光电功能材料课程-4半导体材料.pptx

光电功能材料及应用

OptoelectronicFunctionalMaterialsandApplications;2.电功能材料

2.1.导电材料

2.2半导体材料

2.3介电材料（电介质）

2.4.铁电材料（强极性电介质）

2.5超导材料;2.1半导体材料的发展史;1941年：多晶硅（Si)材料制成检波器

检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。

1947年，锗（Ge)单晶晶体管的发明，开创了固态电子学这一新领域，促进了半导体材料的发展。

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。;1950年发明了用直拉法制备单晶体

1952年发明了区域提纯：

硅是比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和应用于太阳能光伏发电、供热等。

1958年，集成电路:

IntegratedCircuit(IC)，是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。;50年代末，人们投入很大力量来研究第三代半导体材料??—砷化镓（GaAs）。

砷化镓以及有关的Ⅲ-Ⅴ族化合物在微波、光电子学等方面确实显示了巨大的优越性，成为重要的半导体材料，但硅的压倒优势未受动摇。

1970年代：微电子技术飞速发展

半导体从一开始直接使用的“体材料”，发展为现在常见的“薄膜材料”。这些薄膜材料是在半导体材料或其他材料的衬底上生长的。这些薄膜有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。;2.2半导体材料的主要性质;半导体的特有性质－负电阻温度系数;半导体的特有性质－光电导效应;半导体的特有性质－整流效应;半导体特有性质－光生伏特效应;半导体的特有性质－霍尔效应;金属、绝缘体、半导体的能带特征;;半导体材料的导电机理;2.4半导体的分类

按成分分类

按成分可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机四种半导体。

按掺杂原子的价电子数分类

按掺杂原子的价电子数可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。

按晶态分类

按晶态可分为结晶、微晶和非晶半导体。;本征半导体的能带结构;半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体。

本征半导体的导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。

本征半导体的电导率应由电子运动和空穴运动两部分引起的电导率构成，按照量子力学的微扰处理，本征半导体的电导率公式如下。;本征半导体是高纯度、无缺陷的元素半导体，其杂质小于十亿分之一个。

本征半导体中，主要的是硅、锗和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的半导体性质是1952年由Custer发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用，而且除了硅、锗、硼和碲外，其余的半导体元素均有两种或两种以上同素异形体，只有一种是半导体。;硅的半导体性质比锗优良，可使用温度广，可靠性更高，且资源丰富，95%以上的半导体器件是用硅材料制作的。

硅有单晶、多晶和非晶

物理性质:晶体硅为原子晶体，熔点高(1693K)，硬而脆，Eg=1.12eV,单晶硅的电子迁移率：1800cm2/Vs

化学性质:与空气、水和酸等不反应