半导体材料导论3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章：,半导体材料的性质与性能,材料学院,徐桂英,半导体材料,1,半导体材料的特征,（,1,）在室温下，它的电导率在,10,3,10,-9,S/cm,之间,S,为西门子，电导单位，,S=1/,r(W.,cm,),；,一般,金属为,10,7,10,4,S/cm,而,绝缘体则,10,-10,，最低可达,10,-17,。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使,其电导率在几个到十几个,数量级的范围内变化,，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。,（,2,）当其纯度较高时，其,电导率的温度系数为正值,，即随着温度升高，它的电导率增大；而,金属导体则相反,，其电导率的温度系数为负值。,（,3,）,有两种载流子参加导电,。,一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴,。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。,第一节：概述,1.2,半导体材料的类别,对半导体材料可从不同的角度进行分类例如：,根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；,根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；,根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，,但比较通用且覆盖面较全的则是,按其化学组成的,分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类，见表,1,。,在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段，所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。,1.2.1,元素半导体,已知有,12,个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图,1.1,所示。,从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。,化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。,化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。,按其构成元素在元素周期表中的位置可分为,III-V,族、,II-IV-V,族等等。,如果要问哪些化合物是半导体，哪些不是，有没有规律性？应该回答说，规律性是有的，但还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地判断某个化合物是否属于半导体。,常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替换（参照图,1.1,）。,1.2.2,化合物半导体：,由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。,因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。,另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。,固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。,为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如,Si1-xGex,（其中,x 1),；也可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用,Al,来局部取代,GaAs,中的,Ga,，即,Ga1-xAlxAs,，或用,In,局部取代,Ga,，用,P,局部取代,As,形成,Ga1-xInxAs1-yPy,等等。,固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体等（见表,1.1,）。,1.2.3,固溶半导体,第二节 基本原理,s=,ne,m,(2-1),其中：,n,为载流子浓度，单位为个,/cm3;,e,为电子的电荷，单位为,C,（库仑），,e,对所有材料都是一样，,e=1.610,-19,C,。,m,为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为,cm,2,/V.s,；,电导率,s,的单位为,S/,cm(S,为西门子）。,我们先看看室温下半导体和金属导电的差别原因,：,(2-1),式中的,迁移率的差别,：而半导体材料的迁移率一般都高于金属，例如金属铜的室温电子迁移率为,30 cm,2,/V.s,，而硅为,1500(cm,2,/V.s),，锑化铟则为,78000cm,2,/V.s,。,载流子浓度,：,金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（,2-1,）式看，只能是载流子浓度的差别。,在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的,金属铜的载流子浓度为,8.5,10,22,/cm,3,，,而,半导体材料的载流子浓度则在,10,6,10,20,/cm,3,范围内，与金属相差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。而,绝缘体因其载流子浓度接近于零,，所以不导电。,既然,金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加载流子,，,也无法束缚住载流子,，所以金属的导电率难以在大范围内进行调节，掺入杂质和升温会在一定程度上能降低迁移率，使电导率降低一些。,而半导体的载流子浓度可通过升温、掺入杂质、幅照予以大幅度地增加，使其电导率发生显著变化。,为什么金属的价电子会全部解离，半导体的价电子只局部解离，而绝缘体又不解离？,这些将在能带结构等章节中加以说明。,根据能带结构图,2.4,，可以把固体材料分成两大类：,一类是价带与导带相互搭接，这是导体；,另一类则在价带与导带之间存在着禁带，这包括半导体与绝缘体。,图,2.4,金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图,(,E,称为禁带宽度或带隙）,金属,半导体,绝缘体,在导体中：,一类材料是由于电子在价带中并未填满，电子可以在带内的各个能级上自由流动，这需要的能量非常之小；,另一类材料虽然在价带中被填满，但由于能带之间的相互搭接，所以价电子很容易从价带进入到导带成为自由电子而导电。,早,在,1879,年霍尔,(E.H.Hall,）就发现：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场,(H),，那么在样品的第三个方,向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此,效应称,霍尔效应。,图,2.1,霍尔效应原理,负电荷,正电荷,+,d,H,I,x,（,a,）负电荷载流子,+,d,H,I,x,（,b,）正电荷载流子,从这个电位差的正反，就可以知道载流子是带正电或负电。其原理是洛仑茨力作用的结果，也就是当电流通过磁场时，不管载流子是正还是负，只要电流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，这就使得载流子的分配偏在同一方向，如图,2.1,所示。,负电荷,正电荷,+,d,H,I,x,（,a,）负电荷载流子,+,d,H,I,x,（,b,）正电荷载流子,显然，载流子的电荷不同，它的霍尔电动势也不相同。可见，霍尔电动势的方向取决于载流子带的电荷是正还是负。,用此法测量金属时，证明绝大多数的金属都是靠带负电荷的载流子,-,电子进行导电的。,图,2.1,霍尔效应原理,2.1.1,存在两种载流子的证明,从图,2.7,可以看出，这种热激发的电子脱离价键后，使某个硅原子中少了一个价电子，从电平衡的角度相当于带一个正电荷粒子，这种电子的缺位称为空穴，,而空穴也可以发生流动，即邻近原子的价电子跑过来填补这个缺位，而本身又产生一个空穴，在电场下如此连续传递就形成了电流,。,这样，空穴就可看成是带正电荷的载流子，这就是空穴的形成与空穴导电的原理。,当半导体主要是靠热激发产生载流子时，导电称为本征导电（,intrinsic conductivity,），这种半导体称为本征半导体（,intrinsic semiconductor),。,其特点是自由电子数等于空穴数。从图,2.7,中可以看出电子与空穴产生的一一对应关系。,图,2.7,硅的本征激发示意图,利用价键理论，可以方便地解释什么是空穴：,以金刚石结构为例，将其晶面 的一些特征列入表,2.5,中。,我们可以看出,111,的面间距是大小交替地存在。在间距大的面上的键密度又最小，而,110,次之，因此它们之间的结合力最弱，最容易由此断开，这种断裂现象称为解理。,在半导体器件工艺中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。,硅、锗的解理面为,111,及,110,。,表,2.5,金刚石型结构的晶面特征,利用晶体结构理论解释具体的各向异性：,第三章：,半导体材料的性质与性能,当了解了上一章所述的一些基本概念之后，就可以深入地了解半导体材料的性质，可以理解半导体与导体、绝缘体的本质的不同，从而可以认识下述的半导体材料的性能以及与之相关的应用。,3.1,半导体的导电机理,3.1.1,载流子的来源,从上述的能带结构、化学键我们已知道了半导体中载流子产生的机理。下面我们再把载流子产生的影响因素和载流子在输运过程中的一些问题进行阐述，这样就容易了解半导体导电的过程。,所有材料的导电率（,s,）可用下式表达：,s=,ne,m,(2-1),其中,n,为载流子浓度，单位为个,/cm,3,;e,为电子的电荷，单位为,C,（库仑）；,m,为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为,cm,2,/V.s,；电导率单位为,S/,cm(S,为西门子）。,我们首先研究一下靠热激发的本征导电。,在一定温度下，由于电子能量的分布不均匀，一部分原子或分子中的电子由价带升到导带上的能级，如图,3.1,所示。,这在常温下只有当半导体材料很纯、晶体完整性很好时，才能显示出来。在这种本征导电的情况下，被热激发的载流子是成对的，如,n,表示电子数、,p,表示空穴数，此时：,n=p,（,3-1,）,当温度明显地高于绝对零度时，本征激发的浓度可近似地看作按波尔兹曼的统计分布即：,n(p),Aexp,-,E/2kT (3-2),其中：,A,为比例常数；,E,为禁带宽,(,eV,),，,k,为波尔兹曼常数；,T,为热力学温度（,K,）。,图,3.1,本征导电原理示意图,+,-,电场方向,导带,禁带,价带,从,这里可以看出，半导体材料在特定温度下，其电阻率是有上限的，即本征电阻率。当经过提纯，使材料的杂质浓度低于其本征载流子浓度时，如高纯锗，在此情况下，称为本征锗。这时，室温电阻率就不能随杂质浓度的进一步降低而增高，因此不能对应地反映材料的纯度。这就需进行低温测量。但对一些禁带宽度较大的材料如硅，至今尚未能提纯到本征纯度。,表,3.1,室温下几种材料的本征性质,材料,本征电阻率（,W,cm,）,本征载流子浓度（个,/cm,3,),Ge,47,2.4,10,13,Si,2.3,10,5,1.45,10,10,GaAs,10,8,1.79,10,6,在室温下几种半导体材料的本征性质如表,3.1,所示。其中，本征电阻率是指当材料很纯时，仅由本征激发时所形成的电阻率。,另一种导电机制是靠电活性杂质形成的载流子导电，这种导电称为杂质导电。,其原理如图,3.2,所示。,施主杂质,：以杂质导电为主的、能向导带贡献电子的杂质，称为施主杂质。对,IV,族元素半导体而言，,V,族元素就是施主杂质。,受主杂质：,从价带俘获电子，而在价带形成空穴的杂质称为 受主杂质。对,IV,族素半导体而言，,III,族元素就是受主杂质。,电离能,：施主或受主分别向导带或价带释放电子或空穴所需的能量称为电离能，分别用,E,D,、,E,A,表示（见图,3.2,）。,图,3.2,杂质导电示意图,+,-,电场方向,导带,禁带,价带,+,+,+,-,-,-,D,E,D,D,E,V,施主能级,受主能级,杂质导电,:,浅施主或浅受主,：其电离能比较小（,T,1,（,a,）,+,T,2,T,1,n,T,2,T,1,p,+,（,b,）,图,3.11,半导体材料的塞贝克效应,(a),热电电势；,(b)n,型和,p,型半导体受热后的载流子分布,(,T,2,T,1,),在实际中利用这个现象可测量半导体的导电类型。,如果我们将热端放到,pn,结处，如图,3.11(a),，则,p,型冷端的正电位和,n,型冷端的负电位相加而形成热电动势。,而金属的热电效应则只利用不同金属的逸出功（见,3.3,节）不同及电子密度不同而形成。,T,2,T,1,（,a,）,+,T,2,T,1,n,T,2,T,1,p,+,（,b,）,图,3.11,半导体材料的塞贝克效应,(a),热电电势；,(b)n,型和,p,型半导体受热后的载流子分布,(,T,2,T,1,),我们再看看半导体的帕尔帖效应。图,3.12,所示为其原理。从图（,a,）可以看出，当电流从,n,区进入,p,区时，在,pn,结（,1,）处的载流子不断地流走，因此需要相应地产生新的载流子，为此需要消耗能量，如图（,b,）所示，这就使温度降低。当载流子流向,pn,结（,2,）处时，两种载流子是相迎地运动着，它就产生电子与空穴的复合，从而放出能量，如图（,b,）所示，使温度升高。这些效应是半导体致冷与半导体的热电转换应用的基础。,图,3.12,半导体材料的波尔帖效应示意图,(a),pn,结处的载 流子的活动；,(b),载流子的能量变化,根据量子力学的概念，具有一定波长的光具有能量,h,n,，其中,h,为普朗克常数，,n,为光波的频 率。当,h,n,E,g,时，这个光子便可把价带的电子激发到导带，而形成电子空穴对。这样光子的能量,h,n,被消耗在这种激发过程上了，所以,h,n,0,=,E,g,，,n,0,就成为光吸收的边界。这种吸收称为本征吸收，见图,3.13,。,除此之外还有自由载流子的吸收。由图中可以看出载流子浓度,N,2,N,1,，吸收系数也相应为,a,2,a,1,。,不同的杂质对光亦有不同吸收作用。,晶格本身，特别是具有离子性的晶体，具有显著的吸收作用。红外光学可根据这些关系，选择相应波长的半导体透过材料。,从这里也可以看出半导体与金属的区别。金属无论在可见光区，还是在红外区均是不透明的。,3.7,光学性质,我们对半导体材料进行观察会发现，除了少数材料如金刚石、磷化镓等外，大多数材料对可见光是不透明的。但是半导体材料对一定波长的红外光却是透明的。这一点，当明白了上节的能带结构以后是容易理解的。,图,3.13,半导体材料的吸收系数与波长的关系,吸收系数,波长,E,g,N,1,N,2,既然光子可形成本征激发，那么所形成的电子,-,空穴对就增大了材料的电导率，这种现象就称为光电导。图,3.14,示出了锗的光电导与光子能量的关系。,靠光子的能量直接把价带电子激发到导带形成的光电导称为本征光电导。,当能量低于由禁带宽度,E,g,所确定的临界频率（波长）时，还存在一个“尾巴”（见图,3.14),，这是与热能联合作用的结果，称为“热尾”。,当光子能量大于临界值后，光电导出现一个最大值，然后随能量增大而光电导下降，这是由于能量高而迅速被表面吸收，同时表面复合速度又比体内快的缘故。,图,3.14,锗的本征光电导,光子能量,eV,临界波长,热尾,波长,m,m,光电导（任意单位）,