Transcript 3、第三章半导体材料应用

第三章
半导体材料应用
3.1 半导体材料的物理基础

1 本征半导体
图3.1 不同材料的能带结构
3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质

n型半导体
图3.2 非本征的n型半导体
3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质

p型半导体
图3.2 非本征的p型半导体
3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质


浅能级杂质
深能级杂质
图3.3 半导体硅中金的深能级
3.1 半导体材料的物理基础

3 费米能级和载流子密度
由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带
产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子。
半导体中电子的分布遵循费米分布的一般规律。
f ( E)  e( E  EF ) / kT
1  f ( E)  e( EF E )/ kT
满带中空穴的占据几率为
电子浓度
n  NC exp(EC  EF ) / kT 
空穴浓度
p  NV exp (EF  EV ) / kT 
np  NV NC exp (EC  EV ) kT   NV NC exp( Eg kT )
3.1 半导体材料的物理基础

4 电导与霍尔效应
欧姆定律
j E
  nqn  pq p
迁移率一方面决定于有效质量，
一方面决定于散射几率。
散射可以是由晶格振动引起的，也
可以是由于杂质引起的。在温度较
高时，晶格振动是散射的主要原因，
随温度的升高而增加。在低温时，
杂质散射是主要的散射方式。
图3.5 电导率与温度的关系
3.1 半导体材料的物理基础

4 电导与霍尔效应

为了直接测量载流子浓度和电导率，最直接的方法是利用霍
尔效应。
当半导体片放置在x-y平面内，电
流沿x方向，磁场垂直于x-y平面。
如果是空穴导电，那么它们沿电
流方向运动的同时，也受到洛伦
兹力的作用发生偏转，造成电荷
的积累，从而导致一个与洛伦兹
力方向相反的电场力。
图3.6 霍尔效应
1
RH 
pq
3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子
热平衡时，满足 n0 p0  NV NC exp( Eg kT )
但在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值。
例如，在光照下，由价带激发电子至导带而产生电子空穴对，
使电子密度增加Δn，空穴密度增加Δp，多余的载流子称为非
平衡载流子。
n  p
多数载流子的数量一般会很大，非平衡载流子通常不会对它
的数目产生显著的影响。但对于少数载流子而言，其数量的
变化将是十分显著的。因此，在讨论非平衡载流子时，最关
心的是非平衡少数载流子。
3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子

非平衡载流子的复合和寿命
非平衡载流子会自发地发生复合，导电电子由导带回落到价
带，导致一对电子和空穴消失，这是一种由非平衡恢复到平
衡的自发过程。
n  n0 exp( 1  )
当光照撤去后，非平衡载流子是随时间呈指数形式衰减。τ描
述了非平衡载流子平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿
命。
非平衡载流子寿命τ与材料所含杂质有关。有些杂质在促进复
合上特别有效，成为主要决定非平衡载流子寿命的杂质，被
称为复合中心。
3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子

非平衡载流子的扩散
dN
考虑一维稳定扩散的情况 F   D
dx
载流子扩散流密度正比于载流子浓度变化梯度，比例
系数D称为扩散系数，负号表明扩散运动总是从浓度
高的地方流到浓度低的地方。
非平衡少数载流子边扩散边复合，形成稳定分布，满足连续方程
d 
dN  N
 D
  0
dx 
dx  
N ( x)  N0e x / L
L表示非平衡载流子深入样品的
平均距离，称为扩散长度。
3.2 半导体材料的性质

1 光吸收与光电导
在半导体中，光的衰减与光强成正比
I  I0 exp   x 
光吸收系数
  2 r'' / c  4 r'' / 
当光在介质中传播的距离为1/α时，则光强衰减到原来
的1/e，于是可把1/α近似看成是光能够穿透样品的深度。
不同波长的光能够穿过样品的深度也是不同的，对于吸收很强的
材料，光吸收实际上只发生在样品的表面层内。
半导体材料通常对光的吸收很强，材料吸收光的辐射之后，使得
电子由低能态跃迁到高能态。
3.2 半导体材料的性质

1 光吸收与光电导
半导体材料受到光照射时电导率变大的现象称为半导体的光
电导效应。
  q  n0  n n  q  p0  p   p   0   ph
 ph  qn n  q p p 称为光电导
hc
本征光电导由本征吸收引起，相应长波限是 0 
杂质光电导是由杂质吸收引起的，吸收波
长取决于杂质的电离能Ei
i 
Eg
1.24
Eg
hc
Ei
1.24
Ei
3.2 半导体材料的性质

2 电容效应与击穿特性

电容效应

势垒电容 pn结空间电荷区内存在不能移动的正的和负的电离
杂质电荷，当外加偏压使势垒区电场变化时，必须
改变势垒区宽度以改变空间电荷量，这种微分电容
效应，称为势垒电容。

扩散电容 pn结在加正向偏压时，由于少子注入，在扩散区内
有一定数量的少子和等量的多子积累，其浓度随外
加电压而变化，这种电容效应称为扩散电容
反偏的pn结以势垒电容起主要作用，而对于正偏的pn结，扩散
电容和势垒电容都起作用。
3.2 半导体材料的性质

2 电容效应与击穿特性

击穿特性
pn结上加反偏电压会形成很小的反向电流。但反偏电压不能无限
制地增大，到某一临界值，反向电流将急剧增大，这种现象称为结
的击穿。
击穿并不等于器件的烧毁 。

隧道击穿

雪崩击穿
图3.8 pn结的击穿机理
3.2 半导体材料的性质

3 压阻效应与磁阻效应

压阻效应
l
半导体材料在不受应力作用时，其电阻与电
R
阻率ρ与长度l成正比，与截面积S成反比
S
如果沿长度方向施加一个应力，产生的拉伸应变，与此同时，
截面面积减小。又由于应力引起能带的变化，能谷的能量移
动，导致电阻率变化
R / R   1  2    / 
称为泊松比
   a / a  /  l / l    b / b /  l / l 
电阻的变化有两部分组成，前一项为纯几何效应；后一项代表的
是物理效应，即压阻效应。对于金属，几何效应是主要的；对于
半导体材料，物理效应是主要的。
3.2 半导体材料的性质

3 压阻效应与磁阻效应

磁阻效应
半导体材料受到与电流方向垂直的外加磁场作用时，不但具有霍
尔效应，还会出现电流密度下降和电阻率增大的现象，这种外加磁
场使电阻变化的现象称为磁阻效应。

物理磁阻效应 半导体的电阻率随外加磁感应强度而改变的
现象为半导体的物理磁阻效应。

几何磁阻效应
图3.9 几何磁阻效应示意图
3.2 半导体材料的性质

4 电阻率的温度特性

1
qn T  e  h 
1/ 2
 Nc N d 
n

当温度为电离区的最低温度时


2


  Ec  Ed  
exp  

2
kT


3/ 2


T
在非本征温度区，n=Nd，电阻率与温度的关系为
在本征温度区，则随着温度升高，电阻率下降。
3.3 半导体材料的分类
元素半导体
Ⅳ-Ⅳ化合物
Ⅲ-Ⅴ化合物
Ⅱ-Ⅵ化合物
Si
SiC
AlP
ZnS
Ge
SiGe
AlAs
ZnSe
AlSb
ZnTe
GaN
CdS
GaP
CdSe
GaAs
CdTe
GaSb
InP
InAs
InSb
3.3 半导体材料的分类

1 元素半导体材料




（1）Si是目前应用于半导体工业的主要材料
（2）Ge是开发较早的半导体材料
（3）硒是一种黑色玻璃态半金属
（4）金刚石是碳的同素异构体。
3.3 半导体材料的分类

2 化合物半导体材料




（1）砷化镓（GaAs）单晶是目前应用最广泛的化
合物半导体材料
（2）磷化铟( InP)单晶是最重要的III-V族化合物半
导体材料之一, 是继Si、GaAs之后的新一代电子功
能材料
（3）SiGe材料被称为“第二代硅微电子材料”
（4）碳化硅(SiC)有独特的物理及电子特性
3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体


非晶态物质是原子排列上的长程无序而短程有序的一种结构。
目前主要的非晶态半导体有两大类：一类是四面体键非晶态
半导体
 如非晶态Si、Ge、GaAs等；
 另一类是硫系玻璃，即含硫族元素非晶态半导体，如二元
系（As-Se、As-S）和多元系（As-Se-Ge-Te）。
3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体

非晶态半导体的电子结构
与晶态半导体具有类似的基本能带结构，只是在非晶态中键
角和键长有一定程度的畸变 。



非晶态半导体不存在有周期性
非晶态半导体中结构缺陷的畸变
使得电子的平均自由程大大减小
非晶态半导体能带边态密度的变
化不像晶态那样陡，而是拖有不
同程度的带尾
图3.11 电子态密度与能量之间的关系
3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体

非晶态半导体中的缺陷
这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体
的电学和光学性质有着重要的影响。

非晶硅中的缺陷
存在有空位和微空洞使得有些
硅原子周围四个近邻原子不足，
而产生一些悬挂键。

硫系非晶态半导体中的缺陷
图3.12 硫系玻璃的换价对
3.4 半导体材料的制备工艺方法

1 多晶制备工艺

以Si为例介绍多晶的制备工艺过程
3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺

水平生长
HG技术的一个重要优点是易于在固液界面形成低的温度梯度
图3.15 用于III-V族化合物半导体制备的常规水平生长装置图
3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺

垂直生长
这一技术能很自然地提供低的
温度梯度，这有利于降低位错
密度。另外，可以生长出符合
直径要求、具有良好外形的锭
条。
图3.16 VGF工艺所用坩埚示意图
3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺

晶体拉制

1）提拉法
此工艺的优点是能比较便
宜地得到大口径单晶体。
图3.18 典型单晶硅棒及硅片的外形
图3.17 CZ法所用的直拉炉示意图
3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺

晶体拉制

2）液封拉晶法
LEC法与普通提拉法的区别在
于，熔融液体的表面多了一层
覆盖剂(一般用B2O3)
图3.20 液封拉晶（LEC）法原理图
3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺

晶体拉制

3）浮区法 此种方法最大特点是，在拉晶过程中不使用
坩埚。因此排除了使用坩埚所带来的各种可
能的污染，使晶体纯度很高，主要用于制作
纯度要求高、耐压大的分离器件。

4）边缘定义薄膜法
EFG法的优点是可以得到连续带状晶体，由于晶体本是片状，
故几乎不用要机械加工，加工损耗非常少。
3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术
在英文中，“外延”一词epitaxy是由希腊词“epi”“taxio”引
申而来的，是指在衬底上进行排列的意思。
外延的含义是指，在一定的条件下，某种物质的原子（或分
子）在经过仔细加工的衬底（单晶）表面进行定向生长，形
成有规则排列，最终得到与衬底具有相同晶格排列的过程。
经过这样的生长过程，可以形成一种连续、平滑且与衬底的
晶格结构有对应关系的单晶层，该单晶层称为外延层。生长
外延层的过程称为外延生长。


同质外延
异质外延
3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术

气相外延法

MOCVD
图3.22 MOCVD反应器结构示意图
3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术

液相外延法(LPE)
图3.23 主要的LPE技术
3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术

分子束外延法 (MBE)
图3.24 MBE设备结构图
3.5 半导体材料的应用

电子信息
光纤通信
微波通信
信息显示
半导体照明

太阳能电池



