第二章材料的导电性能武汉理工大学出版社教学教材.ppt

第二章
材料的电学性能
目录
、绝缘体和半导体的划分









半导体材料概况
(2) 依据电子参与成键情况
本征半导体
所有外层电子都成键;所有结合键上电子都满额
掺杂半导体
- N型: Si(As,P)
- P型: Si(B,Al,Ga)
(1) 依据化学组元个数,分为
元素半导体-Si、Ge
化合物半导体-
III-V族 GaAs, InSb, InP 等
II-VI族 CdS, CdTe, ZnO等
(Ga1-xAlx)As, HgCdTeS等
掺杂半导体
- N型: Si(As,P),多余电子
- P型: Si(B,Ga),多余空穴
结构特征:代位式固溶体
半导体材料概况
光学应用-激光器等
GaAs, InSb, InP等
(3) 主要用途
微电子技术应用:
Si、Ge基半导体为主
信息处理的基础
信息传输的基础,信息存储
信息技术基本环节:
产生—处理(微电子技术,计算机)—传输(激光载体,光纤)—存储(光、磁存储,光盘、磁盘)
光电信号转换的基础
信息技术中光电转换:
光电导
半导体材料概况
半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说,电子工业的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力;而材料质量的提高和新型半导体材料的出现,又优化了半导体器件性能,产生新的器件,两者相互影响,相互促进。
 
20世纪70年代以来,电子技术以前所未有的速度突飞猛进,尤其是微电子技术的兴起,使人类从工业社会进人信息社会。微电子技术是电子器件与设备微型化的技术,一般是指半导体技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点,
从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使对半导体材料提出了愈来愈高的要求,使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发展。
0
Eg
k
E
半导体的导电性特征:
室温下,半导体的电阻率介于10-2 ~109Ω·cm;
半导体:Eg<2eV
半导体导电率随温度按指数规律变化
对光照、电/磁场以及自身成分结构具有敏感性
在绝对零度和无外界影响的条件下,半导体的空带中无运动的电子。但当温度升高或受光照射时,也就是半导体受到热激发时,共价键中的价电子由于从外界获得了能量,其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚,离开原子而成为自由电子。
半导体能带结构示意图
(1)温度敏感性:对于温度非常敏感,本征导电性随温度升高呈指数规律增强
(2)杂质敏感性:异常敏感,是所有材料性能中对于杂质(或掺杂)最敏感的性能
(3)光照敏感性:受电磁波辐射(波长小于吸收限的所有电磁辐射,包括可见光、甚至近红外线),导电性大幅度增加,具有光致导电效应(photoconductivity)
载流子情况:
导带电子n+价带空穴p
电导率理论公式:
本征半导体中,价带电子激发到导带中而产生载流子,故 n=p
掺杂半导体中受掺杂的影响:N型半导体中以导带电子为主要载流子;而P型半导体中以价带空穴为主要载流子
= ph e + n e e


晶体结构特征:
维持键合特点,保持原子比例,使平均价电子数为4;
掺杂原子代位固溶;掺杂量很少,保持基体结构不变;
纯度极高
晶体缺陷极低
材料制备——超常规条件与技术
超净室技术
区域熔化提纯技术起源
单晶体生长技术——完全消除晶界
低位错密度晶体生长技术
离子注入合金化技术/快速扩散掺杂
半导体材料能带特征
大小随温度升高小幅降低
固溶体可以调节
掺杂半导体有掺杂能级
能带间隙: Eg = EC − EV
价带、导带及能带间隙
间接带隙与直接带隙半导体