)制作的光電器件能滿足波長范圍的光纖通信技術(shù)的要求熱導(dǎo)率大于GaAs，有利于散熱以及大功率器件當前53頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料（3）SiGe材料被稱為“第二代硅微電子材料”無限互溶與Si的平面工藝兼容電學(xué)性能較Si強本征躍遷發(fā)光波長范圍是1.3μm~1.55μm，是長距離光纖通信的理想波長窗口。SiGe/Si的應(yīng)變超晶格，可形成直接帶隙結(jié)構(gòu)，從而可用于光電集成路。SiGe加C可造成異質(zhì)結(jié)能帶突變，從而增強電子的量子限制作用，適用于HBT。當前54頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類2化合物半導(dǎo)體材料（4）碳化硅(SiC)有獨特的物理及電子特性寬禁帶半導(dǎo)體材料高擊穿電場高熱導(dǎo)率高電子飽和速度硬度大高功率、高頻率、高溫的“三高”器件當前55頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)物質(zhì)是原子排列上的長程無序而短程有序的一種結(jié)構(gòu)。目前主要的非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩大類：一類是四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體，如非晶態(tài)Si、Ge、GaAs等；另一類是硫系玻璃，即含硫族元素非晶態(tài)半導(dǎo)體，如二元系（As-Se、As-S）和多元系（As-Se-Ge-Te）。當前56頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)與晶態(tài)半導(dǎo)體具有類似的基本能帶結(jié)構(gòu)，只是在非晶態(tài)中鍵角和鍵長有一定程度的畸變。非晶態(tài)半導(dǎo)體不存在有周期性非晶態(tài)半導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)缺陷的畸變使得電子的平均自由程大大減小非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶邊態(tài)密度的變化不像晶態(tài)那樣陡，而是拖有不同程度的帶尾圖3.11電子態(tài)密度與能量之間的關(guān)系當前57頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷非晶硅中的缺陷存在有空位和微空洞使得有些硅原子周圍四個近鄰原子不足，而產(chǎn)生一些懸掛鍵。懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這是施主態(tài)；接受第二個電子成為負電中心，這是受主態(tài)。因為受主態(tài)表示懸掛鍵上有兩個電子占據(jù)的情況，兩個電子間的庫侖排斥作用，使得受主能級位置高于施主能級，稱為正相關(guān)能。這些缺陷同時是有效的復(fù)合中心。為了提高非平衡載流子的壽命，也必須降低缺陷態(tài)密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成為目前材料制備中的關(guān)鍵問題之一。這些缺陷在禁帶之中引入一系列局域能級，它們對非晶態(tài)半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。當前58頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷圖3.12硫系玻璃的換價對以非晶態(tài)硒為例，有六個價電子，可以形成兩個共價鍵，通常呈鏈狀結(jié)構(gòu)，另外有兩個未成鍵的p電子稱為孤對電子。在鏈的端點處相當于有一個中性懸掛鍵，這個懸掛鍵很可能發(fā)生畸變，與鄰近的孤對電子成鍵并放出一個電子（形成D+），放出的電子與另一懸掛鍵結(jié)合成一對孤對電子(形成D-)，如圖所示。因此，這種D+、D-又稱為換價對。當前59頁，總共85頁。3.3半導(dǎo)體材料的分類3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體的應(yīng)用非晶硫早已廣泛應(yīng)用在復(fù)印技術(shù)中，由S.R.奧夫辛斯基首創(chuàng)的As-Te-Ge-Si系玻璃半導(dǎo)體制作的電可擦寫只讀存儲器已批量生產(chǎn)，利用光脈沖使碲微晶薄膜玻璃化這種性質(zhì)制作的光存儲器正在研制之中。對于非晶硅的應(yīng)用，目前研究最多的是太陽能電池。非晶硅比晶體硅制備工藝簡單，易于做成大面積，非晶硅對于太陽光的吸收效率高，器件只需大約1μm厚的薄膜材料，因此可望做成一種廉價的太陽能電池，現(xiàn)已受到各國科學(xué)家的廣泛重視。非晶硅場效應(yīng)晶體管還可用于液晶顯示和集成電路。當前60頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法晶體生長理論層生長？螺旋生長？枝晶生長？晶體的生長是質(zhì)點面網(wǎng)一層接一層地不斷向外平行移動的結(jié)果在晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作為晶體生長的臺階源，促進光滑界面上的生長。樹枝一樣蔓延生長當前61頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法晶體生長方法根據(jù)晶體生長時的物相變化，晶體生長技術(shù)可以分成以下幾類：氣相－－固相：雪花的形成。液相－－固相：分為兩類。一類是從溶液中通過降溫、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)等方式控制飽和度等使得晶體結(jié)晶；另一類是從熔體中結(jié)晶。固相－－固相：由于晶體的化學(xué)能較低，自然界中的非晶態(tài)、多晶態(tài)等物質(zhì)，經(jīng)過億萬年多少會有晶化現(xiàn)象，而晶體物質(zhì)也有可能通過相變、再結(jié)晶等方式發(fā)生變化。當前62頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法氣相法

氣相法生長晶體，將晶體材料通過升華、蒸發(fā)、分解等過程轉(zhuǎn)化為氣相，然后通過適當條件下使它成為飽和蒸氣，經(jīng)冷凝結(jié)晶而生長成晶體。特點：生長的晶體純度高；生長的晶體完整性好；晶體生長速度慢；有一系列難以控制的因素，如溫度梯度、過飽和比、攜帶氣體的流速等。主要用于外延薄膜的生長當前63頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法氣相法同質(zhì)外延襯底和外延層的材料屬于同一種材料，如在硅襯底上生長硅外延層異質(zhì)外延

襯底和外延層的材料屬于不同材料，如在藍寶石上生長GaAs外延層準異質(zhì)外延

外延層與襯底之間存在著某些化學(xué)上的共性，如GaP/GaAs，GaSb/GaAs，ZnSe/ZnTe，即外延層與襯底的晶格結(jié)構(gòu)一般是相同的當前64頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法溶液法溶液法的基本原理是將原料（溶質(zhì)）溶解在溶劑中，采取適當?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長。(1)降溫法：依靠溶液過冷以獲得過飽和。適宜于溶解度和溶解溫度系數(shù)大的溶體。(2)恒溫蒸發(fā)法：依靠相對提高濃度以獲得過飽和。溶解溫度系數(shù)較小或負溫度系數(shù)的溶體，可以選用該方法。當前65頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法溶液法優(yōu)點：晶體可在遠低于其熔點的溫度下生長；容易長成大塊的、均勻性良好的晶體，并且有較完整的外形；在多數(shù)情況下，可直接觀察晶體生長過程，便于對晶體生長動力學(xué)的研究。缺點影響因素復(fù)雜；生長速度慢，周期長，數(shù)十天～一年；溶液法生長晶體對控溫精度要求較高，溫度波動一般小于0.01~0.001℃；當前66頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法熔融法從熔體中生長晶體是制備大單晶和特定形狀的單晶最常用的和最重要的一種方法，電子學(xué)、光學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用中所需要的單晶材料，大部分是用熔體生長方法制備的，如單晶硅，GaAs，LiNbO3，Nd：YAG，Al2O3等以及某些堿土金屬和堿土金屬的鹵族化合物等，許多晶體品種早已開始進行不同規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。與其他方法相比，熔體生長通常具有生長快、晶體的純度和完整性高等優(yōu)點。主要有提拉法、坩堝下降法、泡生法、水平區(qū)熔法、焰熔法、浮區(qū)法等當前67頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備硅石→工業(yè)硅（粗硅）→多晶硅→硅單晶。

98%電弧爐熔煉直拉法區(qū)熔法磁場拉晶法化學(xué)提純物理提純微重力下生長晶體當前68頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備工業(yè)硅的制備用硅石和焦炭以一定比例混合在電爐中加熱至1600~1800℃SiO2+3C=SiC+2CO2SiC+SiO2=3Si+2CO最后可得含量為98%以上的工業(yè)粗硅。當前69頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備然后采用三氯氫硅氫還原法、硅烷法和四氯化硅氫還原法高純多晶硅。Si+3HCl=SiHCl3+H2

（280-300℃）精餾提純SiHCl3+H2=Si+3HCl（1100℃）SiHCl3法所制備的多晶硅價格較低，其沉積速率是SiCl4法的2倍，生產(chǎn)的安全性好。且多晶硅的純度完全滿足直拉法和區(qū)域熔煉法的要求。當前70頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝提拉法把晶體原料裝入坩堝中，并加熱到原料融化，在適當?shù)臏囟戎邢陆底丫c液面接觸，使熔體在籽晶末端成核生長，然后旋轉(zhuǎn)籽晶緩慢向上提拉并不斷調(diào)節(jié)溫度，晶體就在籽晶上逐漸長大。最后快速提拉晶體使其脫離液面，再緩慢降溫到室溫。當前71頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝提拉法優(yōu)點：通過精密控制溫度梯度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度等，可以獲得優(yōu)質(zhì)大單晶；可以通過工藝措施降低晶體缺陷，提高晶體完整性；通過籽晶制備不同晶體取向的單晶；容易控制。缺點：由于使用坩堝，因此，容易污染；對于蒸氣壓高的組分，由于揮發(fā)，不容易控制成分；不適用于對于固態(tài)下有相變的晶體。當前72頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝坩堝下降法將一個垂直放置的坩堝逐漸下降，使其通過一個溫度梯度區(qū)(溫度上高下低)，熔體自下而上凝固。通過坩堝和熔體之間的相對移動，形成一定的溫度場，使晶體生長。溫度梯度形成的結(jié)晶前沿過冷是維持晶體生長的驅(qū)動力。使用尖底坩堝可以成功得到單晶，也可以在坩堝底部放置籽晶。當前73頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝坩堝下降法優(yōu)點：坩堝封閉，可生產(chǎn)揮發(fā)性物質(zhì)的晶體；成分易控制；可生長大尺寸單晶；常用于培養(yǎng)籽晶。缺點：不宜用于負膨脹系數(shù)的材料；由于坩堝作用，容易形成應(yīng)力和污染；不易于觀察。當前74頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝水平區(qū)熔法該法與坩堝移動法大體相似，但水平區(qū)熔法的熔區(qū)被限制在一個狹小的范圍內(nèi)。首先將原料燒結(jié)或者壓制成棒狀，固定兩端，然后，移動原料棒或者加熱高頻線圈，使得只有受加熱的部分熔融，而絕大部分材料處于固態(tài)。隨著熔區(qū)沿著原料棒由一端向另一端緩慢移動，晶體就慢慢生長，并慢慢冷卻直至完成生長過程。當前75頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝水平區(qū)熔法水平區(qū)熔法與坩堝移動法相比，其優(yōu)點是減小了坩堝對熔體的污染，并降低了加熱功率，可以用于生長高純度晶體，或者多次結(jié)晶以提純晶體。水平區(qū)熔法常用高頻線圈加熱，需要有惰性氣氛來進行保護。主要用于材料的物理提純，硅單晶生長初期的提純即采用此法。

當前76頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法3外延生長技術(shù)化學(xué)氣相沉積采用加熱、等離子和紫外線等方式，向化學(xué)反應(yīng)提供能量，促使氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且生長固態(tài)薄膜的工藝即為化學(xué)氣相沉積。薄膜可以是單晶態(tài)，也可以是非晶。典型的結(jié)構(gòu)有：臥式、鐘罩式和圓筒式。當前77頁，總共85頁。3.4半導(dǎo)體材料的制