半导体材料基础-基本特性.ppt

第一章 半导体材料基础,1.1,半导体材料的基本特性,1.2,半导体材料的制备技术,1.3,元素半导体材料,1.4,化合物半导体材料,一、什么是半导体？,从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体。电阻率,介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数半导体。,电阻率,：,导体：,10,-4,cm,如：,Cu=10,-6,cm,半导体：,10,-3,cm,10,8,cm,如：,Ge=0.2cm,绝缘体：,10,8,cm,1.1,半导体的基本特性,T,R,半导体,金属,绝缘体,负的温度系数,电阻温度系数图,二、半导体材料的分类,按,功能,和,应用,分：,微电子半导体,光电半导体,热电半导体,微波半导体,气敏半导体,按组成分：,无机半导体：元素、化合物,有机半导体,按结构分：,晶体：单晶体、多晶体,非晶、无定形,1.,无机半导体晶体材料,(,组分,),无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。,(1),元素半导体晶体,Ge,Se,Si,C,B,Te,P,Sb,As,元素,半导体,S,I,Sn,熔点太高、,不易制成单晶,不稳定,易挥发,低温某种固相,稀少,化合物,半导体,-,族,-,族,金,属氧化物,-,族,-,族,-,族,InP,、,GaN,、,GaAs,、,InSb,、,InAs,CdS,、,CdTe,、,CdSe,、,ZnS,SiC,GeS,、,SnTe,、,GeSe,、,PbS,、,PbTe,AsSe,3,、,AsTe,3,、,AsS,3,、,SbS,3,CuO,2,、,ZnO,、,SnO,2,(2),化合物半导体及固溶体半导体,(1),非晶,Si,、非晶,Ge,以及非晶,Te,、,Se,元素半导体；,(2),化合物有,GeTe,、,As,2,Te,3,、,Se,4,Te,、,Se,2,As,3,、,As,2,SeTe,非晶半导体,2.,非晶态半导体（结构）,有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。,酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大,键结构。,3.,有机半导体（组分）,1874,年,F.Braun,金属半导体接触,氧化铜、硒,整流器、曝光计,1879,年,Hall,效应,K.Beadeker,半导,体中有两种不同,类型的电荷,1948,年,Shockley,，,Bardeen,Brattain,锗晶体管,(transistor),点接触式的,硅,检波器,1940,1870,1930,1950,萌芽期,硅,晶体管,三、半导体的发展,1955,年德国西门子,氢还原三氯硅烷法,制得高纯硅,1950,年,G.K.Teel,直拉法,较大的锗单晶,1952,年,G.K.Teel,直拉法,第一根硅单晶,1957,年,第一颗砷化镓,单晶诞生,1960,1950,进入成长期,1952,年,H.Welker,发现,-,族化,合物,1958,年,W.C.Dash,无位错硅单晶,1963,年,用液相外延法生长,砷化镓外延层，,半导体激光器,1963,年砷化镓,微波振荡效应,1970,1960,硅外延技术,1965,年,J.B.Mullin,发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶,And then?,成熟期,分子束外延,MBE,金属有机化学汽相沉积,MOCVD,半导体超晶格、量子阱材料,杂质工程,能带工程,电学特性和光学特性可裁剪,半导体材料是微电子和光电子技术的基础，用半导体材料制作（光）电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电机理不同于其它物质，其导电能力可调谐：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。（热敏特性、光敏特性）,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。（掺杂特性）,四、半导体材料的基本特性,半导体材料的性质主要取决于半导体的能带结构和电子的运动规律。,1,、半导体的电子结构,允带,-,/a,E(,k),0,/a,k,允带,允带,自由电子,(1),能带结构,电子填充,允带,时,可能出现,:,电子刚好填满最后一个带,绝缘体和半导体,最后一个带仅部分被电子占有,导体,绝缘体、半导体和导体的能带示意图,常温下：,Si,：,Eg=1.12ev,；,Ge:Eg=0.67ev,；,GaAs:Eg=1.43ev,绝缘体的禁带宽度：,67ev,半导体的禁带宽度：,13ev,对常见的半导体,起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴,所以主要关注带底附近和价带顶附近的能带结构,.,硅和锗的能带结构,导带,价带,极大值,极小值,导带最低能谷,例,1,元素半导体,Si,、,Ge,禁带,导带,例,2,化合物半导体,GaAs,(2),半导体的掺杂,在纯净的半导体,(,本征半导体,),中掺入一定量不同类型的杂质，并通过对其数量和在空间的分布精确地控制，实现对电阻率和少子寿命的有效控制，从而人为地改变半导体的电学性质，如,n,型半导体和,p,型半导体。,本征半导体：带隙中无能级,杂质和缺陷对能带结构的影响,在半导体的禁带中引入,杂质,或,缺陷,能级：,浅能级、深能级,影响光、电学性质,i),晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动,缺陷的出现：,点缺陷,线缺陷,面缺陷,空位,位错,层错,ii),和晶体基质原子不同的杂质原子的存在,杂质的出现：,无意掺杂,源材料和工艺,有目的控制,材料性质,有意掺杂,物理机制：杂质能级的产生晶体的势场的周期性受到破坏而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级杂质能级。,B,As,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,半导体的掺杂分类,施主能级,受主能级,杂质能级,：杂,质可以使电子在其周围运动形成量子态,本征半,导,体,杂质半导,体：,n,型、,p,型,本征半导体,纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子,-,空穴对。本征激发很弱。,硅晶,体共价键结构示意图,电子,-,空穴对的产生和空穴的移动,在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子,被,五价,杂,质原子所取代，便构成,N,型半导体,。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成,P,型半导体,。,杂质半导体,N,型半导体结构示意图,P,型半导体结构示意图,2,、半导体的电学性质,(1),载流子的电导率,s=s,e,+s,p,s,与载流子,浓度,和载流子,迁移率,有关,杂质离化区,过渡区,本征激发区,n,型硅中,电子浓度,n,与温度,T,的关系图,（注：本征半导体,ni,与,T,是线性增加的关系）,与半导体内的散射机制,(,电离杂质、晶格振动,),有关,2,、半导体的电学性质,T,T,低温,饱和,本征,本征半导体,杂质半导体,杂质电离，本征激发低,杂质全电离，本征激发少，散射作用强,本征激发为主,(2),半导体的电阻率,3,、半导体的光电性质,(1),光吸收,半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：,1,、不同的能带之间；,2,、同一能带的不同状态之间；,3,、禁带中的分立能级之间；,4,、禁带中的分立能级和能带之间。,以上各种吸收引起不同的吸收过程。,i),本,征吸收,定义：,电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸,收，又称为基本吸收。是半,导体,中最,主要的吸收过,程。,特点：伴,随着电子,-,空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导,。,必,要条,件：引,起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，,即,对,应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式,为,实验观测：,吸,收系数曲线在短波端陡峭地上升,，标,志着本征吸收的开始,。,通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收,边，它,相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁,。,跃迁发生的条件：能量守恒和,动量守恒,跃迁分类：直接跃迁和间接跃迁,直接跃迁,若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。,间接跃迁,若导带底和价带顶位于,k,空间的不同位置，则任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于,Eg,。,推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同值的导带底的跃迁。,电子的动量变化很大。而光子的动量很小，故必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒,.,除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。,间接跃迁材料的缺点,实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。,间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。,因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不,适宜（直接）作为,光电材料，尤其不能作为发光材料,。,ii),激子,吸收,若光子能量,h,n,Eg,则跃迁后的价带电子不足以跃迁到导带，但它可以和价带的空穴组成电子空穴对束缚态（激子）。即：半导体吸收光子能量，但电子不能跃迁为自由载流子而处于受激状态。,激子吸,收不会改变半导体的导电性。,iii),杂质,吸收,杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级,，占,据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型：,a.,吸,收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；,b.,中,性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；,c.,电,离受主到电离施主间的跃迁,；,由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所以不,必满,足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大,。,杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。,电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁,浅能级杂质：红外区,深能级杂质：可见、紫外区,iv),自由,载流子吸收,当入射光的波长较长，不足以引起带间跃迁或形成激子时，半导体中仍然存在光吸收，而且吸收系数随着波长的增加而增加。这种吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，称为,自由载流子,吸收,。（,准连续、长波长段,）,自,由载流子吸收也需要声子参与，因此也是二级过程，,与间接,跃迁过程类似。但这里所涉及的是,载流子在同一带,内不同能级间的,跃迁,。,自由载流子吸收不会改变半导体的导电性。,v),子,带间的跃迁,电子在价带或导带中子带（,sub-band,）之间的跃迁。在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律。,大多半,导体的价带在价带顶附近由三个子带组成，不同子带间可以发生三种引起光吸收的跃迁过,程,:,(a),从轻,空穴带到重空穴带的跃迁,(b),从,分裂的带到重空穴带的跃迁,(c),从,分裂的带到轻空穴带的跃,迁,vi),晶格振动吸收,(,声子吸收,),由于光子和晶格振动的相互作用引起,的中远红外谱区的光,吸收称为晶格振动吸收,。直接转换为晶格振动的动能增加。,小结,：以上,六,种吸收机制中只有本征吸收和杂质吸收能够引起非平衡载流子，产生光电效应。其它吸收都不同程度的把辐射能转换为热能，使器件温度升高，而不改变半导体的导电性。,带间吸收：可见,红外,激子吸,收：,可见,近红,外,晶格振动吸收：红外,中红外,杂质吸收：远红,外（浅能级杂质）,自由载流子吸收,：准连续、毫,米波,波长增大方向,3,、半导体的光电性质,（,2,）光电导,若半导体的光吸收机制可产生额外的载流子，那么载流子浓度提高，则电导率增加，增加的这部分电导率称为光电导。,光生载流子是非平衡载流子，有产生就有复合过程，最终达到动态平衡，此时光电导达到稳态。,利用光电导，可制造用于高灵敏检测的光电器件。,4,、半导体的界面特性：,PN,结,（,1,）,基本结构：,PN,结是由同一种本征半导体形成的,N,型半导体和,P,型半导体在晶格完全匹配的情况下紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。,半导体器件的核心是,PN,结。半导体二极管是单个,PN,结；半导体三极管具有两个,PN,结；场效应管的基本结构也是,PN,结。,（,2,）,制作方法：,外延方法：突变,PN,结；（*）,扩散方法：缓变,PN,结；,离子注入方法：介于突变结与缓变结之间,（,3,）,PN,结的形成,多子扩散运动,：两种材料接触形成,PN,结时，冶金结两侧出现载流子浓度差，形成可动载流子的扩散流：,*,电子离开,N,型区向,P,型区扩散，在,N,型区留下带正电荷的施主离子。,*,空穴离开,P,型区向,N,型区扩散，在,P,型区留下带负电荷的受主离子。,(,离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷,),少子漂移运动,：,在半导体带电的区域空间电荷区，形成内建电场，,内建电场引起少子漂移运动。,空间电荷区内漂移运动与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态（空间电荷区宽度一定、,PN,结电流为,0,）。,而空间电荷区以外的,P,型区和,N,型区仍处于热平衡状态且保持电中性。,空间电荷区及内建电场的形成过程示意图,达到热平衡状态时，扩散流等于漂移流,势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消。,整个,pn,结具有统一的费米能级。,能带弯曲势垒高度。,PN,结的形成,(a),载流子的扩散运动；,(b),空间电荷区；,(c),电位分布,（4,）,PN,结的单向导电性,a.,正向特性,PN,结外加正向电压时导通,b.,反向特性,PN,结外加反向电压时截止,综上所述,:,PN,结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流，,PN,结呈导通状态；,PN,结反向偏置时，结电阻很大，回路中的反向电流很小，几乎接近于零，,PN,结呈截止状态。所以，,PN,结具有单向导电性。,c.,伏安特性,PN,结伏安特性曲线,（,5,）,PN,结的击穿特性,当,PN,结外加反向电压超过某一电压值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为,PN,结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压,U,(BR),称为反向击穿电压。,PN,结的击穿特性,6,）,PN,结的温度特性,实验证明，在室温下，温度每升高,1,，在同一正向电流下，,PN,结正向压降,V,F,减小,22.5 mV,；温度每升高,10,，反向饱和电流,I,s,大约增加,1,倍。所以当温度升高时，,PN,结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。,此外,PN,结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明，雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。,（,7,）光,生伏特效应,-Photovoltaic,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如,P-N,结和金属,-,半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。,这种,由内建电场引起的光,-,电效应，称为光生伏特效应。,利用,光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。下面以,P-N,结为例介绍这种效应,。,