材料科学与技术第三部分.ppt

* 四、半导体 半导体: 本征半导体和非本征半导体（参杂半导体） 四族元素半导体和化合物半导体 （一）本征半导体 本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体 禁带 价带 导带 EC EV 本征半导体 能带特征： 价带全满、导带全空、禁带中无能级 分类： 四族元素半导体： 化合物半导体： IV-IV 族： III-V 族： （锑化铟） II-VI 族： （硫化镉）， （碲化锌） 宽禁带、大功率半导体材料 1.5 5.0 4.9 4.9 热导率 击穿场强 1.1 3.2 2.9 2.2 禁带宽 1420 2800 2700 2839 熔点 Si 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC 物性 SiC与Si的物性比较 把一对Si原子和C原子看作一个小球 若把第一层作为A层，第2层有B和C两种可能， B上的层有C和A两种可能， C上的层有A和B两种可能， 3C-SiC の積層順序 4H-SiC の積層順序 6H-SiC の積層順序 本征Si 原子键合与导电机制： 电场 Si 每当一个电子从价带被激发到导带，便在价带中留下一个电子空位， 空穴 导带电子和价带空穴成对出现: 导带电子: 准自由电子、可在电场的作用下定向运动、形成电流 导带电子 价带空穴: 电场 Si 等效载流子 其导电过程实质上是电场的作用下价电子向空穴的跳跃过程 等效于带正电的空穴沿与价电子相反方向的运动 空穴带正电量： 本征半导体导电： 导带电子和价带空穴的共同贡献 电导率： 导带电子和价带空穴的数密度。 导带电子 导带电子和价带空穴的迁移率。 通常： 本征半导体: ZnTe CdS InSb GaAs GaP Ge Si 材料 本征半导体基本参数 一、欧姆定律 三、金属的电阻 第三章 材料的物性 第一节 材料的电性质 二、固体电子能带结构 四、半导体 （一）本征半导体 （二）非本征半导体 — 杂质半导体 （二）非本征半导体 — 杂质半导体 实际使用的半导体都是杂质半导体 杂质半导体：对本征半导体掺杂、实现改变其电性或 获得某种功能 杂质半导体分类：N型半导体和 P型半导体（掺杂种类不同） 1、N型半导体 5价P原子 束缚电子 5价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge 中 掺杂原子：P, As, Sb 未键合电子受杂质原子的束缚很弱 结合能： Si单晶 Sb P As N型半导体能带结构 5价杂质原子掺入相当在导带底引入施主杂质能级 杂质能级上的束缚电子很易被（热和电）激发到导带 5价杂质原子向导带提供电子 5价杂质原子：施主杂质 室温下施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子或空穴数 N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子 2、P型半导体 3价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge中 掺杂原子：Al, B, Ga 3价原子的周围共价键缺一个电子、周围价电子很容易被激发到这个电子空缺上 结合能： 3价B原子 空位 缺电子的位置可看作与杂质原子结合微弱的空位。 价电子向空位跳跃的过程等效于空位向价带的运动 3价杂质原子：受主杂质 接受来自价带的电子 P 型半导体能带结构 3价杂质原子掺入相当在价带顶引入受主杂质能级 价带电子很易被（热和电）激发到受主能级上 Si单晶 B Al Ga 室温下受主激发在价带中产生的空穴数远大于本征激发的电子或空穴数 P 型半导体：电子使少数载流子；空穴是多数载流子 等效于空位被激发到价带中、成为空穴 3、半导体掺杂工艺 掺杂： 将微量的施主或受主杂质加入本征半导体中、使之成为 N 或P型半导体的过程 掺杂物： 被掺入的物质 掺杂工艺方法：扩散法和离子注入法 （1）扩散法：气相法和预沉积、高温热处理法 a、气相法：置硅片于 1000 — 1100 oC 的扩散炉中， 扩散炉中充满掺杂原子气体。 控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数： 温度、时间、气相中掺杂原子浓度 （2）离子注入法： b、预沉积、高温热处理法： Si基板 预沉积杂质层 热处理 Si基板 扩散层 比气相法更易精确控制掺杂 控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数： 掺杂浓度和深度由温度和时间决定 50~100kV电压加速杂质离子 轰击Si基板 轰击深度：取决于杂质原子的质量、 基板的晶格损伤可在适当的温度下退火处理消除 可在室温下进行、能精确控制掺杂浓度和深度、适于集成电路制作 加速电压、及基板的表面状态 杂质量由预沉积层厚度决定 五、绝缘体 禁带宽度大、常温下价电子不能被激发到导带、电导率低 绝缘材料的主要性能指标： 电阻率、介电系数、介质损失和介电强度 （一）体电阻率和面电阻率 体电阻率：表征载流子在材料体内输运时的能耗特征 面电阻率：表征载流子在材料表面