第4章 半导体材料概述
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。
目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。
（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。
同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。
（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料第一节半导体金刚石的制备及应用第二节低维半导体材料及应用第三节有机半导体材料（一）教学方法与学时分配按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。
华南理工半导体物理—第四章
E=0 2
1 6 3 随机热运动 4
5
当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上 受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向 被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上 ，此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity) 一个电子由于随机 的热运动及漂移成分两 者所造成的位移如图所 示。 值得注意的是，电 子的净位移与施加的电 场方向相反。
电离杂质散射 • 半导体中的电离杂质形成正、负电中心， 对载流子有吸引或排斥作用，从而引起载 流子散射。
电离杂质散射几率
Pi N iT
3
2
上式表明，随着温度的降低，散射几率 增大。因此，这种散射过程在低温下是 比较重要的。
Байду номын сангаас
晶格振动散射
半导体晶体中原子的振动是引起载流子 被散射的主要原因之一。
mn n 0.26 0.911030 kg 1000104 m2 / V s c q 1.6 1019 C
1.48 1013 s 0.148 ps.
又
1 3 3kT 2 mn vth kT vth 107 cm / s 2 2 mn
所以，平均自由程则为
漂移运动，迁移率与电导率
• 漂移运动：载流子在电场力作用下的定向运动， 定向运动的速度称为漂移速度
j E
vd n E
j nqvd
jn nqn E
n nqn
J jn j p (nqn nq p ) E
(nqn nq p )
载流子散射
j E
dI dV J E ds dl
半导体中电流的大小还可以从另一个角度 来理解。
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
第半导体物理课件 第四章
用，对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密 相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半 个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散 射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不 变，－－弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能 量有较大的改变，－－非弹性散射。
迁移率和杂质与温度关系
杂质浓度较低，迁移率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高，迁移率下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子迁移率缓慢上升，直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大，所以迁移率随温度升高而增大；温度继续升 高后，又以晶格振动散射为主，故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射．对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的．但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限于讨论各向同性的 散射。
5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点：
a、声学波散射： Ps∝T3/2 b、光学波散射：P o∝[exphv/k0T）]-1
2）电离杂质散射：即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。
3)其它散射机构
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体的n型和p型概要
在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
10
模拟电子技术基础
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
22
3.杂质半导体
杂质半导体的示意图
多子—空穴 P型半导体 多子—电子 N型半导体
－
－ － 少子—电子
－ － －
－
－
－ －
+
+ +
+
+ +
+ + +
+ + +
－ －
少子—空穴
多子浓度——与杂质浓度有关
少子浓度——与温度有关
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4.掺杂工艺简介
杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩 散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由 高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓 度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高 温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内， 杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由 离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电 路，因为二者互补不足，相得益彰。
14
3.杂质半导体
应当注意，通过增加施主原子数可以提高半导 体内的自由电子浓度，由此增加了电子与空穴 的复合几率，使本征激发产生的少子空穴的浓 度降低。由于电子与空穴的复合，在一定温度 条件下，使空穴浓度与电子浓度的乘积为一常 数，即 pn = pini 式中pini分别为本征材料中的空穴浓度和电子 浓度，可以得到如下关系式： pn = ni2
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
半导体、二级管和三极管概述
PN结加反向电压
PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；
而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。
流过PN结的反向电流称为反向饱和电流(即IS)， PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所 以该状态称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS≈0，则认为PN结截止。
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动Байду номын сангаас成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
IC IB
iC iB
交流电流放大系数
I CEO (1 ) I CBO
稳压管的伏安特性
稳压管的主要参数 稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。
（6）其它类型二极管 发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。
图4 本征半导体中 自由电子和空穴
本征半导体的载流子的浓度 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。
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常温常压下发生向金 刚石转变的结构变相， 为金刚石的人工合成 提供了潜在的新途径
金刚石薄膜CVD淀 积前在衬底上涂一层 C60对成核起明显促 进作用
炭笼分子结构
3）碳纳米管（CNT）
碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米 的中间空闭合管状物。
螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米 管为半导体，其余为导体
替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有 了希望
双壁碳纳米管纳机电系统用
3、灰锡
锡有两种同素异形体，灰锡和白锡 灰锡：不稳定；具有金刚石结构，立方晶系 白锡：四方晶系 窄禁带特征有可能用于远红外探测器方面
气敏半导体 微电子半导体
∶ ∶
按组成 按结构
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
单晶半导体 晶体
多晶半导体 非晶、无定形半导体
2）元素的电负性与原子的结合
电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共 有电子偶的能力。
其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。
其一般规律为：价电子数相同的原子，电子壳层 越多，电负性越弱，电子壳层数相同的原子，价 电子数越多，电负性越强。
电负性决定原子结合性质
同种元素结合：电负性小者倾向于按金属键结合 （铜、银、金），电负性大者倾向于按共价键结合 （金刚石、硅、锗）
化合物结合：电负性差别较大的两种元素倾向于按 离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于按 共价键结合
3）半导体的晶体结构
晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复 排列构成的固体物质，具有规则几何外形。
按ABAB顺序堆垛
半导体的晶体结构
结构类型
半导体材料
极性差别
金刚石型
Si，金刚石，Ge
闪锌矿型 GaAs，ZnO，GaN，SiC 小（共价键占优势）
纤锌矿型 InN，GaN，ZnO，SiC
大
NaCl型
PbS，CdO
4.2 元素半导体
硒 结晶炭 灰锡 锗 硅
周期表中半导体相关元素
周期
4、 锗
1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期 表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。
1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿 中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium） 以纪念他的祖国。
Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50 年代，Ge是主要的半导体电子材料
夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
晶胞中质点的占有率
体心
面心
棱边 顶角
晶胞中各质点的占有率
立方晶胞
体心： 1 面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
金刚石结构
金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构 成的立方点阵为金刚石结构 8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子
109º28´
闪锌矿结构
闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成 的立方系晶体点阵称为闪锌矿结构 按ABCABC顺序堆垛
纤锌矿结构
纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型 变体，具有六角对称性
2、结晶炭
1）金刚石
金刚石薄膜具有禁带很宽、高热 导率、高临界击穿电场、高电子 饱和速度、低介电常数，适合制 造高性能电力电子器件和高温电 子学器件
电阻率很高，但掺杂可使电阻率 降低
高热导率 ，可作切割工具燃料
对光的折射率高，吸收系数低， 在光电子学领域存在潜在的应用 价值
金刚石2）C60来自锗的分布 锗在地壳中含量约为 百万分之一，分布极 为分散，常归于稀有 元素；
1. 在煤和烟灰中； 2. 与金属硫化物共生； 3. 锗矿石
锗
锗的应用
属金刚石结构 由于Ge的禁带较
窄，器件稳定工 作温度远不如硅 器件高，加之资 源有限，目前， Ge电子器件不到 总量的10%，主 要转向红外光学 等方面。
第四章 半导体材料概述
第四章 半导体材料概述
4.1 半导体材料的晶体结构与分类 4.2 元素半导体 4.3 化合物半导体 4.4 有机半导体 4.5 非晶半导体 4.6 精细结构半导体
4.1 半导体材料的晶体结构与分类
1）半导体材料的分类
光电半导体
按功能和应用
热电半导体
微波半导体
a
立方 Cubic
c ba 四方 Tetragonal
c ba
正交 Rhombic
c
c
c
ba
c ba
ba
a b
三方 Rhombohedral 六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic 三斜 Triclinic
晶系 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 三斜
晶轴 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c
大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸 作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石 复杂组成的大门。
晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点 作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重 复出现的结果。
晶胞参数
我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。
构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、 β、γ称为晶胞参数。
它们决定了晶胞的大小和形状。
七大晶系
c
b
αβ γ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
2
硼B 碳C 氮N
3
铝Al 硅Si 磷P 硫S
4
锌Zn 镓Ga 锗Ge 砷As 硒Se
5
镉Cd 铟In
锑Te
1、硒
实际应用的最早半导体材料
禁带较宽，大于1.7ev
分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红 硒、灰硒）
主要用来制作光电池、摄像靶、整流器；
硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等 优点
5、 硅
硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。