第一章 半导体材料PPT讲稿.ppt

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1、第一章 半导体材料第1页，共86页，编辑于2022年，星期二1.1 半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质半导体材料是非常重要的一种信息功能材料，是集半导体材料是非常重要的一种信息功能材料，是集成电路产业的支撑材料。成电路产业的支撑材料。半导体具有独特的物理性质，对力、热、光、杂质半导体具有独特的物理性质，对力、热、光、杂质非常敏感，可用于制备各种功能器件。非常敏感，可用于制备各种功能器件。第2页，共86页，编辑于2022年，星期二第3页，共86页，编辑于2022年，星期二一、半导体的电子结构一、半导体的电子结构1.半导体的能带结构半导体的能带结构 能带结构：能带结构：直接带隙半导体：价带顶

2、与导带底直接对应；直接带隙半导体：价带顶与导带底直接对应；间接带隙半导体：价带顶与导带底不直接对应间接带隙半导体：价带顶与导带底不直接对应第4页，共86页，编辑于2022年，星期二第5页，共86页，编辑于2022年，星期二 许多半导体（许多半导体（4000种）都具有面心立方种）都具有面心立方结构结构第6页，共86页，编辑于2022年，星期二 族元素半导体（族元素半导体（Si,Ge）大多具有金刚石结构）大多具有金刚石结构(同一种元素构成同一种元素构成)，化合物半导体（，化合物半导体（-族，族，如如GaAs）具有闪锌矿结构（两套原子构成）。）具有闪锌矿结构（两套原子构成）。这两类结构都属于面心立方

3、结构这两类结构都属于面心立方结构第7页，共86页，编辑于2022年，星期二n-型施主杂质施主杂质 P+p 型受主杂质受主杂质 B 本征型纯-SiN型、型、p型半导体型半导体掺杂：在半导体认为引入某种杂质。掺杂：在半导体认为引入某种杂质。第8页，共86页，编辑于2022年，星期二间隙式杂质间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；替位式杂质替位式杂质：杂质原子位于晶格原子的格点位置。：杂质原子位于晶格原子的格点位置。掺杂工艺掺杂工艺：主要为热主要为热扩散和离子注入扩散和离子注入第9页，共86页，编辑于2022年，星期二v替位式杂质替位式杂质杂质原子的杂质原子的

4、大小大小与晶体原子相似，价电子的与晶体原子相似，价电子的壳壳层结构比较相近层结构比较相近。IIIIII、V V族元素在硅、锗中均为替位式杂质族元素在硅、锗中均为替位式杂质。间隙式杂质间隙式杂质：杂质原子较小，如离子锂：杂质原子较小，如离子锂(Li+)半径半径为为0.068nm第10页，共86页，编辑于2022年，星期二 根据导电类型区分根据导电类型区分受主杂质受主杂质施主杂质施主杂质qV族元素在硅、锗中电离时能产生导电电子并族元素在硅、锗中电离时能产生导电电子并形成正电中心的杂质称为形成正电中心的杂质称为施主杂质施主杂质。第11页，共86页，编辑于2022年，星期二受主杂质受主杂质第12页，共

5、86页，编辑于2022年，星期二硅、锗中掺入硅、锗中掺入V族的磷原子杂质时，磷原子周围比硅原子族的磷原子杂质时，磷原子周围比硅原子周围多一个束缚着的价电子。好像在硅、锗晶体中多加了周围多一个束缚着的价电子。好像在硅、锗晶体中多加了一个一个“氢原子氢原子”。杂质原子杂质原子氢原子氢原子多余的价电子多余的价电子氢外层电子氢外层电子浅能级杂质电离能简单计算浅能级杂质电离能简单计算类氢模型类氢模型氢原子电离后，电子位于无穷远处，受束缚力很弱，也氢原子电离后，电子位于无穷远处，受束缚力很弱，也是是准自由电子准自由电子。杂质离化后，杂质电子进入导带，成准自由电子；杂质离化后，杂质电子进入导带，成准自由电子

6、；第13页，共86页，编辑于2022年，星期二q氢原子中的电子能量：氢原子中的电子能量：qn=1,2,3，为主量子数，n氢原子基态电子的电离能q当n=1和无穷时第14页，共86页，编辑于2022年，星期二n考虑到晶体中正、负电荷处于考虑到晶体中正、负电荷处于介电常数介电常数=0 0r r的介质中，的介质中，且在且在周期势场周期势场中运动，电子的质量要用有效质量所以有中运动，电子的质量要用有效质量所以有施主杂质施主杂质电离能：电离能：受主杂质电离能：受主杂质电离能：(2.2)(2.3)第15页，共86页，编辑于2022年，星期二1、没反映出杂质原子的影响。、没反映出杂质原子的影响。2、本身是一个

7、近似模型。、本身是一个近似模型。类氢模型的不足类氢模型的不足：Si:r=12,ED=0.1mn*/m0，小于0.1eV.mn*=0.26 m0，ED=0.025 eV.Ge:r=16,ED=0.05mn*/m0，小于0.05eV mn*=0.12 m0，ED=0.0046 eV.与与实验结果很符合。果很符合。第16页，共86页，编辑于2022年，星期二3.半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中的能带结构半导体中的能带结构第17页，共86页，编辑于2022年，星期二热平衡状态下，半导体中导电的电子、空穴都称热平衡状态下，半导体中导电的电子、空穴都称为为热平衡载流子热平衡载流子。

8、导电电子浓度和空穴浓度都保。导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值。持一个稳定的数值。Nc称为导带底称为导带底有效状有效状态密度态密度。Nv称为价带顶的称为价带顶的有有效状态密度效状态密度。导带电子价带空穴EF 为费米能级，电子填充为费米能级，电子填充率刚好等于率刚好等于1/2对应的能级对应的能级第18页，共86页，编辑于2022年，星期二对应关系：对应关系：对导带：能级对导带：能级E Ec c，状态密度是，状态密度是N Nc c 对价带：能级对价带：能级E Ev v，状态密度，状态密度N Nv v1 1、n n、p p表达式的特点：表达式的特点：共同点：共同点：结构很对称结构很对称 第1

9、9页，共86页，编辑于2022年，星期二v1.1.温度温度 vA A、影响、影响N Nc c和和N Nv v：与温度与温度T T3/23/2成正比成正比关系关系.电子、空穴电子、空穴浓度与温度有浓度与温度有关关v2.E2.EF F在能带中的相对位置在能带中的相对位置;2、影响因素的特点、影响因素的特点第20页，共86页，编辑于2022年，星期二对对g gc c(E)f(E)fF F(E)(E)求求导可知，导可知，最多电最多电子数的能级子数的能级出现出现在在x=1/2x=1/2处，即处，即E=EE=Ec c+k+ko oT/2T/2。第21页，共86页，编辑于2022年，星期二n n型半导体型半

10、导体p p型半导体：型半导体：E EF F在能带图中的位置体现了半导体的载流子在能带图中的位置体现了半导体的载流子浓度分布情况。浓度分布情况。EF的变化，实质上反应了允的变化，实质上反应了允带载流子浓度的变化。带载流子浓度的变化。本征半导体：本征半导体：E EF F随掺杂变化情况随掺杂变化情况EFEcEvEFEF第22页，共86页，编辑于2022年，星期二设本征半导体的载流子浓度设本征半导体的载流子浓度ni,对本征半导体，存对本征半导体，存在在ni=n0=p0，则有则有 ni2=n0p0Eg=Ec-Ev,为半导体电子能带隙宽度，为半导体电子能带隙宽度，为导带底与价带顶之间的距离为导带底与价带顶

11、之间的距离v说明任何非简并半导体热平衡时载流子浓度的说明任何非简并半导体热平衡时载流子浓度的乘积等于该温度时本征载流子浓度的平方，与乘积等于该温度时本征载流子浓度的平方，与所含杂质无关。所含杂质无关。v适用范围：本征半导体和杂质半导体适用范围：本征半导体和杂质半导体第23页，共86页，编辑于2022年，星期二对一定的半导体材料，本征载流子浓度对一定的半导体材料，本征载流子浓度随温度的升高随温度的升高而迅速增加而迅速增加。这就是。这就是载流子浓度与温度的定量关系载流子浓度与温度的定量关系；对不同的半导体材料，禁带宽度越大，本征载流子对不同的半导体材料，禁带宽度越大，本征载流子浓度就越小。浓度就越

12、小。第24页，共86页，编辑于2022年，星期二v对杂质半导体，一种载流子浓度增加，另一种对杂质半导体，一种载流子浓度增加，另一种载流子浓度必然减小。载流子浓度必然减小。v一定温度下，只要一定温度下，只要E EF F确定，电子、空穴浓度也确定，电子、空穴浓度也确定。确定。第25页，共86页，编辑于2022年，星期二二、二、半导体的导电性质半导体的导电性质1.载流子的漂移运动和电导率载流子的漂移运动和电导率电子的运动电子的运动A.热运动：无规则热运动：无规则 扩散扩散B.漂移运动：外电场作用下电子漂移运动：外电场作用下电子所做的规则、定向运动所做的规则、定向运动电子带负电，运动方向与电场方向相反

13、，空穴电子带负电，运动方向与电场方向相反，空穴带正电，运动方向与电场方向相同带正电，运动方向与电场方向相同载流子浓度载流子浓度载流子的运动速度载流子的运动速度电导率：导电导率：导电能力的强电能力的强弱（弱（）第26页，共86页，编辑于2022年，星期二在截面为在截面为S,长度为长度为l的材料上流过电流的材料上流过电流I，则界面上的电流密度为，则界面上的电流密度为J=I/S=E称为载流子的迁移率称为载流子的迁移率，反映电子在晶体中运动能力的大，反映电子在晶体中运动能力的大小。小。电场不很强时电场不很强时(E103V/cm),V Vd d和和E E成正比，设比例成正比，设比例系数为系数为，则满足则

14、满足关系式：关系式：V Vd d=E E,第27页，共86页，编辑于2022年，星期二电导率与迁移率成正比电导率与迁移率成正比。第28页，共86页，编辑于2022年，星期二 实际半导体中的载流子在外电场作用下，速度不实际半导体中的载流子在外电场作用下，速度不会无限增大，会无限增大，根本原因根本原因:受散射（碰撞）的缘受散射（碰撞）的缘故故。载流子本身在晶格中作无规则载流子本身在晶格中作无规则热运动热运动，格点原，格点原子在格点附近作子在格点附近作热振动热振动，半导体中还有，半导体中还有杂质原杂质原子子。Vd=E（2）载流子的散射）载流子的散射第29页，共86页，编辑于2022年，星期二碰撞碰撞

15、：载流子载流子与晶格、杂质与晶格、杂质(电离、未电离电离、未电离)、电子、晶格缺陷及其它等。（粒子性角度），电子、晶格缺陷及其它等。（粒子性角度），不断改变运动速度和方向。不断改变运动速度和方向。在外电场和散射在外电场和散射双重作用下，载流子从电场中获双重作用下，载流子从电场中获得速度，散射又不断地将载流子散射到各个方向，得速度，散射又不断地将载流子散射到各个方向，使漂移不能无限地增大。使漂移不能无限地增大。第30页，共86页，编辑于2022年，星期二电离杂质的散射电离杂质的散射(1)、库仑势场：施主杂质电离形、库仑势场：施主杂质电离形成成正电中心正电中心、受主杂质电离形成、受主杂质电离形成负

16、负电中心电中心，引入库仑附加势场，破，引入库仑附加势场，破坏了原来的周期性势场，使载流坏了原来的周期性势场，使载流子的子的运动方向发生改变，产生电运动方向发生改变，产生电离杂质散射离杂质散射。晶格散射第31页，共86页，编辑于2022年，星期二三、三、半导体的光电性质半导体的光电性质1.半导体的光吸收半导体的光吸收(1)本征吸收本征吸收光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带，到导带，产生电子产生电子-空穴对。电子的这种带与带间跃空穴对。电子的这种带与带间跃迁的吸收过程。迁的吸收过程。本征吸收发生的必要条件：光子能量本征吸收发生的必要条件：

17、光子能量h 大于等于禁带大于等于禁带宽度宽度Eg,即即 h h 0=Eg本征吸收限：当光子频率小于本征吸收限：当光子频率小于 0(波长大于波长大于 0)时，时，吸收吸收系数迅速下降，对应的频率系数迅速下降，对应的频率 0或波长或波长 0为本征吸收限。为本征吸收限。第32页，共86页，编辑于2022年，星期二第33页，共86页，编辑于2022年，星期二直接跃迁直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢相同波矢k的导带上。的导带上。直接带隙半导体直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁过程迁过程间

18、接带隙半导体间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具有相导带极小值和价带极大值不具有相同的同的k的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁过程跃迁过程第34页，共86页，编辑于2022年，星期二（2）.激子吸收激子吸收如果光子的能量小于禁带宽度，电子不能跃迁如果光子的能量小于禁带宽度，电子不能跃迁到导带。但可以与价带上的空穴形成一个束缚到导带。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的较弱的电子电子-空穴对空穴对，这种电子，这种电子-空穴对称为空穴对称为激子激子。（3）.杂质吸收杂质吸收 束缚在杂质能级上的电子束缚在杂质能级上的电子-空穴对发生跃迁引

19、空穴对发生跃迁引起的光吸收。起的光吸收。第35页，共86页，编辑于2022年，星期二（4）.自由载流子吸收自由载流子吸收 导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）内的能级上跃迁发生的光吸收，通常称为内的能级上跃迁发生的光吸收，通常称为带内跃迁带内跃迁。由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连续谱。续谱。（5）.声子吸收声子吸收 晶格振动产生的吸收晶格振动产生的吸收第36页，共86页，编辑于2022年，星期二2.光电导光电导用一定波长的光照射半导体用一定波长的光照射半导体，若光子能量若光子能量hEg,吸吸

20、收光子能量，电子被激发到导带，产生收光子能量，电子被激发到导带，产生电子电子-空穴空穴对对。即产生非平衡载流子。即产生非平衡载流子 n、p，n称为称为非平衡非平衡载流子载流子第37页，共86页，编辑于2022年，星期二小注入时，小注入时，0+0第38页，共86页，编辑于2022年，星期二v n和和 p 又称之为又称之为光生载流子光生载流子。显然。显然,n和和 p将使半导体的电导增加一个量将使半导体的电导增加一个量 ,我们称之为我们称之为光光电导电导。电导增量为电导增量为电导增量为电导增量为光电导增加将在外电路增加的光电流光电导增加将在外电路增加的光电流光电导增加将在外电路增加的光电流光电导增加

21、将在外电路增加的光电流 i i这种光电导型光电器件已广泛应用于光敏电阻、这种光电导型光电器件已广泛应用于光敏电阻、光电探测器等。光电探测器等。第39页，共86页，编辑于2022年，星期二四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性1.pn结结Pn相关器件认识相关器件认识二极管二极管整流桥整流桥第40页，共86页，编辑于2022年，星期二第41页，共86页，编辑于2022年，星期二一块一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处型半导体结合在一起，在其交接面处形成形成PN结。结。PN结是各种半导体器件，结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的如结型晶体管、集成电路的心脏。

22、心脏。pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷空间电荷（不可移动）。所在的区域为（不可移动）。所在的区域为空间电荷区空间电荷区第42页，共86页，编辑于2022年，星期二电子从费米能级电子从费米能级高高的的n区流向费米能级区流向费米能级低低的的p区，区，空穴从空穴从p流到流到n区。区。最后，最后，Pn具有统一费米能级具有统一费米能级EF,Pn结处于平衡状态。结处于平衡状态。第43页，共86页，编辑于2022年，星期二外加正向偏压下外加正向偏压下产生现象产生现象：势垒区电场减小；势垒区电场减小；势垒区空间电荷减小；势垒区空间电荷减小；净电流净电流0；宽度减

23、小；宽度减小；势垒高度降低势垒高度降低(高度从高度从qVD降到降到q（VD-V)第44页，共86页，编辑于2022年，星期二外加反向电场与内建势场方向一致。外加反向电场与内建势场方向一致。现象现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；宽度增大；宽度增大；势垒高度升高势垒高度升高(高度从高度从qVD升高到升高到q（VD+V)；第45页，共86页，编辑于2022年，星期二理想理想pn结的电流、电压方程结的电流、电压方程正向偏压下正向偏压下，电流密度随电压，电流密度随电压V指数式迅速增大指数式迅速增大反向偏压下反向偏压下，Vk0T时，时，Pn结的单向导电性结的单

24、向导电性第46页，共86页，编辑于2022年，星期二2.光生伏特效应光生伏特效应光照下，在光照下，在光照下，在光照下，在P P区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影响很大，从响很大，从响很大，从响很大，从P P形成电子扩散势。形成电子扩散势。形成电子扩散势。形成电子扩散势。若若若若P P区厚度小于电子扩散长度，则电子进入区厚度小于电子扩散长度，则电子进入区厚度小于电子扩散长度，则电子进入区厚度小于电子扩散长度，则电子进入pnpn结，内建电场扫向结，内建电场扫

25、向结，内建电场扫向结，内建电场扫向n n区，光生电子空穴对被内建电场分开，区，光生电子空穴对被内建电场分开，区，光生电子空穴对被内建电场分开，区，光生电子空穴对被内建电场分开，p p区、区、区、区、n n区两端形成负的开区两端形成负的开区两端形成负的开区两端形成负的开路电压，称为路电压，称为路电压，称为路电压，称为光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应。第47页，共86页，编辑于2022年，星期二v光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应。光照下激发电效应。光照下激发电子空穴对时，内建电场将电子空穴对分开，在势垒两子空穴对时，内建电场将电子空穴对分开，在势垒两侧形成电荷堆

26、积，形成侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。光生伏特效应。v光照光照零偏零偏pn结产生开路电压的效应结产生开路电压的效应光伏效应光伏效应光光电池，电池，u0=R0i0v光照反偏工作时，观察到的光电信号是光照反偏工作时，观察到的光电信号是光电流光电流，不是光，不是光电压，电压，结型光电探测器的工作原理结型光电探测器的工作原理v反偏反偏pn结通常称为结通常称为光电二极管光电二极管第48页，共86页，编辑于2022年，星期二 五、半导体的磁学性质五、半导体的磁学性质1.1.霍尔效应霍尔效应 霍尔效应是霍尔（霍尔效应是霍尔（A.H.Hall）于）于1879年在研究年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现

27、半导体的霍尔金属的导电机构时发现的。后来发现半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。息处理等方面。霍尔效应霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。是研究半导体材料性能的基本方法。通过测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导通过测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。第49页，共86页，编辑于2022年，星期二将一块半导体或导体材料，沿将一块半导体或导体

28、材料，沿Z方向加以磁场方向加以磁场沿沿X方向通以方向通以电电流流I，则则在在Y方向方向产产生出生出电动势电动势这现象称为霍尔效应，称为这现象称为霍尔效应，称为霍尔电压霍尔电压。，原理原理第50页，共86页，编辑于2022年，星期二在磁在磁场场不太不太强强时时，电电位差位差VH与电流强度与电流强度I和磁感和磁感应强度应强度B成正比，与板的厚度成正比，与板的厚度d成反比，即成反比，即称为霍尔系数称为霍尔系数 电子所受到的洛仑兹力和电场力为电子所受到的洛仑兹力和电场力为 第51页，共86页，编辑于2022年，星期二平衡时平衡时若若N型单晶中的电子浓度为型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面，则流过

29、样片横截面的电流的电流I=nebdV 第52页，共86页，编辑于2022年，星期二称为霍尔系数，它表示材料产生霍称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小尔效应的本领大小 第53页，共86页，编辑于2022年，星期二（2）半导体的磁阻效应）半导体的磁阻效应v当半导体处于磁场中时，当半导体处于磁场中时，半导体的电阻会半导体的电阻会增加增加。这就是这就是磁阻效应磁阻效应。电阻。电阻值随外加磁场变化而变值随外加磁场变化而变化的现象。化的现象。若外加磁场与外加电场垂直，称为若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效

30、应纵向磁阻效应。磁阻效应原理磁阻效应原理第54页，共86页，编辑于2022年，星期二磁阻分磁阻分物理磁阻效应和几何磁阻效应物理磁阻效应和几何磁阻效应 物理磁阻效应物理磁阻效应：如果霍尔电场作用和某载流子的：如果霍尔电场作用和某载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，因而沿外加电场方向运洛仑兹力作用刚好抵消，因而沿外加电场方向运动的载流子数目将动的载流子数目将减少减少，使该方向的电阻增大，使该方向的电阻增大，表现表现横向磁阻效应横向磁阻效应。如果将如果将a、b端短接，霍尔电场将不存在，所有端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向电子将向b端偏转，使端偏转，使电阻变得更大电阻变得更大，因而磁阻，因而磁阻效应加

31、强。因此，霍尔效应比较明显的样品，效应加强。因此，霍尔效应比较明显的样品，磁阻效应就小磁阻效应就小；霍尔效应比较小的，；霍尔效应比较小的，磁阻效应磁阻效应就大就大。第55页，共86页，编辑于2022年，星期二几何磁阻效应几何磁阻效应：磁阻效应也与样品的形状有关，不：磁阻效应也与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻变化不同电阻变化不同 一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞）、庞磁阻（磁阻（CMR）、穿隧磁阻（）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（

32、和异常磁阻（EMR）。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能）。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等在力强等在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。别、位置测量等。2007年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿尔伯特年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿尔伯特福福特和德国物理学家彼得特和德国物理学家彼得格林德，以表彰他们发现格林德，以表彰他们发现巨磁电阻巨磁电阻效应效应的贡献。的贡献。第56页，共86页，编辑于2022年，星期二1.2

33、 半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术v一、块状单晶的生长技术一、块状单晶的生长技术 广泛应用的方法是广泛应用的方法是切克劳斯基方法切克劳斯基方法，又称，又称为提拉法。为提拉法。第57页，共86页，编辑于2022年，星期二1）工业硅v工业硅：纯度约为97%v石英砂与焦炭反应制得：v半导体器件要求：9个9以上第58页，共86页，编辑于2022年，星期二第59页，共86页，编辑于2022年，星期二v溅射法：溅射原理，出射的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原理，出射的粒子大多呈原子状态，常称为溅溅射原子射原子。用于轰击靶的高能粒子可以是电子、离。用于轰击靶的高能粒子可以是电子、离子或中性粒子，由于

34、离子在电场下易于加速并获子或中性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子，得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子，称为称为溅射离子溅射离子。溅射现象是溅射现象是1852年年Grove在研究辉光放电在研究辉光放电时首次发现的，现已时首次发现的，现已广泛用于各种薄膜的广泛用于各种薄膜的制备之中。制备之中。第60页，共86页，编辑于2022年，星期二第61页，共86页，编辑于2022年，星期二第62页，共86页，编辑于2022年，星期二第63页，共86页，编辑于2022年，星期二溅射技术的最新成就之一是溅射技术的最新成就之一是磁控溅射磁控溅射。在磁控溅射中引入了在

35、磁控溅射中引入了正交电磁场正交电磁场，使离化率提高到，使离化率提高到5-6%，于是溅射速率大大提高，对许多材料，溅射，于是溅射速率大大提高，对许多材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。速率达到了电子束蒸发的水平。第64页，共86页，编辑于2022年，星期二第65页，共86页，编辑于2022年，星期二分子束外延分子束外延 外延（外延（Epitaxis）是指在适当的衬底和合适的）是指在适当的衬底和合适的条件下，沿衬底材料晶向条件下，沿衬底材料晶向生长一层结晶结构完生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法整的新单晶层薄膜的方法（薄膜的晶体结构和（薄膜的晶体结构和衬底的衬底的晶体结构保持严格的延伸关系

36、晶体结构保持严格的延伸关系），新生单），新生单晶层称为晶层称为外延层外延层。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好地控制膜的层。这一方法可以较好地控制膜的纯度、完整性纯度、完整性以及掺杂级别以及掺杂级别。第66页，共86页，编辑于2022年，星期二第67页，共86页，编辑于2022年，星期二MBE：由超高真空室、基片加热块、分子束盒和：由超高真空室、基片加热块、分子束盒和各种监控仪器组成。此外，除生长室外，系统还各种监控仪器组成。此外，除生长室外，系统还包括用于交换样品的进样室和用于分析样品的包括用于交换样品的进样室和用于分析样

37、品的分析分析室室。第68页，共86页，编辑于2022年，星期二第69页，共86页，编辑于2022年，星期二(ULVAC BCS2000)MBE系统的改造系统的改造*捐赠者：新日本制铁公司使用历史：II-VI 腔生长了三年MgZnCdSe III-V 腔GaAsII-VI 腔内机械清除3个月连续高温烘烤安装氧rf-plasma及氮rf-plasma系统安装氢等离子体系统增加Ga-cell第70页，共86页，编辑于2022年，星期二3.金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积v在加热衬底表面上，通过一种或者几种气在加热衬底表面上，通过一种或者几种气态元素或者化合物间发生的化学反应而形态元素或者化合

38、物间发生的化学反应而形成薄膜材料的薄膜制备手段称为成薄膜材料的薄膜制备手段称为化学气相化学气相沉积法，简称沉积法，简称CVD（Chemical Vapor Deposition）。）。第71页，共86页，编辑于2022年，星期二MOCVD是是近年迅速发展起来的新型外延技术，近年迅速发展起来的新型外延技术，成功地用于制备超晶格结构、超高速器件和量成功地用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器等。子阱激光器等。第72页，共86页，编辑于2022年，星期二MOCVD的独特优点：的独特优点：vMOCVD的最主要特点是沉积温度低。例如的最主要特点是沉积温度低。例如ZnSe薄膜，采用普通薄膜，采用普通

39、CVD技术沉积温度在技术沉积温度在850左右，左右，而而MOCVD仅为仅为350左右；左右；vMOCVD由于不采用由于不采用卤化物原料卤化物原料，因此在沉积过，因此在沉积过程中不存在刻蚀反应，程中不存在刻蚀反应，可以制备极薄的突变膜可以制备极薄的突变膜层；层；vMOCVD的适用范围广，几乎可以生长所有化合的适用范围广，几乎可以生长所有化合物和合金半导体。物和合金半导体。v单一的生长温度范围，反应装置容易设计，单一的生长温度范围，反应装置容易设计，较气相外延简单。适合大批量生产。较气相外延简单。适合大批量生产。v可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长。第73页，

40、共86页，编辑于2022年，星期二1.3 锗、硅半导体材料锗、硅半导体材料 金刚石结构金刚石结构(diamond structure)特点：每个原子周围都有四个最近邻原子。特点：每个原子周围都有四个最近邻原子。共价键夹角共价键夹角109度度28分分 硅硅 Si ，锗，锗Ge 都是共价键晶体都是共价键晶体,银白色金属光泽银白色金属光泽,晶体硬而脆晶体硬而脆第74页，共86页，编辑于2022年，星期二主要特点主要特点：1.每一个原子有每一个原子有4个最近邻原子。例如，离顶点个最近邻原子。例如，离顶点o点最近邻原子为一个对角线点最近邻原子为一个对角线1/4处的原子、三个面心原子，处的原子、三个面心原

41、子，它们形成了一个正四面体，每个键为共价鍵结合。它们形成了一个正四面体，每个键为共价鍵结合。第75页，共86页，编辑于2022年，星期二性性 质质符号符号 硅硅锗锗单单 位位晶体结构晶体结构晶格常数晶格常数介电常数介电常数 禁带宽度禁带宽度(300K)电子迁移率电子迁移率 空穴迁移率空穴迁移率 电子扩散系数电子扩散系数 空穴扩散系数空穴扩散系数 本征电阻率本征电阻率 本征载流子密度本征载流子密度 aEgnpDnDpini金刚石型金刚石型0.543111.71.111350480 34.612.32.31051.51010 金刚石型金刚石型0.5657 16.30.6739001900100.0

42、48.746.02.41013nmeVcm2Vscm2Vscm2scm2s cm cm-3表表1-1硅锗的主要物理性质硅锗的主要物理性质第76页，共86页，编辑于2022年，星期二在自然界存在形式：在自然界存在形式：硅：硅：二氧化硅（二氧化硅（SiO2）硅酸盐硅酸盐 硅酸三钙硅酸三钙(3CaOSiO2)，硅酸二钙，硅酸二钙(2CaOSiO2)，Na2SiO3，CaSiO3，A12(Si2O5)(OH)4。锗：锗：硫化物形式存在：硫化物形式存在：4Ag2SGeS2(硫银锗矿硫银锗矿)和和 2PbSGeS2(硫铅锗矿硫铅锗矿)。第77页，共86页，编辑于2022年，星期二锗、硅与卤素或卤化氢作用可

43、生成相应锗、硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物的卤化物 v Si+2Cl2=SiCl4v Si十3HCl=SiHCl3+H2v Ge+2Cl2=GeCl4v GeO2+4HCl=GeCl4+2H2O第78页，共86页，编辑于2022年，星期二硅、锗沿硅、锗沿和和方向上的能带结构方向上的能带结构图。间接带隙图。间接带隙第79页，共86页，编辑于2022年，星期二1.4 化合物半导体化合物半导体化合物半导体有二元化合物和多元化合物化合物半导体有二元化合物和多元化合物二元化合物：二元化合物：-族（族（GaAs,GaN）、）、-族（族（ZnS,ZnO,CdS等）等）（1）-族化合物族化合物 大部分

44、大部分-族化合物都呈族化合物都呈闪锌矿结构闪锌矿结构，部分，部分呈呈纤锌矿结构纤锌矿结构第80页，共86页，编辑于2022年，星期二闪锌矿结构纤锌矿型结构纤锌矿型结构纤锌矿型结构纤锌矿型结构两套六角的两套六角的套构形成了纤锌矿套构形成了纤锌矿结构。结构。每个原子与最近邻的四个原子依每个原子与最近邻的四个原子依然保持然保持“正四面体正四面体”结构。结构。GaN,InN，BNGaAs,GaP,GaN,InN第81页，共86页，编辑于2022年，星期二vGa 系化合物，系化合物，In 系化合物系化合物1 砷化镓砷化镓GaAs 禁带宽度（禁带宽度（1.43eV）比）比Si(1.1eV)稍大，电子迁移率

45、和饱和速度稍大，电子迁移率和饱和速度高，所制器件比硅器件工作高，所制器件比硅器件工作速度快、工作频率高、工作温度高速度快、工作频率高、工作温度高。容易制出准非掺杂半绝缘单晶。容易制出准非掺杂半绝缘单晶。在某些电场区域能产生负阻效在某些电场区域能产生负阻效应。应。2 磷化镓磷化镓GaP 做红光和绿光等发光器件做红光和绿光等发光器件 3 氮化镓氮化镓GaN禁带宽度大禁带宽度大(3.4eV)，因宜做蓝光器件，因宜做蓝光器件 4 锑化镓锑化镓GaSb （ti）第82页，共86页，编辑于2022年，星期二GaAs中的杂质的性质中的杂质的性质(1)II族元素族元素lII族元素族元素Be、Mg、Zn、Cd、

46、Hg均为浅受主，它们是均为浅受主，它们是GaAs材料的材料的P型掺杂剂。型掺杂剂。其中其中ZnZn、CdCd最常用。最常用。l有时会与晶格缺陷结合生成复合体而呈现深受主能级。有时会与晶格缺陷结合生成复合体而呈现深受主能级。(2)族元素族元素u族元素族元素S、Se、Te在在GaAs中均为浅施主杂质，它们是中均为浅施主杂质，它们是N型掺杂剂。型掺杂剂。uO在在GaAs中同时起浅施主和深施主作用。中同时起浅施主和深施主作用。第83页，共86页，编辑于2022年，星期二(3)族元素族元素族元素族元素(Si，Ge，Sn)等在等在-V族化合物半导体中呈现出两性掺族化合物半导体中呈现出两性掺杂特性。当一个杂

47、特性。当一个族原子在族原子在族子晶格点上时是族子晶格点上时是施主施主，在，在V族子族子晶格点上则是受主。晶格点上则是受主。u在按化学计量比熔体生长的在按化学计量比熔体生长的GaAs晶体中，以及用气相晶体中，以及用气相外延法制备的外延法制备的GaAs中中,Si是每个原子贡献一个电子的施主是每个原子贡献一个电子的施主杂质，其浓度可达杂质，其浓度可达1018cm3。u用用Ga做溶剂进行做溶剂进行GaAS液相外延，则液相外延，则Si主要占据主要占据As的晶格点而的晶格点而成为受主杂质。成为受主杂质。第84页，共86页，编辑于2022年，星期二GaAs半导体的能带结构为直接带隙半导体半导体的能带结构为直接带隙半导体第85页，共86页，编辑于2022年，星期二第86页，共86页，编辑于2022年，星期二