第三章半导体材料应用

3.1 半导体材料的物理基础

1 本征半导体

图 3.1 不同材料的能带结构

3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质 n 型半导体

图 3.2 非本征的 n 型半导体

3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质 p 型半导体

图 3.2 非本征的 p 型半导体

3.1 半导体材料的物理基础

2 半导体中的杂质 浅能级杂质 深能级杂质

图 3.3 半导体硅中金的深能级

3.1 半导体材料的物理基础

3 费米能级和载流子密度 由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子。 半导体中电子的分布遵循费米分布的一般规律。

满带中空穴的占据几率为

( ) /( ) FE E kTf E e ( ) /1 ( ) FE E kTf E e

exp ( ) /C C Fn N E E kT

exp ( ) /V F Vp N E E kT

电子浓度

空穴浓度

exp ( ) exp( )V C C V V C gnp N N E E kT N N E kT

3.1 半导体材料的物理基础

4 电导与霍尔效应 欧姆定律 j E

n pnq pq

迁移率一方面决定于有效质量，一方面决定于散射几率。 散射可以是由晶格振动引起的，也可以是由于杂质引起的。在温度较高时，晶格振动是散射的主要原因，随温度的升高而增加。在低温时，杂质散射是主要的散射方式。 图 3.5 电导率与温度的关系

3.1 半导体材料的物理基础

4 电导与霍尔效应 为了直接测量载流子浓度和电导率，最直接的方法是利用霍

尔效应。

图 3.6 霍尔效应

当半导体片放置在 x-y 平面内，电流沿 x 方向，磁场垂直于 x-y 平面。如果是空穴导电，那么它们沿电流方向运动的同时，也受到洛伦兹力的作用发生偏转，造成电荷的积累，从而导致一个与洛伦兹力方向相反的电场力。

1HR

pq

3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子 热平衡时，满足 0 0 exp( )V C gn p N N E kT

但在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值。例如，在光照下，由价带激发电子至导带而产生电子空穴对，使电子密度增加 Δn ，空穴密度增加 Δp ，多余的载流子称为非平衡载流子。

n p

多数载流子的数量一般会很大，非平衡载流子通常不会对它的数目产生显著的影响。但对于少数载流子而言，其数量的变化将是十分显著的。因此，在讨论非平衡载流子时，最关心的是非平衡少数载流子。

3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子 非平衡载流子的复合和寿命 非平衡载流子会自发地发生复合，导电电子由导带回落到价带，导致一对电子和空穴消失，这是一种由非平衡恢复到平衡的自发过程。

)1exp(0 nn

当光照撤去后，非平衡载流子是随时间呈指数形式衰减。 τ 描述了非平衡载流子平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿命。非平衡载流子寿命 τ 与材料所含杂质有关。有些杂质在促进复合上特别有效，成为主要决定非平衡载流子寿命的杂质，被称为复合中心。

3.1 半导体材料的物理基础

5 非平衡载流子 非平衡载流子的扩散

考虑一维稳定扩散的情况 dN

F Ddx

载流子扩散流密度正比于载流子浓度变化梯度，比例系数 D 称为扩散系数，负号表明扩散运动总是从浓度高的地方流到浓度低的地方。

非平衡少数载流子边扩散边复合，形成稳定分布，满足连续方程

0d dN N

Ddx dx

/0( ) x LN x N e

L 表示非平衡载流子深入样品的平均距离，称为扩散长度。

3.2 半导体材料的性质

1 光吸收与光电导 在半导体中，光的衰减与光强成正比

0 expI I x

光吸收系数 '' ''2 / 4 /r rc 当光在介质中传播的距离为 1/α 时，则光强衰减到原来的 1/e ，于是可把 1/α近似看成是光能够穿透样品的深度。

不同波长的光能够穿过样品的深度也是不同的，对于吸收很强的材料，光吸收实际上只发生在样品的表面层内。半导体材料通常对光的吸收很强，材料吸收光的辐射之后，使得电子由低能态跃迁到高能态。

3.2 半导体材料的性质

1 光吸收与光电导 半导体材料受到光照射时电导率变大的现象称为半导体的光电导效应。

0 0 0n p phq n n q p p

ph n pq n q p 称为光电导 本征光电导由本征吸收引起，相应长波限是 0

1.24

g g

hc

E E

杂质光电导是由杂质吸收引起的，吸收波长取决于杂质的电离能 Ei

1.24i

i i

hc

E E

3.2 半导体材料的性质

2 电容效应与击穿特性 电容效应

势垒电容

扩散电容

pn 结空间电荷区内存在不能移动的正的和负的电离杂质电荷，当外加偏压使势垒区电场变化时，必须改变势垒区宽度以改变空间电荷量，这种微分电容效应，称为势垒电容。

pn 结在加正向偏压时，由于少子注入，在扩散区内有一定数量的少子和等量的多子积累，其浓度随外加电压而变化，这种电容效应称为扩散电容

反偏的 pn 结以势垒电容起主要作用，而对于正偏的 pn 结，扩散电容和势垒电容都起作用。

3.2 半导体材料的性质

2 电容效应与击穿特性 击穿特性 pn 结上加反偏电压会形成很小的反向电流。但反偏电压不能无限制地增大，到某一临界值，反向电流将急剧增大，这种现象称为结的击穿。

击穿并不等于器件的烧毁 。

隧道击穿 雪崩击穿

图 3.8 pn 结的击穿机理

3.2 半导体材料的性质

3 压阻效应与磁阻效应 压阻效应

半导体材料在不受应力作用时，其电阻与电阻率 ρ 与长度 l 成正比，与截面积 S 成反比

lR

S

如果沿长度方向施加一个应力，产生的拉伸应变，与此同时，截面面积减小。又由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，导致电阻率变化 / 1 2 /R R

/ / / / / /a a l l b b l l 称为泊松比

电阻的变化有两部分组成，前一项为纯几何效应；后一项代表的是物理效应，即压阻效应。对于金属，几何效应是主要的；对于半导体材料，物理效应是主要的。

3.2 半导体材料的性质

3 压阻效应与磁阻效应 磁阻效应 半导体材料受到与电流方向垂直的外加磁场作用时，不但具有霍

尔效应，还会出现电流密度下降和电阻率增大的现象，这种外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。

物理磁阻效应

几何磁阻效应

图 3.9 几何磁阻效应示意图

半导体的电阻率随外加磁感应强度而改变的现象为半导体的物理磁阻效应。

3.2 半导体材料的性质

4 电阻率的温度特性

1

e hqn T

当温度为电离区的最低温度时 1/ 2

exp2 2

c dc dE EN N

nkT

在非本征温度区， n=Nd ，电阻率与温度的关系为 3/ 2T

在本征温度区，则随着温度升高，电阻率下降。

3.3 半导体材料的分类

元素半导体 Ⅳ-Ⅳ 化合物 Ⅲ-Ⅴ 化合物 Ⅱ-Ⅵ 化合物Si SiC AlP ZnS

Ge SiGe AlAs ZnSe

AlSb ZnTe

GaN CdS

GaP CdSe

GaAs CdTe

GaSb

InP

InAs

InSb

3.3 半导体材料的分类

1 元素半导体材料 （ 1） Si 是目前应用于半导体工业的主要材料 （ 2） Ge 是开发较早的半导体材料 （ 3）硒是一种黑色玻璃态半金属 （ 4）金刚石是碳的同素异构体。

3.3 半导体材料的分类

2 化合物半导体材料 （ 1）砷化镓（ GaAs）单晶是目前应用最广泛的

化合物半导体材料 （ 2）磷化铟 ( InP)单晶是最重要的 III-V族化合物

半导体材料之一 , 是继 Si、 GaAs之后的新一代电子功能材料

（ 3） SiGe 材料被称为“第二代硅微电子材料” （ 4）碳化硅 (SiC) 有独特的物理及电子特性

3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体 非晶态物质是原子排列上的长程无序而短程有序的一种结构。 目前主要的非晶态半导体有两大类：一类是四面体键非晶态

半导体 如非晶态 Si、 Ge、 GaAs等； 另一类是硫系玻璃，即含硫族元素非晶态半导体，如二元

系（ As-Se、 As-S）和多元系（ As-Se-Ge-Te）。

3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体 非晶态半导体的电子结构与晶态半导体具有类似的基本能带结构，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变 。

非晶态半导体不存在有周期性 非晶态半导体中结构缺陷的畸变

使得电子的平均自由程大大减小 非晶态半导体能带边态密度的变

化不像晶态那样陡，而是拖有不同程度的带尾

图 3.11 电子态密度与能量之间的关系

3.3 半导体材料的分类

3 非晶体半导体 非晶态半导体中的缺陷 这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体

的电学和光学性质有着重要的影响。 非晶硅中的缺陷

硫系非晶态半导体中的缺陷

存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键。

图 3.12 硫系玻璃的换价对

3.4 半导体材料的制备工艺方法

1 多晶制备工艺 以 Si 为例介绍多晶的制备工艺过程

3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺 水平生长

图 3.15 用于 III-V族化合物半导体制备的常规水平生长装置图

HG技术的一个重要优点是易于在固液界面形成低的温度梯度

3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺 垂直生长

图 3.16 VGF工艺所用坩埚示意图

这一技术能很自然地提供低的温度梯度，这有利于降低位错密度。另外，可以生长出符合直径要求、具有良好外形的锭条。

3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺 晶体拉制

1）提拉法

图 3.17 CZ 法所用的直拉炉示意图

此工艺的优点是能比较便宜地得到大口径单晶体。

图 3.18 典型单晶硅棒及硅片的外形

3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺 晶体拉制

2）液封拉晶法

图 3.20 液封拉晶（ LEC）法原理图

LEC 法与普通提拉法的区别在于，熔融液体的表面多了一层覆盖剂 ( 一般用 B2O3)

3.4 半导体材料的制备工艺方法

2 单晶制备工艺 晶体拉制

3）浮区法

4）边缘定义薄膜法

此种方法最大特点是，在拉晶过程中不使用坩埚。因此排除了使用坩埚所带来的各种可能的污染，使晶体纯度很高，主要用于制作纯度要求高、耐压大的分离器件。

EFG 法的优点是可以得到连续带状晶体，由于晶体本是片状，故几乎不用要机械加工，加工损耗非常少。

3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术 在英文中，“外延”一词 epitaxy 是由希腊词“ epi”“taxio”

引申而来的，是指在衬底上进行排列的意思。 外延的含义是指，在一定的条件下，某种物质的原子（或分

子）在经过仔细加工的衬底（单晶）表面进行定向生长，形成有规则排列，最终得到与衬底具有相同晶格排列的过程。经过这样的生长过程，可以形成一种连续、平滑且与衬底的晶格结构有对应关系的单晶层，该单晶层称为外延层。生长外延层的过程称为外延生长。

同质外延 异质外延

3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术 气相外延法

MOCVD

图 3.22 MOCVD 反应器结构示意图

3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术 液相外延法 (LPE)

图 3.23 主要的 LPE  技术

3.4 半导体材料的制备工艺方法

3 外延生长技术 分子束外延法 (MBE)

图 3.24 MBE设备结构图

3.5 半导体材料的应用

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