半导体材料基础 基本特性精选
半导体材料介绍论文
半导体材料介绍论文引言：半导体材料是当今电子工业中至关重要的一类材料。
它们具有介于金属和绝缘体之间的电导性质，因而被广泛应用于电子器件的制造。
半导体材料的研究和发展对于电子行业的技术进步和创新起到了关键的作用。
本文将介绍半导体材料的基本特性、分类、制备方法、以及常见的应用领域。
1.基本特性：-可控的电导率：半导体材料的电导率可以通过外加电场或掺杂调节。
这使得半导体材料可以用来制造各种控制电流的电子器件，例如晶体管。
-禁带：半导体材料具有接近禁带（能量带隙）范围的能级，使得它们在常温下既不是导电体也不是绝缘体。
-注入载流子：通过施加特定的电压或电流，碰撞激发半导体中的电子和空穴，形成导电的载流子。
-温度敏感性：半导体材料的导电性质受温度影响较大，温度升高会导致其电导率增加。
2.分类：根据禁带宽度，半导体材料可以分为以下几类：-基础型半导体：禁带宽度较大，难以直接用于电子器件的制造。
例如，硅（Si）和锗（Ge）。
-化合物半导体：由两种或多种元素结合形成的化合物。
其禁带宽度较小，适合用于电子器件的制造。
例如，砷化镓（GaAs）和磷化氮（GaN）。
-合金半导体：由两个或多个基础型半导体材料合成的材料。
通过调节合金组成可以改变其禁带宽度。
例如，锗硅（Ge-Si）合金。
3.制备方法：-材料净化：去除杂质和不纯物质，确保制备的半导体材料具有良好的纯度。
-晶体生长：通过溶液法、气相沉积法、分子束外延等技术，使半导体材料在晶体结构中有序排列。
-掺杂：故意添加少量特定元素（掺杂剂），改变半导体材料的导电性质。
-制造器件：通过光刻、蚀刻、金属沉积等工艺，将半导体材料转化为各种电子器件。
4.应用领域：-电子行业：半导体材料是电子器件的基础材料，例如集成电路、晶体管等。
-光电子学：半导体材料的光学特性使其适用于光电器件的制造，例如激光二极管、太阳能电池等。
-光通信：半导体材料是光纤通信系统的重要组成部分，用于制造光电调制器、光放大器等器件。
半导体基本知识总结
半导体基本知识总结半导体是一种介于导体（如金属）和绝缘体（如橡胶）之间的材料。
它的电导率介于导体和绝缘体之间，可以在特定条件下导电或导热。
半导体材料通常由硅（Si）或锗（Ge）等元素组成。
半导体具有以下几个重要特性：1. 带隙: 半导体具有能带隙，在原子之间存在禁止带，使得半导体在低温状态下几乎没有自由电子或空穴存在。
当半导体受到外部能量或掺杂杂质的影响时，带隙可以被克服，进而产生导电或导热行为。
2. 导电性: 半导体的电导性取决于其材料内部的掺杂情况。
掺杂是指将杂质元素（如硼或磷）引入半导体材料中，以改变其电子特性。
N型半导体中的杂质元素会提供额外的自由电子，增加导电性；P型半导体中的杂质元素会提供额外的空穴，也可以增加导电性。
3. PN结: PN结是由P型半导体和N型半导体通过特定方式连接而成的结构。
PN结具有整流特性，只允许电流在特定方向上通过。
当正向偏置（即正端连接正极，负端连接负极）时，电流可以自由通过；而反向偏置时，几乎没有电流通过。
4. 半导体器件: 多种半导体器件被广泛使用，如二极管、晶体管和集成电路。
二极管是一种具有正向和反向导电特性的器件，可用于整流和电压稳定等应用。
晶体管是一种具有放大和开关功能的半导体器件。
集成电路是把多个晶体管、电阻和电容等器件集成在一起，成为一个小型电路单元，用于各种电子设备。
半导体的发现和发展极大地推动了现代电子技术的进步。
它不仅广泛应用于计算机、通信设备和电子产品，还在光电子学、太阳能电池和传感器等领域发挥着重要作用。
随着半导体技术的不断发展，人们对于半导体材料与器件的研究仍在进行，为电子技术的未来发展提供了无限可能性。
半导体的基本特征
半导体的基本特征
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特征。
以下是半导体的基本特征：
1. 导电性能：半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半
导体中，电子和空穴数量相等，因此电导率很低。
但是，通过掺杂或
施加电场等方法，可以增加半导体的导电性能。
2. 能带结构：半导体的能带结构是其特征之一。
半导体的能带结构由
价带和导带组成。
在纯净的半导体中，价带和导带之间存在能隙，电
子必须获得足够的能量才能跃迁到导带中。
3. 温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化。
在低温下，半导
体的电导率很低，但随着温度的升高，电导率会增加。
这是因为温度
升高会增加电子和空穴的数量，从而增加半导体的导电性能。
4. 光电特性：半导体具有光电效应，即当光照射到半导体上时，会产
生电子和空穴。
这种现象被广泛应用于太阳能电池和光电器件等领域。
5. PN结：PN结是半导体器件的基础。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，具有整流和放大等功能。
6. 控制特性：半导体的电性能受到外部电场的控制。
通过施加电场，可以控制半导体中电子和空穴的数量和移动方向，从而实现对半导体器件的控制。
总之，半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，能带结构、温度特性、光电特性、PN结、控制特性等特征。
这些特征使得半导体在电子器件、光电器件、太阳能电池等领域得到广泛应用。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体材料有哪些特性及应用
半导体材料特性及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的电子结构和导电性质。
半导体材料具有多种独特的特性，使其在电子、光电子、光伏和光通信等领域有广泛的应用。
半导体材料的主要特性1. 能带结构：半导体材料的电子能隙较窄，介于导体和绝缘体之间，使其在一定条件下可导电。
2. 斯特克斯位：半导体材料中的离子实栅靠近导带边缘，使电子在能带中具有很大的有效质量，有利于电子迁移。
3. 自由载流子浓度调控：通过施加外电场或调控杂质，可以有效调控半导体中的自由载流子浓度，实现半导体材料的导电性能调节。
4. 温度特性：半导体材料的电导率和载流子浓度都会随温度的变化而变化，通常表现为负温度系数。
5. 光电效应：半导体材料对光具有敏感性，可以通过光照射产生电子空穴对，实现光电转换及光电控制。
半导体材料的应用电子领域应用•集成电路（IC）：半导体材料在微电子领域中广泛应用，作为IC芯片的基础材料，实现电子元器件、逻辑电路等功能。
•太阳能电池：半导体材料通过光电效应转化光能为电能，广泛应用于太阳能电池板制造。
光电子领域应用•激光器：利用半导体材料的光电效应和电子受激辐射特性，制作激光器用于光通信、医疗等领域。
•LED：利用半导体材料的电子激发辐射特性制造发光二极管，广泛应用于照明、显示等领域。
光伏领域应用•光伏电池：利用半导体材料的光电转换特性，制造光伏电池转化光能为电能，应用于太阳能发电系统。
光通信领域应用•光纤通信：利用半导体激光器和探测器构成的光通信系统，提供高速、远距离的光通信服务。
综上所述，半导体材料由于其特殊的电子结构和性质，在电子、光电子、光伏和光通信领域有着重要而广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体材料的应用前景将更为广阔。
半导体材料基础基本特性
半导体材料的电子态和光学性 质
电子态和光学性质的基本概念
电子态：半导体材料中的电子分布 状态包括能带结构、电子密度等
电子态与光学性质的关系：电子态 决定了半导体材料的光学性质如能 带结构决定了材料的吸收光谱
添加标题
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光学性质：半导体材料对光的吸收、 反射、透射等性质包括折射率、吸 收系数等
半导体材料的电子态和光学性质的 应用：在光电子学、太阳能电池、 LED等领域有广泛应用
直接和间接带隙半导体
直接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量
如硅、锗等
间接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量 如砷化镓、磷
化铟等
直接带隙半导 体的光学性质： 吸收光谱较宽 发光效率较高
载流子散射：影响载流子迁移率的因素 包括晶格缺陷、杂质等
载流子浓度：影响半导体材料导电性的重 要因素
载流子复合：载流子之间的相互作用影 响半导体材料的导电性
半导体材料的能带结构
金属能带结构
金属能带结构：由电子填充的能带 电子填充：电子在能带中填充形成电子云 电子云：电子在能带中的分布状态 电子填充与能带结构：电子填充影响能带结构能带结构决定电子填充
砷化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
磷化铟：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
碳化硅：具有高热导率、高电子迁移率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
氮化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
半导体的能带结构
能带：半导体材料中电子的能量分布 价带：电子能量最低的能带 导带：电子能量最高的能带 禁带：价带和导带之间的能量区域 电子跃迁：电子从价带跃迁到导带产生电流 半导体的导电性：取决于电子在能带中的分布和跃迁情况
半导体材料基础_基本特性
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。k = k'+ hv
间接跃迁
c
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
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
Eenx
=
1
2 r
m* m
13.6 n2 (eV )
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；
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 。
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）
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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
熔点太高、 不易制成单晶
C B
Te 稀少
Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As
I S Sb
不稳定,易挥发
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
空位
缺陷的出现： 线缺陷
位错
面缺陷
层错
ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在
无意掺杂 杂质的出现：
有意掺杂
源材料和工艺
有目的控制 材料性质
? 半导体的掺杂分类
受
主
掺
B
杂
本征半导体 杂质半导体：n型、p型
受主能级
施
主
掺
As
杂
施主能级
杂质能级：杂质可以使电子在其周围 运动形成量子态
三、半导体的发展
1874年 F.Braun 金属－半导体接触
1879年Hall效应
K.Beadeker半导
体中有两种不同
萌
类型的电荷
芽
期 1870
1930
1948年 Shockley ，Bardeen,
Brattain 锗晶体管 (transistor)
点接触式的
1940
1950
氧化铜、硒 整流器、曝光计
CuO 2、ZnO 、 SnO 2
2. 非晶态半导体（结构）
(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体； (2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶 半导体
3.有机半导体（组分）
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π键结构。
? 杂质半导体 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，
硅 检波器
硅 晶体管
1950年G.K.Teel 直拉法
较大的锗单晶
进 入 成 长 期 1950
1952年H.Welker 发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物
1957年 第一颗砷化镓
单晶诞生
1960
1952年G.K.Teel 直拉法
第一根硅单晶
1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法
制得高纯硅
1958年
W.C.Das h无位错 硅单晶
电阻率：
R
绝缘体
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10 -6Ωcm
半导体：10-3Ωcm ＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞108Ωcm
半导体
负的温度系数 T
电阻温度系数图
二、半导体材料的分类
微电子半导体 光电半导体
按功能和应用分： 热电半导体 微波半导体
按组成分：
气敏半导体 ∶ ∶
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
? 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。
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
1.1 半导体的基本特性
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ρ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。
}允带
}允带
}允带
绝缘体和半导体 导体
绝缘体、半导体和导体的能带示意图
? 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 . 常温下： Si：Eg=1.12ev ；Ge: Eg=0.67ev ； GaAs: Eg=1.43ev 绝缘体的禁带宽度： 6~7ev 半导体的禁带宽度： 1~3ev
例1 元素半导体Si、Ge
极大值
导带最低能谷
导带 极小值
价 带
硅和锗的能带结构
例2 化合物半导体GaAs
禁带
导带
(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。
硅外延 技术
成 熟 期
1960
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层，
半导体激光器
And then?
1970
1963年砷化镓 微波振荡效应
1965年 J.B.Mullin发明 氧化硼液封直 拉法砷化镓单
晶
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
四、半导体材料的基本特性
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）
? 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。
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价电子
共价键
空穴
自由
电子
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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
? 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）
? 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 (1) 能带结构 E(k)
自 由 电 子
-π/a 0 π/a k 电子填充允带时,可能出现: 电子刚好填满最后一个带 最后一个带仅部分被电子占有
(2)化合物半导体及固溶体半导体
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
SiC Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
Ⅲ-Ⅴ族
InP 、GaN 、 GaAs、InSb 、
InAs
CdS 、CdTe 、 CdSe 、 ZnS
Ⅱ-Ⅵ族
GeS 、 SnTe 、 GeSe、PbS 、
PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物