半导体材料1..ppt

课程学习最终需要达到的效果 课程属于交叉学科（物理、化学、材料、器件等） 半导体材料课程基本内容（基本概念、原理和涉及相关器件制备应用） 产业项目及科研项目的开展过程中如何规划和设计 如何进行自己的科研报告 课程内容及安排 (一)、半导体材料特性(3学时) (二)、半导体材料（5学时） (三)、半导体工艺技术及测试分析（8学时） (一)、半导体材料特性 1.半导体材料的发展趋势 2.半导体材料的分类 3.半导体材料的基本性质及应用 4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设计 1. 半导体材料的发展趋势 禁带宽度的变化趋势 维度的变化趋势 发展趋势之一 第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eV 第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表; GaN: Eg=3.3 eV 发展趋势之二 半导体材料另一发展趋势是：由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。 维度是一个空间的概念，长、高和宽是三个空间的维度。 三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。 二维超晶格、量子阱材料：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向，由于它很薄，电子运动受到了限制。 一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。 量子点：电子在三个方向，X、Y、Z三个方向上都不能进行自由运动，即三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。 2. 半导体材料的分类 1. 禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN 2. 化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等 3. 使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等 3.半导体材料的基本性质及应用 (1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质 立方晶体 半导体材料：多数是立方晶体和六角晶体。 立方晶体（等轴晶系），三边等长，相互正交。 （a）简单立方晶系 原子在顶角，每个原子为8个晶胞共有，每个晶胞有8个原子在顶点上，晶胞体积就是一个原子占有体积。 （b）体心立方晶体 每个晶胞有8个原子在顶点上，一个在体心，晶胞有2个原子。体心立方可看成简单立方体套构而成。 （c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。 （2）半导体材料的能带结构 间接带隙结构 硅中的杂质 1. n型掺杂剂：P，As，Sb 2. p型掺杂剂：B 3. 轻元素杂质：O，C，N，H 4. 过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni （4）电学性质 本征载流子浓度 a. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。 b. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。 c. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。 本征载流子浓度（Si） 温度T=300 K，Eg=1.12 eV 电导率和电阻率 电导率 电阻率 （5）光学性质 晶体半导体 直接跃迁和间接跃迁 满足能量守恒和动量守恒 间接跃迁时需要声子的参与 非晶半导体 电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别 电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则 非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波失 吸收系数 透射率 折射率 自发辐射、受激辐射 元素的电负性与原子的结合(化学特性) 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）