1、第六章第六章半导体材料半导体材料半导体材料是构成许多有源元件的基体材料，在光通讯设备、信息的储存、处理、加工及显示方面都有重要应用，如半导体激光器、二极管。半导体集成电路、半导体存储器和光电二极管等等。它是能源、信息、航空、航天、电子技术必不可少的一种功能材料，在电子信息材料中占有极其重要的地位。当前，半导体材料已成为投资密集、人才密集、技术密集的高技术新兴产业，受到电子科学与材料科学界的极大关注，美、日等国都把它列入人尖端材料范畴。半导体工业的发展水平是衡量一个国家先进程度的重要标志之一。本章在介绍半导体相关知识的基础上，讲述了半导体材料的分类、制备工艺和应用情况。前 言内容简介半导体材料特
2、性及其发展半导体材料特性及其发展 半导体材料的物理基础半导体材料的物理基础 半导体材料的分类半导体材料的分类 半导体材料的应用半导体材料的应用 硅基太阳能电池材料硅基太阳能电池材料6.1半导体材料特性及其发展半导体材料特性及其发展物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体和绝缘体。导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小。（导电能力最强，电解液，碳，金属，金属元素价电子数少于 4个。）绝缘体：电阻率极高的物体。（导电能力最弱，橡胶，石英，价电子数8个。）半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间。（导电能力介于二者之间，价电子数 4个。）半导体材料的电阻率在 10-4cm 10l0cm之间。但
3、是单从电阻率的数值上来区分是不充分的，比如在仪器仪表中使用的一些电阻材料的电阻率数值也在这个范围之内，可它们并不是半导体材料。 半导体材料特性半导体材料特性半导体材料发展半导体材料发展1)电阻率受杂质含量的影响极大。如果一块纯硅掺入百万分之一的杂质，就会使它的电阻率降低一百万倍。所以人们可以通过控制杂质的含量来精确控制其导电能力，制造出各种符合需要的元器件。2)电阻率变化受外界条件影响很大。利用半导体对温度变化十分敏感的特性，人们可以制造出能感受万分之一摄氏度温度变化的热敏电阻，用于自动化控制装置。同样，利用半导体对光的敏感特性，可开发各种类型的光敏电阻，用作自动控制元件。如 CdS。 InS
4、b等可用于制作红外光探测元件。3)半导体元器件体积小、质量轻。一片手指大小的单晶硅片上就可集成成千上万个精致的晶体管，人们用肉眼根本分辨不出来，只有在放大凡万倍的显微镜下才能看清楚。6.1.1 半导体材料的特性半导体材料的特性 4）可靠性高，寿命长。现代晶体管的寿命比电子管长 100倍 1000倍，被称为 “半永久性 ”器件；而集成电路又比分立元件电路可靠性高 100倍，大规模集成电路又比中、小规模集成电路可靠性高 100倍以上。5）省电、效率高、成本低。世界上第一台电子管计算机要使用接近一个火车头的功率来驱动，而现在同样功能的半导体计算机只要两节电池就足够了。因此，人们通常把电阻率在范围内且
5、对外界因素，如电场、磁场、光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称为半导体材料。6.1.1 半导体材料的特性半导体材料的特性 6.1.2 半导体材料发展半导体材料发展l 关于半导体的研究可以追述到 19世纪 30年代。l 1833年法拉第（ Faraday）发现硫化银的电导率随温度的升高而增大。l 1874年布劳恩（ Braun）发现硫化铅与金属探针的接触处有整流效应，揭示了半导体材料的最基本性质。l 从 19世纪后期到 20世纪初，人们对半导体材料进行了大量的研究。后来人们把注意力逐步集中到单晶锗和单晶硅的制备与提纯上，到第二次世界大战期间，已用上了用 Ge制造的微波检波器。l 1947
6、年 J巴丁（ Bradeen）等人用 Ge制成点接触晶体管，开创了半导体科学技术的新纪元。l 1958年 J.S.C.基比尔（ Kilby）制成了第一块集成电路，为其后大规模和超大规模集成电路的发展奠定了基础。6.1.2 半导体材料发展半导体材料发展l 而后，以 GaAs（ GaAs）为代表的化合物半导体和固溶体半导体的研究促进了微波器件、异质结和光电子器件的发展， 1962年用 GaAS材料第一次制成了半导体激光器。l 1972年（ AlGa） As/GaAs超晶格半导体材料的诞生，标志着人类已经进人设计、制造、研究人工半导体材料的新领域。l 目前，半导体材料和光电子材料已成为 21世纪信息
7、社会的两大高科技产业的基础材料。它的发展将会使通信、高速计算、大容量信息处理、存储与显示、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等产生巨大的技术进步。 （ 1）能带的形成a、外层电子共有化对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响 ,内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。 即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称 电子的共有化。6.2 半导体材料的物理基础半导体材料的物理基础 一、晶体的能带结构因为当有 N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是 N重简并的，当这 N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（ 违反泡利不相容原则 ）从而只能分裂成 N个非常靠近的能级（ 10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为 能带。 通常在一定条件下电子不能占有的能量范围称为 禁带。1s2p2sEo 原子间距禁带禁带能带b、能带的形成
