第1章半导体材料.ppt

第一章第一章 半导体材料半导体材料(一一)信息功能材料信息功能材料第一章第一章 半导体材料半导体材料半导体的基本特性、结构与类型半导体的基本特性、结构与类型半导体的导电机构半导体的导电机构半导体材料中的杂质和缺陷半导体材料中的杂质和缺陷典型半导体材料的应用和器件典型半导体材料的应用和器件内容：内容：重点：重点：半导体的电子结构和能带半导体的电子结构和能带典型半导体的应用典型半导体的应用引引 言言导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体导电性划分导电性划分结晶半导体结晶半导体元素半导体元素半导体非结晶半导体非结晶半导体半导体半导体有机半导体有机半导体无机半导体无机半导体化合物半导体化合物半导体一些常见的半导体材料与器件：一些常见的半导体材料与器件：半导体材料的分类半导体材料的分类分类分类主要半导体材料主要半导体材料 无无机机半半导导体体晶晶体体材材料料化化合合物物半半导导体体及及固固溶溶体体半半导导体体III-V族族Ge、Si、Se、Te、灰、灰SnIIVI族族GaAs、InSb、GaP、InP、AlP等及其固溶体等及其固溶体IV-IV族族SiC、GeSiIV-VI族族PbS PbSe PbTe SnTePb1-xSrxTe (x=00.3)Pb1-ySrySe (y=00.4)V-VI族族Bi2Te3金属氧化物金属氧化物Cu2O ZnO Al2O3过渡金属氧化物过渡金属氧化物SeO TiO3 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 Fe2O3 FeO CoO NiO尖晶石型化合物尖晶石型化合物(磁性半导体磁性半导体)CdCr2S4 CdCr2Se4 HgCr2S4 HgCr2Se4 CuCr2S3C稀土氧、硫、硒、碲化合物稀土氧、硫、硒、碲化合物EuO EEuS EuSe EuTe非晶态非晶态半导体半导体元素元素Ge Si Te Se化合物化合物GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te有机有机半导体半导体芳香族化合物芳香族化合物多环芳香族化合物多环芳香族化合物电荷移动络合物电荷移动络合物元素半导体元素半导体 具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。是用硅材料制作的。二元化合物半导体二元化合物半导体它们由两种元素它们由两种元素组成，主要是有组成，主要是有III-VIII-V族化合物半族化合物半导体、导体、II-VIII-VI族化族化合物半导体、合物半导体、IV-IV-VIVI族化合物半导族化合物半导体、体、II-IVII-IV族化合族化合物半导体，铅化物半导体，铅化合物及氧化物半合物及氧化物半导体等。导体等。三元化合物半导体三元化合物半导体以以A1GaAs相相GaAsP为代表的二元化合物半导为代表的二元化合物半导体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；AgSbTe2是良好的温差电材料；是良好的温差电材料；CdCr2Se、MgCr2S4是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；SrTiO3是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。件下，它表现出超导电性。固溶体半导体固溶体半导体元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导体。半导体材料称为固溶体半导体。它的一个重要特性是禁带宽度它的一个重要特性是禁带宽度(Eg)随固溶度的随固溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。质的半导体材料。例例:可以利用可以利用GaAs1-xPx随随x变化而作出能发不变化而作出能发不同波长的发光二极管。同波长的发光二极管。Sb2Te3-Bi2Se3和和Bi2Se3-Bi2Te3是较好的温差电材料。是较好的温差电材料。非晶态半导体非晶态半导体非晶态物质的特征是原子排列没有规律从非晶态物质的特征是原子排列没有规律从长程看杂乱无章，有时也叫无定形物质；长程看杂乱无章，有时也叫无定形物质；在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件高阻体，但是在达到一定值的外界条件(如电如电场、光、温度等场、光、温度等)时，就呈现出半导体电性能，时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半导称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半导体；体；非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面有着重要应用和良好前景。方面有着重要应用和良好前景。1.1 半导体材料的基本特性半导体材料的基本特性能带：用来表示电子各种行为。能带：用来表示电子各种行为。能带结构能带结构:称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带，价带顶画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带，价带顶和导带底都称为带边，分别用和导带底都称为带边，分别用Ev和和Ec表示它们的能量。表示它们的能量。带隙宽度带隙宽度Eg:Eg=Ec-Ev本征半导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。本征半导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。一、半导体的电子结构一、半导体的电子结构1.半导体的能带结构半导体的能带结构1.半导体的能带结构半导体的能带结构直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于k k空间同一点。空间同一点。间接带隙：价带顶和导带底不直接对应，位于间接带隙：价带顶和导带底不直接对应，位于k k空间不同点。空间不同点。具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料(如如GaAs)GaAs)和间接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料(如如(Ge(Ge、Si)Si)。1.半导体的能带结构半导体的能带结构直接带隙半导体材料和间接直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料在光吸收、带隙半导体材料在光吸收、发光、输运现象和过剩载流子发光、输运现象和过剩载流子复合等行为上有明显的区别。复合等行为上有明显的区别。发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒：发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒：qifkkk其中其中ki为初始状态电子波矢，为初始状态电子波矢，kf为末尾状态电子波矢，为末尾状态电子波矢，kq为为光子波矢。光子波矢。对于间接对于间接带隙带隙半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时，半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时，需要声子参与才能满足上式；需要声子参与才能满足上式；对于直接对于直接带隙带隙半导体，不需要声子参与就能满足式上式，半导体，不需要声子参与就能满足式上式，因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。1.半导体的能带结构半导体的能带结构用晶体中电子的能量用晶体中电子的能量E E与波矢与波矢k k的函数关系来描述电子在的函数关系来描述电子在能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底或价带顶的电子，因此只需列出带边附近或价带顶的电子，因此只需列出带边附近E E和和k k的关系。的关系。根据固体理论，当半导体材料导带底和价带顶部位于根据固体理论，当半导体材料导带底和价带顶部位于k k空空间原点间原点(点点)，而且等能面为球面时，可推出：，而且等能面为球面时，可推出：导带底附近导带底附近*222)(eccmkEkE价带顶附近价带顶附近*222)(hcvmkEkE其中其中me*和和mh*分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的有效质量。有效质量。例：半导体材料例：半导体材料Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第一：第一：GaAs的导带底附近等能面形状为球面，因此的导带底附近等能面形状为球面，因此GaAs的许多性质的许多性质(如如电阻率、磁阻效应等电阻率、磁阻效应等)呈各向同性；呈各向同性；Ge、Si的等能面为旋转椭球面。的等能面为旋转椭球面。Ge、Si的许多性质呈各向异性。的许多性质呈各向异性。第二：第二：Ge和和Si是典型的多能谷半导体：导带极值不在是典型的多能谷半导体：导带极值不在k空间原点，按对称空间原点，按对称性的要求，必然存在若干个等价的能谷性的要求，必然存在若干个等价的能谷(称为多能谷半导体称为多能谷半导体)；GaAs为单能谷半导体：导带极值在为单能谷半导体：导带极值在k空间原点处，只有单个极值，空间原点处，只有单个极值，称为单能谷半导体。称为单能谷半导体。例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第三：第三：多能谷半导体可用来制作压阻器件。多能谷半导体可用来制作压阻器件。如：如：Si的导带底处在的导带底处在方向，距原点约方向，距原点约5/6处，处，因此它有因此它有6个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转椭球面，电子的纵向有效质量椭球面，电子的纵向有效质量ml大于横向有效质量大于横向有效质量m2，即，即mlm2；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率 I小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从x轴对轴对N型硅施加压力时，导带结构发生变化，型硅施加压力时，导带结构发生变化，y轴相轴相z轴上轴上能谷的电子转移到能谷的电子转移到x轴上的能谷，使轴上的能谷，使x轴方向电导率轴方向电导率减少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。减少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第四：第四：存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导带的曲率带的曲率(E/K)不同，而且其曲率与该处电子的有效不同，而且其曲率与该处电子的有效质量成反比，则发生转移电子效应。如质量成反比，则发生转移电子效应。如GaAs的导带在的导带在位于位于方向的极值方向的极值(可称为子能谷可称为子能谷)比位于比位于k空间原点空间原点的极值的极值(可称为主能谷可称为主能谷)高约高约0.36ev，而且前者电子的有，而且前者电子的有效质量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电效质量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电子从原点极值转移到子从原点极值转移到100方向极值处时，产生负阻方向极值处时，产生负阻现象。现象。利用此待性利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表可以制作转移电子器件。根据实验表明明InP是制作转移器件的更好半导体材料。是制作转移器件的更好半导体材料。2.n型和型和p型半导体型半导体半导体掺杂半导体掺杂改变半导体的性质、载流子类型改变半导体的性质、载流子类型人工掺杂人工掺杂半导体材料设计半导体材料设计器件器件掺杂工艺掺杂工艺扩散、离子注入扩散、离子注入掺杂种类：掺杂种类：施主掺杂（施主掺杂（n n型）型）高价元素掺杂，杂质原子提供的价高价元素掺杂，杂质原子提供的价电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。受主掺杂（受主掺杂（p p型）型）低价元素掺杂，杂质原子提供的价低价元素掺杂，杂质原子提供的价电子数目少于半导体原子，很容易在价带中形成空穴，电子