第九章半导体材料

9.2 半导体材料的结构与键合
9.2.1 金刚石结构 金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格。元素半 导体Si、Ge、α -Sn都具有金刚石结构。如图所示，相关 连的原子共有18个，其中8个在立方体的8个顶角，6个在 立方体6个面心，还有4个分别在4条对角线距顶角原子相 距1/4对角线长度。
9.2 半导体材料的结构与键合
9.1半导体材料分类
9.1半导体材料分类
9.1.1 元素半导体
在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性 质的元素有12种，但其中S、P、As、Sb和I不稳定，易 挥发；灰Sn在室温下转变为白Sn，已是金属；B、C的 熔点太高，不易制成单晶；Te十分稀缺，因此具备实用 价值的元素半导体材料只有Si、Ge和Se。
9.3半导体的光、热、电、磁性质
半导体的光学性质：光照射在半导体上，光子能量会被半导体吸 收，其中最主要的过程是本征吸收其发生条件式光子能量大于禁带 宽度；光导电效应，在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变 化的现象称为光导电效应，按其发生机制可以分为本征光电导和杂 质光电导。为了使半导体材料实现激光。 需满足以下三个基本条件：（1）形成粒子数反转状态，使受激 发射占优势，常用p-n结注入法来实现。（2）存在光学谐振腔，产 生激光震荡，因为受激辐射的初始光子来源于材料中的自发辐射， 而自发辐射产生的一些光子之间频率、相位、出射方向都互不相同， 将它们放大，则得不到激光。（3）满足阈值电流密度，使倍增持续， 因为激光发生过程中除了有光子数倍增因素外，还有谐振腔的透射 和吸收、材料不均匀性引起的散射等因素使光子数减少，只有倍增 大于损耗，才能使倍增持续下去，当满足阈值电流密度时，增益会 大于损耗，倍增则持续。
9.1半导体材料分类
物质按其导电的难易程度可以分为导体、半导体和绝缘 体。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。 半导体材料的种类繁多，按其成分，可分为由同一种元 素组成的元素半导体和由两种或两种以上元素组成的化合 物半导体；按其结构，可分为单晶态、多晶态和非晶态； 按物质类别，可分为无机材料和有机材料；按其形态，可 分为块体材料和薄膜材料；按其性能，多数材料在通常状 态下就呈半导体性质，但有些材料需在特定条件下才表现 出半导体性能。半导体主要分为无机半导体和有机半导体 两类。
9.4 半导体中的杂质
实际应用的半导体材料中总会有一定的杂质存在、一 些是人们要设法去掉的，又有一些是为了特定目的认为掺 入的。杂质的存在使晶体严格的周期势场受到破坏，对材 料性质都有重要影响。 按杂质原子在半导体中存在的方式，可以分为两类： 一类是单个原子，另一类是它们与其他杂质缺陷的复合体。 而以单个原子存在的位置又可以分为两类，一类是替代式， 另一类是间隙式。按杂质原子对半导体材料电场性质的影 响，又可以分为5类：受主杂质、施主杂质、两性杂质、 中性杂质的影响，所以杂质的影响是复杂的，既与杂质原 子的电子结构有关，又与它们在晶体中的状态有关。
9.2.2 闪锌矿结构 亦称立方ZnS结构，如图所示，它是由两种不同元素的 原子分别组成面心晶格套构而成，套构的相对位置与金刚 石结构相对位置相同。也具有四面体结构，每个原子有4 个异类原子文最邻近、后者位于四面体的顶点，具有立方 对称性。
半导体材料的结构与键合
9.2.3 纤锌矿结构 亦称六方硫化锌，如图。它是由两种不同元素的原子分 别组成hcp晶格适当位错套构而成的，并且也有四面体结 构，具有六方对称性。
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9.6.5薄膜半导体材料 半导体薄膜材料可以分为薄层和超薄层微结构两大类： 薄层半导体材料是指厚度为几个微米到亚微米之间的材 料，可用常规液相外延和化学气相沉积法制备；超薄层 微结构是指在这种微结构中的势肼宽度等一些特征尺度 已缩短到小于电子平均自由程或可和电子德布罗意波长 相比拟的程度，这时整个电子体系维数减小，近于理想 异质界面的量子区域，它只能用分子束外延，金属有机 化合物化学气相沉积和化学束外延等先进技术来生长。 此外还有高温半导体材料，非晶半导体材料等其它半 导体材料。
9.6 典型的半导体材料
9.6.1硅材料 硅是当前最重要、产量最大、发展最快、用途最广的 半导体材料，95%以上的半导体器件是用硅材料制作。 9.6.2锗材料 锗也是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆，室温本征 电阻率为500℃。室温下化学性质稳定，升高温度时也 易与氧、氯等物质发生反应，锗不溶于盐酸或稀硫酸， 但能溶于热浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合物。 锗也是间接跃迁移型半导体。
9.2半导体材料的物理基础
目前常用的半导体材料大部分是共价键晶体，晶体中参与导电的粒子 被称为载流子。半导体中对电导有贡献的载流子不仅有导带中的电子，还 有价带中的空穴，电子和空穴具有不同符号的电荷。固体物理学中常用能 带来表示电子的各种行为。通常把能带、禁带宽度以及电子填充能带的情 况统称为能带结构。导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作用下， 产生漂移运动，但两者所获平均漂移速度不同，即电子迁移率大于空穴迁 移率，而总导电作用为两者之和。单位电场下载流子漂移的速度称为载流 子的迁移率。它是反映半导体中载流子的导电能力的重要参数，而且直接 决定着载流子运动的快慢，它对半导体器件的工作速度有直接的影响。 若两种晶格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体长在 一起形成结，则称为异质结。若结两侧材料导带类型相同称为同型异质结； 若不相同称为异型异质结。
9.2 半导体材料的结构与键合
9.2.4 氯化钠结构 是由两种不同元素原子分别组成的两套面心立方格子沿 1/2[100]方向套构而成的，如图。这两种元素的电负性又 显著的差别，其中金属原子失去电子成为正离子，非金属 原子得到电子成为负离子，它们之间形成离子键。具有氯 化钠结构的半导体材料主要有CdO、PbS、PbSe、SnTe 等。
9.3半导体的光、热、电、磁性质
半导体的热电效应：半导体也具有赛贝尔效应，当金属 和半导体两个接触点之间有温度差时，就会产生电动势。 因为低于p型半导体，高温处空穴浓度高于低温处，形成空 穴浓度梯度，同时高温处空穴运动速度也较高，则空穴向 低温处扩散，并在低温处累积而带正电荷，则高温处则带 负电荷，这样产生的电场又引起空穴流，最后和扩散流之 间达到动态平衡。半导体也具有波尔帖效应。 半导体的磁电效应：磁阻效应，在通电的半导体上加磁 场时，半导体的电阻将会发生变化。热磁效应，当电场和 温度梯度两者同时存在时，加上磁场所引起的现象。光磁 电效应，在垂直光照方向加上磁场，则由于罗伦磁力作用， 电荷发生偏转，引起与霍尔效应类似的效应，在横向方向 引起电场，产生电势差。
9.5 元素半导体中的缺陷
半导体晶体中的点缺陷有肖特基缺陷、填隙原子缺陷和弗伦克尔缺陷等，因为它 们产生的根源是热运动，也称为是热缺陷。位错对材料性能的影响表现在对刃型 位错存在一串原子带有未饱和的悬挂键，可起施主或受主作用（与单晶类型有 关），使材料电阻率改变。位错还会影响迁移率和电导率，并具有明显的方向性。 位错的存在还会改变少数载流子的寿命。堆垛层错可以引起杂质不规则扩散和不 均匀分布，使器件结构不规则，引起漏电流增大，二次击穿，局部击穿甚至短路。 层错也成为重金属等有害杂质聚集、沉淀核心，引起击穿。层错害成为载流子的 复合中心和散射中心，使少数载流子寿命和迁移率下降，使器件放大系数下降， 增大反向电流和正向压降，降低截止频率。
9.6 典型的半导体材料
9.6.3砷化镓材料 GaAs为闪锌矿结构、密度为5.307g/cm3，主要键合 形式为共价键，还有离子键，熔点较高为1238℃，它具 有非中心对称性，对晶体的解理性、表面腐蚀和晶体生 长都有影响。GaAs为直接跃迁型半导体，有较高效率的 光转换，是制作半导体激光器和发光二极管优先选用的 材料，而且具有双能谷，能发生负阻现象，用来制作耿 氏功能器件。 9.6.4镓砷磷材料 镓砷磷材料是由GsAs和GaP组成的混晶，主要用作 发光材料。随着组成的变化，它的发光效率和亮度也在 变化。
9.1.2 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半导体材 料称为固溶体半导体。其重要特性是禁带宽度随固溶度 的成分变化，因此可利用固溶体得到有多种性质的半导 体。
9.1半导体材料分类
9.1.3 非晶态半导体 非晶态物质的特征是长程无序，短程有序，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 或高阻体，但在达到一定值得外界条件（如电场、光、 温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态 半导体。 9.1.4 有机半导体 有机化合物是指有碳键的化合物，其晶格是分子晶 格，分子间为范德华力相互作用，分子间价电子的共 用化几乎不可能，因此呈现优良的绝缘性能。