电子信息与物理学3-2008.09.10 .ppt

* 半导体电阻率与载流子浓度和迁移率成反比 载流子浓度 迁移率 低温，T 电阻率 载流子浓度 迁移率 中温，T 电阻率 载流子浓度 迁移率 高温，T 电阻率 3.5半导体材料 半导体材料 元素半导体：Si、Ge、Se、Te…… 化合物半导体：晶态、非晶态无机、有机化合物、氧化物 3.5.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的化学键：共价键和极性键构成的混合键 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由9中组成： GeAs（砷化镓）单晶材料：闪锌矿晶体结构，第二代半导体材料，继Si后发展很快、应用最广的半导体材料、 直接带隙 光电子器件、光电存储材料： InP(磷化铟)单晶材料： 在某些材料上比GeAs（砷化镓）更加优异 发展的趋势为： Si GeAs InP Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（合金半导体）： 例如： GePxAs1-x （三元素，0x1） （AlxGeP1-xAsySb1-y四元素，0x1， 0y1 ） 黑点处： 二元化合物半导体 黑但间连线上的点： 三元合金半导体 连线保卫的面上的点： 四元和经半导体 横坐标：晶格常数 纵坐标：禁带宽度、波长 化合物半导体需要与衬底晶格常数匹配 半导体具有直接带隙，则以禁带宽度决定发光波长。由于二元化合物的Eg可选择的范围有限，不能满足设计器件的要求。为此设计出由两种二元化合物构成的三元合金，即三元化合物半导体。 在三元合金半导体中，Ⅲ族同v族元素电子百分数之比仍为1：1，但含有两种 Ⅲ族或V族元素。图3．5．2表示出二元或三元系列合金半导体禁带宽度Eg 同晶格常数a的关系。 图上黑点表示二元化合物，在两个黑点之间连线上任一点代表三元合金半导体。实际中，并非所有二元化合物都能形成均匀相的三元合金半导体，而且衬底上用外延生长材料时要外延层同衬底的晶格常数匹配。于是用四元合金半导体，仍保持Ⅲ族同V族元素原于百分数之比为1：1。但可按需求的禁带宽度选择晶格常数合用衬底。如GaAs，InP相匹配的材料。 目前在单晶衬底上生长多层不同组分的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的生长方法有以下几种： (1)在稀的饱和溶液中生长单晶薄层的液相外延(LPE)，此法设备简单，工艺不复杂，生长速度快，但效率不高，对层厚和组分比控制不够精确。 (2)用化学反应进行汽相生长晶体的汽相外延，分化学汽相淀积(VPE或CVD)和金属有机化学相淀积(MOcvD)，此法生长速率比液相外延慢，但能大批量生产，外延层质量好。 (3)分子束外延(MBE)，此法是在高真空下，几个分子束喷射炉连续地把各种所需元素打到村底上，实现单晶膜生长。此法可精密控制到单原子精度生长晶层厚度，重复性良好，并在生长膜层同时可进行测试、分析、监控和调整。所以此法远比上述的液相外延和汽相外延优越，但设备精密，价格昂贵。 3.5.2 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体 Ⅱ族半导体：Zn、Cd、Hg Ⅵ族半导体：S、Se、Te Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的化学键：离子键、“自补偿”作用 自补偿：掺受主杂质的半导体材料体内，由于热缺陷会出现负空位，此负离子起施主作用，补偿了受主；反之亦然。 有些Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体只呈现p型或者n型，称为单极性半导体，例如Zn Te 、Cd Se 、 CdS； 窄禁带宽度半导体，用于远红外探测器（波长40μm或以上） Ⅱ-Ⅵ 族三元化合物半导体： CdHgTe Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ 族化合物半导体：PbSnTe 3.5.2 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体 Ⅱ--Ⅳ族化合物半导体大部分是离子晶体，具有禁带宽度宽和直接带隙等特点。因熔点高，两个成组元素具有较高蒸汽压，所以较难制备出完整的晶体。 Ⅱ--Ⅳ族材料很难用掺杂方法控制导电类型，往往只能形成一种导电类型，由于这种材料存在“自补偿”作用，很难制成PN结器件。 自补偿的存在，使材料只能有一种导电类型，而另一种导电类型被强烈补偿。自补偿倾向的大小，将由禁带宽度和结合能之间的比值决定。晶体中离子键成分愈大，补偿愈严重；共价键成分愈大，补偿愈轻。 3.5.3 非晶态半导体 非晶态半导体短程有序 掺入无穷多杂质和缺陷 引入杂质能带 非晶Si（а- Si）半导体：在非晶半导体材料中，非晶si(a—si)占据着很重要的位置。 a—si制作的太阳电池比单晶Si太阳电池成本大大降低，效率也相当高。用a—si制作场效应管可用于驱动液晶显示，逻辑电路和图像传感器） 硫属玻璃半导体：奥氏（Ovshinsky）效应（奥 氏阈值开关、奥氏记忆开关） 氧化物玻璃体：ITO。可作成显示器件、导电玻璃（玻璃上有导电薄膜） 3.5.4 有机半导体 有机半导体：π键（两个π键，共轭双键） π键电子在整个分子中运动