1、第三章：半導體材料的性質與性能材料學院徐桂英半導體材料1 半導體材料的特征半導體材料的特征n（1）在室溫下，它的電導率在10310-9S/cm之間,S為西門子，電導單位，S=1/r(W. cm) ； 一般金屬為107104S/cm,而絕緣體則10-10，最低可達10-17。同時，同一種半導體材料，因其摻入的雜質量不同，可使其電導率在幾個到十幾個數量級的范圍內變化，也可因光照和射線輻照明顯地改變其電導率；而金屬的導電性受雜質的影響，一般只在百分之幾十的范圍內變化，不受光照的影響。n（2）當其純度較高時，其電導率的溫度系數為正值，即隨著溫度升高，它的電導率增大；而金屬導體則相反，其電導率的溫度系數

2、為負值。n（3）有兩種載流子參加導電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導體材料，既可以形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。在金屬中是僅靠電子導電，而在電解質中，則靠正離子和負離子同時導電。第一節：概述1.2半導體材料的類別對半導體材料可從不同的角度進行分類例如：n根據其性能可分為高溫半導體、磁性半導體、熱電半導體；n根據其晶體結構可分為金剛石型、閃鋅礦型、纖鋅礦型、黃銅礦型半導體；n根據其結晶程度可分為晶體半導體、非晶半導體、微晶半導體，n但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學組成的按其化學組成的分類，依此可分為：元素半導體、化合物半導體和

3、固溶半導體三大類，見表1。在化合物半導體中，有機化合物半導體雖然種類不少，但至今仍處于研究探索階段，所以本書在敘述中只限于無機化合物半導體材料，簡稱化合物半導體材料。1.2.1 元素半導體已知有12個元素具有半導體性質，它們在元素周期表中的位置如圖1.1所示。從這里也可以看出半導體材料與物質結構的密切關系。n化合物半導體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣。n化合物半導體按其構成的元素數量可分為二元、三元、四元等。n按其構成元素在元素周期表中的位置可分為III-V 族、II-IV-V族等等。n如果要問哪些化合物是半導體，哪些不是，有沒有規律性？應該回答說，規律性是有的，但還沒有找到一

4、個嚴密的公式可以毫無例外地判斷某個化合物是否屬于半導體。n常用的方法是先找到一個已知的化合物半導體，然后按元素周期表的規律進行替換（參照圖1.1） 。1.2.2 化合物半導體：u由兩個或兩個以上的元素構成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導體性質，就稱為固溶半導體，簡稱固溶體或混晶。u因為不可能作出絕對純的物質，材料經提純后總要殘留一定數量的雜質，而且半導體材料還要有意地摻入一定的雜質，在這些情況下，雜質與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質的含量較低，在半導體材料的分類中不屬于固溶半導體。u另一方面，固溶半導體又區別于化合物半導體，因后者是靠其價鍵按一定化學配比所構成的。固溶體則在其固溶度

5、范圍內，其組成元素的含量可連續變化，其半導體及有關性質也隨之變化。u固溶體增加了材料的多樣性，為應用提供了更多的選擇性。u為了使固溶體具有半導體性質常常使兩種半導體互溶，如Si1-xGex（其中x 1)；也可將化合物半導體中的一個元素或兩個元素用其同族元素局部取代，如用Al來局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1-xInxAs1-yPy 等等。u固溶半導體可分為二元、三元、四元、多元固溶體；也可分為同族或非同族固溶體等（見表1.1 ）。1.2.3 固溶半導體第二節 基本原理s = nem m (2-1)其中： n為載流子濃度，單位為個

6、/cm3; e 為電子的電荷，單位為C（庫侖），e對所有材料都是一樣，e=1.610-19C 。 m為載流子的遷移率，它是在單位電場強度下載流子的運動速度，單位為cm2/V.s；電導率s的單位為S/cm(S為西門子）。我們先看看室溫下半導體和金屬導電的差別原因我們先看看室溫下半導體和金屬導電的差別原因：(2-1)式中的遷移率的差別遷移率的差別：而半導體材料的遷移率一般都高于金屬， 例如金屬銅的室溫電子遷移率為30 cm2/V.s，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2/V.s。n載流子濃度載流子濃度：金屬的電導率比半導體要高出幾個數量級的原因從（2-1）式看，只能是載流子

7、濃度的差別。 在金屬中，價電子全部解離參加導電，例如導電性能好的金屬銅的載流子濃度為8.51022/cm3，而半導體材料的載流子濃度則在1061020/cm3范圍內，與金屬相差可達十幾個數量級。于是，金屬的電導率一般要高于半導體材料是顯而易見的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導電。n既然金屬中的價電子全部參加導電，因此無法再增加載流子，也無法束縛住載流子，所以金屬的導電率難以在大范圍內進行調節，摻入雜質和升溫會在一定程度上能降低遷移率，使電導率降低一些。n而半導體的載流子濃度可通過升溫、摻入雜質、幅照予以大幅度地增加，使其電導率發生顯著變化。n為什么金屬的價電子會全部解離，半導體的價

8、電子只局部解離，而絕緣體又不解為什么金屬的價電子會全部解離，半導體的價電子只局部解離，而絕緣體又不解離？離？這些將在能帶結構等章節中加以說明。n根據能帶結構圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：p一類是價帶與導帶相互搭接，這是導體；p另一類則在價帶與導帶之間存在著禁帶，這包括半導體與絕緣體。圖圖2.4 金屬、半導體和絕緣體的金屬、半導體和絕緣體的能帶結構示意圖能帶結構示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導體絕緣體n在導體中：p一類材料是由于電子在價帶中并未填滿，電子可以在帶內的各個能級上自由流動，這需要的能量非常之??；p另一類材料雖然在價帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，

9、所以價電子很容易從價帶進入到導帶成為自由電子而導電。 早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發現：將一塊矩形樣品在一個方向通過電流，在與電流的垂直方向加上磁場(H)，那么在樣品的第三個方向就可以出現電動勢，稱霍爾電動勢，此效應稱霍爾效應。圖2.1 霍爾效應原理l 負電荷 正電荷+dHIx（a）負電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子n從這個電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負電。其原理是洛侖茨力作用的結果，也就是當電流通過磁場時，不管載流子是正還是負，只要電流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，這就使得載流子的分配偏在同一方向，如圖2.1所示。l 負電荷 正電荷+dHIx（a）負電

10、荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子n顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動勢也不相同。可見，霍爾電動勢的方向取決于載流子帶的電荷是正還是負。n用此法測量金屬時，證明絕大多數的金屬都是靠帶負電荷的載流子-電子進行導電的。圖2.1 霍爾效應原理2.1.1 存在兩種載流子的證明n從圖2.7可以看出，這種熱激發的電子脫離價鍵后，使某個硅原子中少了一個價電子，從電平衡的角度相當于帶一個正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發生流動，即鄰近原子的價電子跑而空穴也可以發生流動，即鄰近原子的價電子跑過來填補這個缺位，而本身又產生一個空穴，在電過來填補這個缺位，而本身又產生一個空穴，在電場下如此連續

11、傳遞就形成了電流場下如此連續傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導電的原理。n當半導體主要是靠熱激發產生載流子時，導電稱當半導體主要是靠熱激發產生載流子時，導電稱為本征導電（為本征導電（intrinsic conductivity） ，這種半導，這種半導體稱為本征半導體（體稱為本征半導體（intrinsic semiconductor)。n其特點是自由電子數等于空穴數。從圖2.7中可以看出電子與空穴產生的一一對應關系。圖2.7 硅的本征激發示意圖利用價鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：利用價鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：以金剛石結構為例，將其晶面

12、以金剛石結構為例，將其晶面 的一些特征列入表的一些特征列入表2.5 中。中。n我們可以看出111的面間距是大小交替地存在。在間距大的面上的鍵密度又最小，而110次之，因此它們之間的結合力最弱，最容易由此斷開，這種斷裂現象稱為解理。n在半導體器件工藝中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。n硅、鍺的解理面為111及110。 表2.5 金剛石型結構的晶面特征利用晶體結構理論解釋具體的各向異性：利用晶體結構理論解釋具體的各向異性：第三章：半導體材料的性質與性能 當了解了上一章所述的一些基本概念之后，就可以深入地了解半導體材料的性質，可以理解半導體與導體、絕緣體的本質的不同，從而可以認識下述的半導體材料

13、的性能以及與之相關的應用。3.1 半導體的導電機理 3.1.1 載流子的來源從上述的能帶結構、化學鍵我們已知道了半導體中載流子產生的機理。下面我們再把載流子產生的影響因素和載流子在輸運過程中的一些問題進行闡述，這樣就容易了解半導體導電的過程。n所有材料的導電率（s）可用下式表達：s=nem (2-1) 其中n為載流子濃度，單位為個/cm3;e 為電子的電荷，單位為C（庫侖）；m為載流子的遷移率，它是在單位電場強度下載流子的運動速度，單位為cm2/V.s；電導率單位為S/cm(S為西門子）。我們首先研究一下靠熱激發的本征導電。u在一定溫度下，由于電子能量的分布不均勻，一部分原子或分子中的電子由價

14、帶升到導帶上的能級，如圖3.1所示 。u這在常溫下只有當半導體材料很純、晶體完整性很好時，才能顯示出來。在這種本征導電的情況下，被熱激發的載流子是成對的，如n表示電子數、p表示空穴數，此時： n = p （3-1）u當溫度明顯地高于絕對零度時，本征激發的濃度可近似地看作按波爾茲曼的統計分布即： n (p) Aexp-E/2kT (3-2)其中：A為比例常數；E為禁帶寬(eV)，k為波爾茲曼常數；T為熱力學溫度（K）。 圖3.1 本征導電原理示意圖+-電場方向導帶禁帶價帶從這里可以看出，半導體材料在特定溫度下，其電阻率是有上限的，即本征電阻率。當經過提純，使材料的雜質濃度低于其本征載流子濃度時，

15、如高純鍺，在此情況下，稱為本征鍺。這時，室溫電阻率就不能隨雜質濃度的進一步降低而增高，因此不能對應地反映材料的純度。這就需進行低溫測量。但對一些禁帶寬度較大的材料如硅，至今尚未能提純到本征純度。 表3.1 室溫下幾種材料的本征性質材料本征電阻率（Wcm）本征載流子濃度（個/cm3)Ge472.41013Si2.31051.451010GaAs1081.79106 在室溫下幾種半導體材料的本征性質如表3.1所示。其中，本征電阻率是指當材料很純時，僅由本征激發時所形成的電阻率。另一種導電機制是靠電活性雜質形成的載流子導電，這種導電稱為雜質導電。其原理如圖3.2所示。施主雜質：以雜質導電為主的、能向

16、導帶貢獻電子的雜質，稱為施主雜質。對IV族元素半導體而言，V族元素就是施主雜質。受主雜質：從價帶俘獲電子，而在價帶形成空穴的雜質稱為 受主雜質。對IV族素半導體而言，III族元素就是受主雜質。電離能：施主或受主分別向導帶或價帶釋放電子或空穴所需的能量稱為電離能，分別用ED、 EA表示（見圖3.2）。圖3.2 雜質導電示意圖+-電場方向導帶禁帶價帶+ + +- -DEDDEV施主能級受主能級雜質導電雜質導電:n淺施主或淺受主：其電離能比較?。?T1 P型半導體 N型半導體低溫高溫I外部負載金屬導流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖3.11 半導體材料的塞貝克效應(a) 熱電電勢；(b) n

17、型和p型半導體受熱后的載流子分布(T2T1)n在實際中利用這個現象可測量半導體的導電類型。n如果我們將熱端放到pn結處，如圖3.11(a)，則p 型冷端的正電位和n型冷端的負電位相加而形成熱電動勢。n而金屬的熱電效應則只利用不同金屬的逸出功（見3.3 節）不同及電子密度不同而形成。T2 T1 P型半導體 N型半導體低溫高溫I外部負載金屬導流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖3.11 半導體材料的塞貝克效應(a) 熱電電勢；(b) n型和p型半導體受熱后的載流子分布(T2T1)我們再看看半導體的帕爾帖效應。圖3.12所示為其原理。從圖（a）可以看出，當電流從n區進入p區時，在pn結（1）處

18、的載流子不斷地流走，因此需要相應地產生新的載流子，為此需要消耗能量，如圖（b）所示，這就使溫度降低。當載流子流向pn結（2）處時，兩種載流子是相迎地運動著，它就產生電子與空穴的復合，從而放出能量，如圖（b）所示，使溫度升高。這些效應是半導體致冷與半導體的熱電轉換應用的基礎。圖3.12 半導體材料的波爾帖效應示意圖(a) pn結處的載 流子的活動；(b) 載流子的能量變化 n根據量子力學的概念，具有一定波長的光具有能量hn，其中h為普朗克常數，n為光波的頻 率。當hn Eg時，這個光子便可把價帶的電子激發到導帶，而形成電子空穴對。這樣光子的能量hn被消耗在這種激發過程上了， 所以hn0 =Eg，n0就成為光吸收