11章-氧化物半导体材料
半导体电化学
第一章 半导体电化学 第一节 氧化物半导体一、 半导体中的能带及载流子孤立原子中的电子受热激发可能从价电子能级跳到激发态最低能级以上的某个能级，对半导体而言价带中的电子热激发可能到达导带成为可自由移动的载流子，同时价带中生成一个空穴。
通常的半导体材料Si,Ge 的禁带宽度约为1.0eV 。
Si,Ge 是共价化物，原子之间的化学键是共价键。
氧化物半导体原子之间的化学键除有共价键的成分外还有较强的离子键成分。
离子键的键能大于共价键的键能，因此若使氧化物半导体价带中的电子激发到导带需要更多的能量。
换句话说，氧化物半导体的禁带宽度要比通常的半导体宽。
二、 氧化物半导体1） 氧化物半导体的特点由于目前还得不到高纯度完整的晶体，对它的研究不如对Si,Ge 研究的透彻。
与Si,Ge 相比，氧化物半导体有如下的特点：（a ）有较强的离子键成份；（b ）出现偏离化学比的问题，化学比问题与化合物半导体的缺陷密切相关；（c ）氧化物半导体材料都是多晶材料，因此必须考虑晶粒间界的作用。
2） 氧化物半导体中的缺陷热平衡缺陷—完整晶格中一个或少数几个原子的规律被破坏。
如空位、间隙原子、代位原子。
产生热平衡缺陷需要的能量较少。
随着温度的升高热平衡缺陷也增多。
只有当温度为0度K 时,热平衡缺陷的浓度趋于零。
位错—在较大的范围内原子的规则排列被破坏。
形成位错需要较多的能量，热激发是产生不了的。
位错与化学比无关，但是它影响密度。
3） 空位空位指晶格中某些格点缺少了原子或离子，换句话说一个原子从格点处跑开了，便留下一个空位。
M 代表正电性强的元素X 代表负电性强的元素； V M 表示M 格点空位；V X 表示X 格点空位，示于下图空位对化合物半导体导电的贡献如何？他们起施主的作用还是起受主的作用？对于离子性很强的化合物半导体—氧化物半导体，一般认为有如下规律：正离子空位V M 是受主，负离子空位V X 是施主。
V X V MM X M X M X M X X M M X M X MM X M X M X X设：MX 中的M 为正二价的离子X 为负二价的离子。
氧化物半导体材料在电子器件中的应用
氧化物半导体材料在电子器件中的应用随着科技的发展，电子器件的应用范围越来越广泛。
由于电子器件对材料的要求越来越严格，半导体材料成为了电子器件的主要材料之一。
目前，氧化物半导体材料已经广泛应用于各种电子器件中，如晶体管、光电器件、超导器件等。
氧化物半导体材料具有很高的电学性能和化学稳定性，能够满足复杂电子器件对材料性能的要求。
例如，氧化物半导体材料的禁带宽度较窄，能够实现高速开关操作；同时，由于其能量带结构具有优异的调控性能，能够实现器件的各种定制化。
因此，氧化物半导体材料在电子器件中的应用前景非常广阔。
晶体管是一种最基本的电子器件，它具有放大和开关两种作用。
在传统的晶体管中，硅是最常用的半导体材料。
然而，随着电子器件的性能提高，硅材料的电学性能已经不能完全满足要求。
因此，氧化物半导体材料开始应用于晶体管中，取得了很好的效果。
近年来，氧化物半导体材料在光电器件中的应用越来越广泛。
光电器件是利用光效应来转换光信号和电信号的器件。
例如，太阳能电池利用光电效应将太阳能转换成电能，LED灯利用光电效应将电能转换成光能。
在这些光电器件中，氧化物半导体材料往往被选为光电材料，因为它们的吸收系数高、透过率好、成本低等特点。
同时，氧化物半导体材料还被应用于超导器件中。
超导器件是能够在低温下实现零阻抗的器件。
氧化物半导体材料中的复合材料是一种重要的超导材料。
储能器中大量地应用到氧化物半导体材料，超导电池中的电极材料也是氧化物半导体材料。
此外，超导干线、能量储存、电磁波屏蔽等领域中也都广泛应用了氧化物半导体材料。
总的来说，氧化物半导体材料在电子器件中的应用已达到了前所未有的高度。
其它的一些半导体材料如硅、锗、砷化镓等也被广泛应用在各种电子器件中，而氧化物半导体材料的特殊性质则使其成为了电子器件材料的重要选择。
随着科技的不断发展，氧化物半导体材料在电子器件中的应用前景将会持续扩大。
氧化物半导体气体传感器原理
氧化物半导体气体传感器原理氧化物半导体气体传感器是一种常见的气体检测装置，广泛应用于工业、环境监测等领域。
它的工作原理基于氧化物半导体材料的电学特性。
我们需要了解氧化物半导体的材料特性。
氧化物半导体通常是由金属氧化物组成，如二氧化锡（SnO2）、二氧化钛（TiO2）等。
这些材料在高温下具有良好的导电性能，但在常温下，它们的电导率较低。
当氧化物半导体暴露在空气中时，它会与空气中的气体发生作用。
不同的气体会引起氧化物半导体表面的化学反应，从而改变其电导率。
这种变化是因为气体分子的吸附和解离作用改变了氧化物半导体的电荷密度。
具体来说，当氧化物半导体暴露在空气中时，它的表面会吸附一些氧分子和水分子。
这些分子与氧化物半导体表面的自由电子发生作用，产生正电荷。
这些正电荷会阻碍自由电子的运动，从而降低了氧化物半导体的电导率。
当有其他气体进入氧化物半导体的接触区域时，它们会与已吸附在表面上的氧分子和水分子发生竞争吸附。
不同的气体具有不同的吸附能力和解离效果，因此会引起不同程度的电导率变化。
氧化物半导体气体传感器利用这种电导率变化来检测气体浓度。
传感器通常由两个电极组成，它们与氧化物半导体材料相接触。
当施加电压时，电流通过氧化物半导体，并通过测量电阻或电流的变化来间接测量气体浓度。
传统的氧化物半导体气体传感器通常需要加热氧化物半导体材料以提高其灵敏度。
加热可以增加氧化物半导体表面的吸附能力，并提高与气体之间的反应速率。
然而，这也会增加传感器的功耗和响应时间。
近年来，研究人员提出了一种新型的氧化物半导体气体传感器，利用纳米材料技术来提高传感器的性能。
纳米材料具有更大的比表面积和更短的扩散距离，因此可以提高传感器的灵敏度和响应速度。
此外，纳米材料还可以通过调控其形貌和结构来选择性地吸附特定的气体，从而实现多气体检测。
总的来说，氧化物半导体气体传感器利用氧化物半导体材料的电导率随气体浓度的变化来检测气体。
它的工作原理基于气体分子与氧化物半导体表面的吸附和解离作用，通过测量电阻或电流的变化来间接测量气体浓度。
新型氧化物半导体的研究与应用前景分析
新型氧化物半导体的研究与应用前景分析随着科学技术的不断发展，半导体技术成为了电子产业中最为核心的技术之一。
氧化物半导体作为新型半导体材料，具有优异的物理和化学性能，在新型电子器件和智能系统领域中引起了广泛的关注和研究。
本文将对新型氧化物半导体的研究现状和应用前景进行分析。
一、新型氧化物半导体的发展历程氧化物半导体的研究历史可以追溯到20世纪80年代，当时人们开始对钙钛矿氧化物半导体的物理和化学性质进行深入研究。
2000年代初期，研究人员对氧化物半导体的控制和制造技术进行了重大突破，成功地制成了具有高电子迁移率和低电子密度的材料，如锂钛酸铁、氧化锌等。
这些材料的研究成果使得人们开始尝试将氧化物半导体应用于新型电子元件和智能系统中。
二、氧化物半导体的物理和化学特性与传统的硅半导体相比，氧化物半导体具有以下几个显著的优点：1、高温稳定性：氧化物半导体具有很强的抗氧化性和高温稳定性，可以在高温下长期工作。
2、高电子迁移率：氧化物半导体的电子迁移率很高，可以实现高速电子传输。
3、透明性：氧化物半导体具有优异的透明性和光学性能，可以制成透明电子元件和柔性电子元件。
4、低功耗：与传统硅半导体相比，氧化物半导体具有极低的功率损耗和噪声。
三、氧化物半导体的应用前景在现代电子产业中，氧化物半导体具有广泛的应用前景。
以下是几个典型的应用领域：1、新型光电器件：氧化物半导体可以实现高效率的光电转换，可以制成光电二极管、太阳能电池等新型光电器件。
2、信息存储：氧化物半导体可以制成高效率的非易失性存储器件，具有很高的抗辐射性能。
3、化学传感器：氧化物半导体可以制成高灵敏度的气体和化学传感器，可以用于环保、生命科学等领域。
4、柔性电子器件：氧化物半导体具有优异的柔性和透明性，可以制成柔性电子元件，包括智能手表、可穿戴电子等。
四、结论随着科学技术和电子产业的不断发展，氧化物半导体作为新型半导体材料在信息存储、光电器件、化学传感器和柔性电子器件等领域中，具有广泛的应用前景。
【名词解释】氧化物半导体TFT(oxide semiconductor TFT)
作为“新一代电子的基础材料”而备受全球显示器技术人员关注的就是氧化物半导体TFT。
因为氧化物半导体TFT是驱动超高精细液晶面板、有机EL面板以及电子纸等新一代显示器的TFT材料最佳候选之一。
预计最早将在2012～2013年开始实用化，将来或许还会成为具备“柔性”和“透明”等特点的电子元件的实现手段。
氧化物半导体是通常容易成为绝缘体的氧化物，但却具有半导体的性质。
在众多物质当中，最受关注的是“透明非晶氧化物半导体（TAOS：Transparent Amorphous Oxide Semiconductors）”。
非晶IGZO（In-Ga-Zn-O）就是一个代表性例子。
除了三星和LG显示器等韩国企业外，日本的夏普、凸版印刷以及佳能等企业也在致力于TFT的应用开发。
TAOS类TFT的载流子迁移率高达10cm2/Vs以上，特性不均现象也较小。
因此，可驱动像素为“4K×2K”（4000×2000像素级）、驱动频率为240Hz的新一代高清晰液晶显示器。
当前的标准技术——非晶硅类TFT以及作为新一代技术而被大力开发的有机半导体TFT因载流子迁移率只有数cm2/Vs以下，很难应用到上述用途中。
即使是在有机EL显示器领域，与开发案例较多的低温多晶硅类TFT相比，实现大屏幕化时还是TAOS类TFT具有优势这是因为AOS类TFT可以抑制有机EL面板中存在着的因TFT特性不均而导致的显示不均现象。
TAOS薄膜可通过溅射法形成，制造成本也容易降低。
制造工艺温度可低至接近室温这一点也是TAOS类TFT的一大魅力。
可利用耐热性较差的树脂基板，因此能够实现可弯曲的电子纸等柔性显示器。
利用TAOS膜的透明特性，有望使电子元件实现透明化等。
进一步扩大氧化物半导体的用途时碰到的课题是如何实现p型半导体。
如果能实现高质量的pn结，就有望应用于柔性透明的集成电路、LED以及太阳能电池等用途。
金属—氧化物—半导体场效应晶体管PPT课件
（6-22） 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
1 dVG dV0 d s
C dQM dQM dQM
（6-23）
若令
C0
d QM d V0
CS
dQM
d S
dQS
d S
（6-24） （6-25）
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6.2 理想MOS电容器
则
1 1 1 C C0 CS
C0 =绝缘层单位面积上的电容，
半导体表面就存在表面势 S >0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影
响，就必须在金属电极上加一负电压。
VG1
' ms
m'
s'
（6-56）
S
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，
使
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6.4 实际MOS的电容—电压特性
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6.4 实际MOS的电容—电压特性
6.4实际MOS的电容－电压特性
• 功函数差的影响
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6.4 实际MOS的电容—电压特性
以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小，前者的费米能级比 后者的高
。接q触m 前，q功S 函数差EFM EFS
由于功－函数的不＝同，－铝( —二氧化硅—P型)<硅0 MOS系统在没有外加偏压的时候，在
qNa
4kS 0 f
qNa
QB qNa xdm
总表面空间电荷
QS QI QB QI qNa xdm
QI
为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：
QI
xI 0
qnI
x dx
（6-19） （6-20） （6-21）
金属氧化物半导体材料
金属氧化物半导体材料金属氧化物半导体材料（Metal Oxide Semiconductor，简称MOS）是一类重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。
本文将从材料特性、制备方法、应用领域等方面进行阐述。
一、材料特性金属氧化物半导体材料具有许多独特的特性。
首先，它们具有高的载流子迁移率，这使得它们在电子器件中具有较好的导电性能。
其次，金属氧化物半导体材料具有较宽的能带间隙，从而使得其在光电器件中具有较高的光吸收能力。
此外，金属氧化物半导体材料还具有良好的化学稳定性和热稳定性，能够在恶劣的环境条件下工作。
二、制备方法金属氧化物半导体材料的制备方法多种多样，常见的方法包括溶液法、气相沉积法和物理气相沉积法等。
其中，溶液法是一种简单、成本低、适用于大面积制备的方法。
通过溶液法可以制备出高质量的金属氧化物薄膜，用于制备光电器件。
气相沉积法和物理气相沉积法则适用于制备金属氧化物晶体材料，具有较高的晶体质量和较好的薄膜均匀性。
三、应用领域金属氧化物半导体材料在各个领域都有广泛的应用。
在电子器件方面，金属氧化物半导体材料可用于制备场效应晶体管（MOSFET）、光电二极管、太阳能电池等。
其中，场效应晶体管作为现代集成电路的核心器件之一，广泛应用于计算机、通信等领域。
在光电器件方面，金属氧化物半导体材料可用于制备光伏材料、光电导材料等，具有较好的光吸收能力和光电转换效率。
此外，金属氧化物半导体材料还可用于传感器、储能器件等方面，具有重要的应用价值。
总结：金属氧化物半导体材料作为一类重要的半导体材料，具有高的载流子迁移率、较宽的能带间隙、良好的化学稳定性和热稳定性等特性。
其制备方法多样，包括溶液法、气相沉积法和物理气相沉积法等。
金属氧化物半导体材料在电子器件、光电器件、传感器等领域都有广泛的应用。
随着科技的不断发展，金属氧化物半导体材料的研究和应用将会进一步拓展，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
氧化物半导体材料的制备与应用
氧化物半导体材料的制备与应用氧化物半导体材料（Oxide Semiconductor, O-Semiconductor）是指由氧化物化合物构成的半导体材料。
与传统的晶体硅相比，氧化物半导体材料具有可调性强、自适应性好、稳定性高等特点，因此在微电子学、能源材料、光电子学等领域得到了广泛应用。
一、制备方法氧化物半导体材料的制备方法主要包括溶胶凝胶、热氧化和分解反应三种。
溶胶凝胶法是利用某些金属盐或有机物作为前驱体，与一定量的水或其他适宜的溶媒混合制成溶胶，然后通过凝胶化作用形成固体凝胶，再通过煅烧或热解等过程获得氧化物半导体材料。
热氧化法是指将基底材料置于加热的气氛中，氧分子与基底表面的原子或分子反应，产生氧化物半导体材料的一种方法。
分解反应法是指将某种物质加热到一定温度后，在空气中发生氧化分解或还原分解等反应，生成氧化物半导体材料的一种方法。
二、应用领域1、微电子学氧化物半导体材料在微电子学领域的应用非常广泛，其中最重要的应用是作为场效应晶体管（FET）的通道材料。
以钙钛矿氧化物半导体材料为代表的新型金属氧化物场效应器件（MOFETs）具有高阻隔、低待机功耗、高速度和高稳定性等特点，被广泛应用于智能手机、平板电脑等数字产品中。
2、能源材料氧化物半导体材料也在能源材料领域得到了广泛应用。
例如，氧化钛（TiO2）是一种优良的光催化剂，可以将太阳光转化为化学能，实现光电转换。
钆镁锌铁氧体（GMZFO）是一种新型多功能电磁材料，可以在高温、高频和强磁场下稳定工作，广泛应用于雷达、通信和电子设备中。
3、光电子学氧化物半导体材料在光电子学领域也有着广泛应用。
以氧化铌锂为代表的非线性光学材料，具有较大的三阶非线性系数和较小的损耗，被广泛应用于光通信、光计算、激光雷达等领域中。
4、其他领域氧化物半导体材料还有其他广泛的应用领域。
例如，氧化铝用于生产高纯度陶瓷、电容器、耐火材料等；氧化锌用于生产散热器、LED器件等；氧化镁用于生产高温隔热材料等。
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5.2.2. n型和p型半导体生成 A. n型半导体的生成 a. 含有过量金属原子的非化学计量化合物 如:氧化锌中含过量锌 ZnO → Zn + 0.5O2,ZnO + H2 → Zn + H2O
15
b. 用高价离子取代晶格中的正离子
c. 通过向氧化物晶格间隙掺入颠覆性较小的杂质 如:ZnO中掺入Li,以生成Zn+，Li+
Ni3++O-(吸)
q吸 =41.8kJ/mol
Ni2++CO2(吸)q吸=293kJ/mol
CO2(吸)
CO2(g)
q吸 =-62.8kJ/mol
1/2O2(g)+CO(g)
CO2(g)
H=272kJ/mol
22
各种ZnO纳米结构
23
第三代半导体材料 禁带宽度:3.37eV
纯氧化锌是 N型半导体
(2) 测得O2转为O-吸时量热法测得微分吸附热为 41.8 kJ/mol，
(3)测得CO在NiO上微分吸附热是33.5kJ/mol，而 在已经吸附了O2的催化剂表面微分吸附热是293 kJ/mol。
这表明CO与NiO吸附不是一般的化学吸附而是化 学反应。
21
CO在NiO上氧化反应机理
Ni2++1/2O2(g) Ni3++过渡金属氧(硫)化物催化物的结构类型 a. M2O型和MO型氧化物
I. M2O型: Cu2O,CO加H2制甲醛 Ag2O
8
II. MO型: NaCl型:以离子键为主,金属与氧原子配位数均是 6，为正八面体结构。 典型例子：TiO、VO、MnO、FeO、CoO。 属立方晶系，低温下偏离理想结构变为三方或 四方。
16
B. p型半导体的生成 a.氧化物中正离子缺位的非化学计量化合物
b.用低价正离子取代晶格中的正离子
c.向晶格中掺入电负性较大的间隙原子
17
n型半导体生成条件
A）非化学计量比化合物中含有过量的金属 原子或低价离子可生成n型半导体。 B）氧缺位 C）高价离子取代晶格中的正离子 D）引入电负性小的原子。 P型半导体生成条件 A）非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。 B）用低价正电离子取代晶格中正离子。
6
b. 过渡金属氧(硫)化物催化物的电子特性
I. 过渡金属氧化物中金属阳离子的d电子层容易 得到或失去,具有较强氧化还原性 II. 过渡金属氧化物具有半导体特性。
III. 其中金属氧化物中的金属离子内层轨道保留 原子轨道特性,与外来轨道相遇时，可重新组合 成新轨道，利于化学吸附
IV. 与过渡金属催化剂相比,金属氧化物催化剂耐 热、抗毒、光敏、热敏、杂质敏感，适于调变。
第11章 氧化物半导体材料
1
金属氧(族)化物和硫化物概述
金属氧化物 复合氧化物;固溶体、杂多酸、混晶等
金属氧化物在催化中的作用和功能 主催化剂、助催化剂、载体等
金属氧化物催化剂的应用: 催化烃类选择氧化（降解等）
所用催化剂主要分三类:
1）过渡金属氧化物,2）金属氧化物，3）原态为
金属，但其表面吸附氧形成氧化层。
C-M2O3型: 与萤石结构(CaF2)类似,取走 其中1/4的O2-。
M3+配位数是6。
典型例子：Mn2O3、Sc2O3、
Y2O3、-Bi2O3(右图).
10
c. MO2型: 萤石型：r(M4+)/r(O2-) 较大, 例子：ZrO2、HFO2、CeO2、ThO2、VO2。 金红石型： r(M4+)/r(O2-) 其次， 例子：TiO2、VO2、CrO2、MoO2、WO2、
19
B. 施电子气体吸附（以H2为例） 对于H2来说,不论在n型还是p型氧化物上以正 离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起 施主作用。
20
例:CO在NiO上氧化反应
CO+1/2O2=CO2
△H=272KJ/mol
(1) O2在NiO上发生吸附时,电导率由10-11-1cm-1上 升为10-7 -1cm-1 。
ZnO的激子束缚 能为60meV
➢ 又称宽禁带半导体或高温半导体 ➢ SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石 ➢ 很多优异的性能
➢ 晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷， 锌是浅能级缺陷氧空位是深能级缺陷
24
a.岩盐矿结构 b.闪锌矿结构 c.六方纤锌矿 结构
25
体积效应 表面效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 界面相关效应 介电限域效应
MnO2等。 硅石型： r(M4+)/r(O2-) 最小，
11
d. M2O5型和MO3型: I. M2O5型：V2O5, 层状结构，V5+被六个O2-包围但实际只有5
个，成扭曲三角双锥
12
II. MO3型:WO3、MoO3、ReO3。
13
B、半导体分类: n-型半导体 ZnO ; 施主能级 ―提供电子的附加能级 (靠近空带 ) p-型半导体 NiO ; 受主能级 ―空穴产生的附加能级 (靠近价带 )。
C）向晶格掺入电负性在的间隙原子。
18
化学吸附
A. 受电子气体吸附（以O2为例）
(1) n型半导体 O2电负性大,容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面 在表面形成的负电层不利于电子进一步转移， 结果是氧在表面吸附是有限的。
(2) p型半导体 O2相当于受主杂质,可接受满带的电子增加满带 空穴量，随氧压的增加导电率增大，由于满带 中有大量电子，因此吸附可一直进行，表面吸 附氧浓度较高
纤维锌矿型:金属离子与氧为四面体型结构,四个 M2+-O2-不一定等价。 典型例子：ZnO、PdO、PtO、CuO、AgO、NbO。
9
b. M2O3型:
刚玉型:氧原子为六方密堆积,2/3八面体间隙被金 属原子填充。
M3+配位数是6，O2-配位数是4。
典型例子：Fe2O3、V2O3、Cr2O3、Rh2O3、Ti2O3
金属硫化物：半导体型化合物。单 、复合组分系。
应用 ：加氢、异构和氢解等 。
2
过渡金属氧(硫)化物的应用及类型
A. 过渡金属氧(硫)化物的应用及其特点 a. 过渡金属氧(硫)化物的应用
3
4
5
I. 金属氧化物催化剂主要是VB－VIII族和IB,IIB 族元素氧化物 II. 催化剂多由两种或多种氧化物组成 III. 氧化物具有半导体特性故为半导体催化剂 IV. 这些氧化物应用与氧化还原反应与过渡金 属电子特性有关。