12
2）C60
❖ C60分子由五原环和 六元环构成的炭笼分 子结构
❖ 常温常压下发生向金 刚石转变的结构变相， 为金刚石的人工合成 提供了潜在的新途径
❖ 金刚石薄膜CVD淀 积前在衬底上涂一层 C60对成核起明显促 进作用
炭笼分子结构
13
3）碳纳米管（CNT）
❖ 碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米 的中间空闭合管状物。
33
硅材料的优点
❖ 资源丰富、易于提高到极纯的纯度
❖ 较易生长出大直径无位错单晶
❖ 易于对进行可控n型和p型掺杂
❖ 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和 非晶硅薄膜材料
34
❖ 易于进行腐蚀加工 ❖ 带隙大小适中 ❖ 硅有相当好的力学性能 ❖ 硅本身是一种稳定的绿色材料
35
❖ 可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻 欧姆接触
❖ 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜场效 应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关 速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工 艺兼容等特点
38
非晶硅的优点
❖ 非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化 膜材料之一
❖ 对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能、 增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其 封装成品率等有重要作用
❖ 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定
❖ 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解
50
GaAs电学性质
❖ 电子迁移率高达 8000 cm2 V S
❖ GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
❖ 用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
❖ 高频器件，军事上应用
7
半导体的晶体结构
结构类型
半导体材料
极性差别
金刚石型
Si，金刚石，Ge
闪锌矿型 GaAs，ZnO，GaN，SiC 小（共价键占优势）
纤锌矿型 InN，GaN，ZnO，SiC
大
NaCl型
PbS，CdO
8
4.2 元素半导体
❖硒
❖ 结晶炭
❖ 灰锡
❖锗
❖硅
9
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
❖ 大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸 作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石 复杂组成的大门。
19
❖ 尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了 活泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合 物中分离出来的途径。
❖ 1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.) 用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共 热，首次制得较纯的粉状单质硅。
39
硅的用途
❖ 高纯的单晶硅是重要的半导体材料； ❖ 金属陶瓷、宇宙航行的重要材料； ❖ 光导纤维通信，最新的现代通信手段； ❖ 性能优异的硅有机化合物等
40
1）重要的半导体材料
❖ 硅可用来制造集成电路、晶 ❖ 太阳能电池
体管等半导体器件
41
2）高温材料
❖ 金属陶瓷的重要材料： ❖ 宇宙航行的重要材料
109º28´
28
氧原子
[SiO2]四面体
29
硅的能带结构
间接带隙结构
30
电学性质
❖ 本征载流子浓度 1. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由 电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。
2. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并 且自由电子与空穴的浓度相等。
3. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由 电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高）， 导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导 电性能变差。
51
GaAs光学性质
❖ 直接带隙结构
❖ 发光效率比其它半导体材料要高得多，可以 制备发光二极管，光电器件和半导体激光器 等
52
GaAs的应用
❖ GaAs在无线通讯方面具有众多优势 ❖ GaAs是功率放大器的主流技术
53
1）GaAs在无线通讯方面
❖ 砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频” 传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品 质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合 传输影音内容，符合现代远程通讯要求。
❖ 容易截断或者解理硅晶体
❖ 硅表面上很容易制备高质量的介电层－－ SiO2
36
多晶硅的优点
❖ 多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率 和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优 点
❖ 重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮 栅、电极等
❖ 轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负 载电阻和其他电阻器
37
31
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
32
硅中的杂质
❖ 1. n型掺杂剂：P，As，Sb
❖ 2. p型掺杂剂：B
❖ 3. 轻元素杂质：O，C，N，H
❖ 4. 过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni
优点
11
2、结晶炭
1）金刚石
❖ 金刚石薄膜具有禁带很宽、高热 导率、高临界击穿电场、高电子 饱和速度、低介电常数，适合制 造高性能电力电子器件和高温电 子学器件
❖ 电阻率很高，但掺杂可使电阻率 降低
❖ 高热导率 ，可作切割工具燃料
❖ 对光的折射率高，吸收系数低，
在光电子学领域存在潜在的应用 价值
金刚石
17
4、 硅
❖ 硅的分布 ❖ 氧化硅 ❖ 化学性质 ❖ 晶体结构 ❖ 能带结构 ❖ 电学性质 ❖ 硅中的杂质 ❖ 硅的优点 ❖ 硅的用途
18
❖ 硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
❖ 由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。
3
此外，利用多种化学气相沉积技术， 可制造一系列薄膜晶体，其中分子束外延 技术可以人为地改变晶体结构，异质结、 超晶格、量子阱的出现，改变了人们设计 电子器件的思想，半导体材料的发展，有 着光明的前景。
4
4.1 半导体材料的晶体结构与分类
1）半导体材料的分类
光电半导体
热电半导体
按功能和应用
微波半导体 气敏半导体
❖ Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50 年代，Ge是主要的半导体电子材料
15
锗的分布
❖ 锗在地壳中含量约为 百万分之一，分布极 为分散，常归于稀有 元素；
❖ 1. 在煤和烟灰中； ❖ 2. 与金属硫化物共生； ❖ 3. 锗矿石
锗
16
锗的应用
❖ 属金刚石结构 ❖ 由于Ge的禁带较
窄，器件稳定工 作温度远不如硅 器件高，加之资 源有限，目前， Ge电子器件不到 总量的10%，主 要转向红外光学 等方面。
第四章 半导体材料
1
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。
2
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，
❖ 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯 号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号” 的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在 于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传 送不佳的障碍。
❖ 砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
10
1、硒
❖ 实际应用的最早半导体材料 ❖ 禁带较宽，大于1.7ev ❖ 分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红
硒、灰硒） ❖ 主要用来制作光电池、摄像靶、整流器； ❖ 硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等
14Si
32Ge
23
晶体硅
❖ 晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃， 沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽， 有半导体性质。
硅
24
化学性质稳定
❖ 常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
①Si+2F2=SiF4
②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑ ③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑
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。
直接
GaP
闪锌矿 2.27
间接
GaN
纤锌矿
3.4
间接
InAs
闪锌矿 0.35
直接
InP
闪锌矿 1.35
直接
InN
纤锌矿 2.05
AlN
纤锌矿 6.24
46
一、GaAS
❖ 能带结构
❖ 物理性质
❖ 化学性质
❖ 电学性质
❖ 光学性质
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GaAs能带结构
❖ 直接带隙结构
❖ 双能谷：强电场下电子从 高迁移率能谷向低迁移率 能谷转移，引起电子漂移 速度随电场的升高而下降 的负微分迁移率效应