半导体材料基础_基本特性

ii) 激子吸收

若 光 子 能 量 h<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。

1 m* 13.6 n E ex = 2 (eV ) 2 r m n
氧化铜、硒 整流器、曝光计
硅 检波器
1950年G.K.Teel 直拉法 较大的锗单晶
1952年H.Welker 发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物
1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生
进 入 成 长 期
1950 1952年G.K.Teel 直拉法 第一根硅单晶
1960
1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 制得高纯硅

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。
1、半导体的电子结构 (1) 能带结构 E(k)
自 由 电 子
}
-π/a
允带
}
0
π/a k
允带
}允带
绝缘体和半导体 导体
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
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
As
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 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 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。
＋4 价电子 ＋4 ＋4 共价键
整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，
＋4 空穴 ＋4
＋4 自由 电子 ＋4
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
绝缘体
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
气敏半导体 ∶ ∶ 无机半导体：元素、化合物
(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。

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 波 长 增 大 方 向 激子吸收：可见~近红外 晶格振动吸收：红外~中
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
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
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， 如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。
按组成分：
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
Si
C B Te 元素 半导体
Ge Se
稀少
Sn As
低温某种固相
P
I
S
Sb
不稳定,易挥发
(2)化合物半导体及固溶体半导体
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。
1958年 W.C.Das h无位错 硅单晶
硅外延 技术 成 熟 期
1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 半导体激光器 And then?
1960 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
1970
分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积MOCVD
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）
2、半导体的电学性质 (2) 半导体的电阻率
ρ
ρ
杂质全电离， 本征激发少， 散射作用强 本征激发 为主 杂质电离， 本征激发低 T 低温 饱和 杂质半导体
本征
T
本征半导体
3、半导体的光电性质
例1 元素半导体Si、Ge
极大值
导带
极小值 导带最低能谷
价 带
硅和锗的能带结构
例2 化合物半导体GaAs
导带 禁带
(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。
c
E f = Ei E p
k ' = k q
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。
SiC AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3 Ⅳ-Ⅳ族 Ⅲ-Ⅴ族 CdS、CdTe、 CdSe、 ZnS 化合物 半导体 Ⅱ-Ⅵ族
InP、GaN、 GaAs、InSb、 InAs
Ⅴ-Ⅵ族
GeS、SnTe、 GeSe、PbS、 PbTe
Ⅳ-Ⅵ族
金 属氧化物
CuO2、ZnO、 SnO2
2. 非晶态半导体（结构）
空穴
＋4 ＋4 自由 电子 ＋4 ＋5 施主 原子 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4
＋4
＋4
＋4
空位 ＋4 ＋3 受主 原子 ＋4 ＋4 ＋4 ＋4
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
与半导体内的散射机制(电 离杂质、晶格振动)有关
s=se+sp s与载流子浓度和载流子迁移率有关
(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
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 类型的电荷 1870 1930
1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 锗晶体管 (transistor) 点接触式的
萌 芽 期
1940
1950 硅 晶体管
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
缺陷的出现： 线缺陷 面缺陷 ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 无意掺杂
空位 位错 层错
源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂