半導體材料導論7-1

1、徐桂英材料學院無機非金屬材料系,第7章　半導體材料的應用,半導體材料的應用總的說來可分為兩大類，一類是制作半導體器件；一類是作光學窗口、透鏡等。 7.1 半導體器件的分類半導體器件可分為兩大類，一類稱為分立器件（discrete part），另一類為集成電路（integrated circiut，簡稱IC）。分立器件可分為：（1）晶體二極管；（2）晶體三極管；（3）發(fā)光二極管；（4）激光管；（5）電力電子器件；（6）

2、電子轉移器件；（7）能量轉換器件；（8）敏感元件。集成電路可分為：（1）Si 集成電路；（2）GaAs集成電路；（3）混合集成電路。其中Si集成電路按其結構又可分為：（1）雙極型電路；（2） 金屬-氧化物-半導體（MOS）型電路；（3）雙極MOS（BiMOS）電路等。,第7章　　半導體材料的應用,各種器件所用的材料及主要原理見表7.1。下面就一些有代表性的器件作一簡要的介紹。,,表7.1 主要半導體器件所用材料及其工

3、作原理,*由于本書內容的限制，未對這些效應與原理加以說明。,7.2 晶體二極管,二極管是具有一個pn結，或具有與pn結相類似的肖特基勢壘的器件。其原理已在第四章中介紹過。,當這兩塊半導體結合成一個整體時，如圖3.6(b), p 型半導體中有大量的空穴，而n型半導體中有大量的電子，他們向相對方向擴散，但這種擴散并非無休止的，因為這種擴 散打破了邊界附近的電中性，空穴進入n型區(qū)與電子復合，而失去電子的離子便形成正電勢；在p型區(qū)則因同樣的道理

4、而形成負電勢，這樣便在邊界附近形成了電位差，稱為內建勢場（電場），或稱擴散電勢。這個勢場根據同性相斥、異性相吸的原理，會防止空穴與電子的進一步擴散，而達到平衡，這個平衡的電勢用V擴表示，這就構成pn結。,當加上外加電場V外時：如果正極接到p 型區(qū)，負極接到n型區(qū)，見圖3.6中(c)，因為半導體材料具有一定的電導率，因此電壓降的主要部分卻落在了阻擋層上，這時外加電場與內建電場相反，于是降低了內建電場，減少了阻擋層的厚度，使電流順利通過

5、。而當電場方向相反時，內建電場與外加電場相疊加，見圖3.6中(d)，增加了阻擋層的厚度，使電流不能通過。這就是結的整流作用。當電壓方向使pn結導通時，稱為正向偏置，當電壓方向使阻擋層加厚時，稱為反向偏置。,二極管主要應用于整流與檢波。交流電壓加在pn結上時，如使正電壓接于p型區(qū)，負電壓接于n型區(qū)時電流就通過，而當電壓方向相反時電流就被阻擋，其伏安特性如圖7.1。,從 圖中可以看出當電壓為正向偏置時，所獲電流為正向電流，可達幾千安

6、培，而電壓為反向偏置時，通過的電流為幾毫安培，或小于1 毫安。,反向電流是由于少數載流子產生的，即在p區(qū)有少量的電子，因為在p區(qū)主要是空穴，而少量的電子是呈平衡狀態(tài)的，同樣在n區(qū)也有少數載流子--空穴。這些載流子落入到阻擋層則被吸引到對方，形成電流，這種電流強度與所加的電壓無關，因此在被擊穿前是一個常數。在正常摻雜濃度下，擊穿是由于pn結的反向偏置電壓高到一定的程度時，少數載流子具有很大的能量，以致發(fā)生碰撞電離現象，頓時產生大量的載流

7、子使電流猛增，失去整流的效應。對用作整流器的二極管而言，耐反向電壓是個重要的指標，材料的電阻率愈高，耐壓愈高。單個硅的二極管的耐壓可達幾千伏。,二極管可用于整流、檢波、混頻、穩(wěn)壓、參量放大等。所用的材料為硅、鍺、硒、砷化鎵等。有的器件在pn結中間加一個高阻層，稱i層，這就是pin二極管。例如微波用的碰撞雪崩渡越時間二極管（IMPATT）就是這種結構。利用肖特基勢壘的二極管稱肖特基二極管。利用異質結構成的二極管稱為異質結二極管。

8、耿氏器件也有兩個端子，但沒有pn結也稱為耿氏二極管，它是利用電子的導電的轉移而產生微波振蕩，又稱轉移電子器件。作這種器件的材料有砷化鎵與磷化銦。,太陽光是由不同頻率的電磁波所組成的。電磁波的能量可用hn 來表示，其中h為普朗克常數，n為電磁波的頻率。當太陽光照到帶pn結的半導體表面時，其中hn≥Eg，即能量大于其禁帶寬度的光就可以激發(fā)價帶中的電子，使之形成電子-空穴對 。這些電子與空穴受結內建電場的作用，p區(qū)與n區(qū)的少數載子可穿過pn結

9、向對方流動，也就是說，p區(qū)中的電子流入n區(qū) ，而p區(qū)中的空穴則受內建電場的排斥則留p區(qū)，n 區(qū)的少數載流子空穴也同樣流向p區(qū)。這樣pn結就起了分割載流子的作用而形成電勢。這種效應稱為光生伏打效應。將p區(qū)與n區(qū)用導線聯結，就可形成電流，這就是太陽電池發(fā)電的原理，見圖7.2。,7.3 太陽電池 其基本結構亦為pn結，通常只有一個pn結。它的工作原理見圖7.2。,太陽能電池的分類:,按運用分：有空間電池和地面電池按材料分：有硅太陽電池和化

10、合物太陽電池。按工藝分：有常規(guī)制造工藝（熱擴散）、外延結（液相外延和氣相外延）和化學氣相沉積。按PN結結構分：有同質結、異質結、平面結、垂直結和多結電池。按光學特性分：聚光電池、背反射電池、紫光電池和絨面電池。,按照光伏電池材料的組成和結構，可以將其分成如下幾類：（1）單晶硅太陽能電池（2）多晶硅太陽能電池（3）非晶硅太陽能電池（4）多元化合物太陽能電池（5）聚光太陽能電池下面將按材料組成和結構予以較詳細的分類。,按材

11、料組成和結構分類：,單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達２０％以上，但價格也最貴。非晶態(tài)硅太陽電池變換效率最低，但價格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達到１０％，每瓦發(fā)電設備價格降到１－２美元時，便足以同現在的發(fā)電方式競爭。特殊用途和實驗室中用的太陽電池效率要高得多。如美國波音公司開發(fā)的由砷化鎵半導體同銻化鎵半導體重疊而成的太陽能電池，光電變換效率可達３６％，快趕上了燃煤發(fā)電的效率，但是

12、由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用。,不同太陽能電池的市占率,2005 年世界光伏市場中，各種太陽電池占據的比重[2],當今的光伏技術中，硅太陽能電池技術是主要技術。圖 1 給出了 2005 年，世界光伏市場中，硅太陽能電池占據的比重為 87%[2]。硅是地殼中含量第二的元素，所以，生產硅太陽電池的原材料非常容易獲得。而且硅太陽電池的性能穩(wěn)定，使用壽命長。由于硅太陽電池技術是建立在半導體工業(yè)技術之上，所以，這個技術被普遍地接受和理解

13、。 目前，盡管硅太陽電池在光伏領域中占據主要地位，但是在能源供應中并不是主要的供應來源。無論是國內還是國外，它還僅僅是一種輔助供應能源的方式。與水電，火電和核電相比，硅太陽能電池的電力價格是比較高的，所以，它的成本回收周期需要很長時間。居高不下的成本是限制硅太陽電池成為主要供能方式的關鍵因素。,首先我們先看 E-B間的pn結，根據3.2節(jié)所述，它處于正向偏置，即pn結的導通方向，有大量的空穴由發(fā)射極E進入n區(qū)，我們再看看另一個p

14、n結，根據其電源的接法屬于反向偏置，即n區(qū)的電子受電場的作用不能進入p區(qū)，但空穴可自由地進入p區(qū)。于是從E處到達n區(qū)的空穴就在電場的作用下進入p區(qū)而到達C極，即收集極。從而在反向偏置的pn結中產生了電流，這就是晶體管工作的基礎。通過專門的設計，特別是把中間的基區(qū)作得很薄，使從發(fā)射極注入的載流子在基極內被復合得很少，大部分進入到收集極，使其電流接近于發(fā)射極電流，而且隨發(fā)射極的電流變化而變化，這雖對電流未起放大作用，但由于B-C 間處于反

15、向偏置、反向電阻很高，于是產生電壓放大和功率放大的作用。其放大倍數可達1000以上。,7.4 晶體三極管,是用半導體材料制成的具有三個端子的器件，簡稱晶體管。它是重要的分立器件、也是構成集成電路的主要元件。晶體三極管的種類很多，基本可分為兩大類：結型晶體管和場效應晶體管。,7.4.1 結型晶體管,它有兩個pn結，于是就有兩種結構，即npn或pnp?，F以pnp為例來說明基本工作原理（見圖7.3）。,一種電壓控制的器件，其原理如圖7.4 所

16、示。例如是在一塊n型半導體薄片的上下兩邊，各作一個重摻p型層以p+示之。所形成的電極稱為柵極（G)，p+與n型材料之間形成pn結。對這兩個柵極施加反向偏置，根據前面所述的結pn原理，此時的pn結的空間電荷區(qū)要擴張，見圖內虛線所示，這樣在這個電荷區(qū)之間便形成一個溝道。于是就可以調節(jié)從源（S ）到漏（D）之間的電阻，直至完全關斷。,7.4.2 場效應晶體管,因為這種類型的晶體管只靠多數載流子導電，與少數載流子的壽命無關，少數載流子壽命短的

17、材料也可制作這類器件。用作此種晶體管的材料有硅、砷化鎵等。與其類似的還有肖特基勢壘柵場效應晶體管和絕緣柵場效應晶體管。所有的場效應管，只有一種載流子（電子或空穴）參加導電故稱為單極型晶體管。而上述的結型晶體管有兩種載流子，即空穴與電子同時參加導電，故稱雙極型晶體管。,圖7.5 發(fā)光二極管發(fā)光原理示意圖（外加正向偏壓時）,7.5 發(fā)光二極管,是利用pn結進行發(fā)光的器件，當向其pn結通入正向電流時，可發(fā)出紅外光或可見光。我們在前面

18、已經說過，半導體材料的導帶與價帶間存在著禁帶。導帶中的電子數與價帶中的空穴數取決于材料的禁帶寬度、溫度與雜質，當這些條件被確定并達到平衡后，其載流子濃度即為常數，這種載流子稱為平衡載流子。要想實現發(fā)光必需要有某種激發(fā)過程以不斷提供過剩的載流子，也稱非平衡載流子，通過這些非平衡載流子的復合以實現發(fā)光。,所謂復合，就是被激活的電子又回到價帶與空穴復合并釋放出能量。要想使這個過程能不斷地發(fā)生，可以通過pn結，如圖7.5所示。,當在結上加上正

19、向電壓時，大量的空穴進入p區(qū)，大量的電子流入n 區(qū)，這就可形 成不斷復合、不斷提供載流子的過程。如果禁帶是直接躍遷型的（即直接禁帶），那么這復合所釋放的能量就可以變成光，光的波長l 為：l =hc/Eg (7-1)其中h為普朗克常數； c為光速；Eg為禁帶寬度。因h與c均為常數 ，如Eg的單位為電子伏(eV）時，l=1240/Eg (nm) (7-2)如果材料的禁帶是間

20、接型的，電子與空穴直接復合的幾率很小，是通過聲子進行復合，而聲子把能量傳給晶格，造成材料發(fā)熱，這就形成了非輻射復合。所以多采用直接禁帶材料作發(fā)光二極管，對某些間接禁帶材料只有采取專門的措施，才能用于發(fā)光。,可見光的波長為390~760nm，根據(7-2)式計算，應選擇禁帶寬度在1.64~3.18eV之間的半導體。硅、鍺的禁帶寬度小，且為間接禁帶，不能作發(fā)光二極管材料。GaAs是直接禁帶，其禁帶寬度為1.43eV，是良好的紅外發(fā)光管

21、材料，該器件已批量生產。在可見光區(qū)域內使用的半導體材料有GaP、GaN、SiC及各種固溶體。固溶體在發(fā)光二極管中得到大量應用的原因是可以利用其組成的變化來調整其禁帶寬度，表7.2列出了發(fā)光二極管所用的主要半導體材料及其結構。磷化鎵的禁帶寬度為2.26eV，但它的禁帶是間接型的。為了提高GaP的發(fā)光效率，在其中摻入N或Zn-O對，這些雜質在其中可形成等電子陷阱，通過這種陷阱所形成束縛激子的復合亦可發(fā)光。這方面的機理已超出本書范圍，所

22、以只在這里提一下。GaP是發(fā)光二極管使用最多的晶體材料。,表7.2 發(fā)光二極管的主要材料結構與發(fā)光性能,長期困擾發(fā)光二極管發(fā)展的一個難題是它發(fā)光的顏色不全：只有紅色、橙色、黃色、黃綠色，沒有純綠色及藍色的產品。根據三基色的原理，缺少這兩種顏色就不能形成全色顯示。 最近這一難題在氮化鎵材 料上獲得了突破。GaN的 禁帶寬度為3.39eV ，以 此為基礎，可制出短波長的 發(fā)光二極管，但長期由于無法進行p型摻雜而未能 實現。于1989

23、年發(fā)現了對摻Mg的GaN進行專門的處理，可獲得低阻p型材料。最近利用GaInN固溶體已制成純綠色和純藍色發(fā)光管。并有相當高的發(fā)光效率。在這里，材料工藝起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生長并保證其性能有高度的均勻性、一致性，以及單異質結、雙異質結、量子阱的生長技術等對制作發(fā)光管都是很重要的。,人類的視覺對不同顏色的光也就是不同波長的光的感受能力不同，稱為視感度又稱流明效率。圖7.6示出主要發(fā)光二極管的發(fā)光波長與視感度的

24、相互關系。發(fā)光二極管是重要的顯示器件。是目前生產規(guī)模最大的化合物半導體器件。,半導體材料可用來制作激光發(fā)射器件，它的激發(fā)方式有兩種，一種是電注入激光二極管，它是靠電能直接激發(fā)發(fā)射出激光，另一種則靠光泵進行激發(fā)。注入式激光二極管的結構見圖7.7所示。當向pn結施加正向偏置時，根據上述發(fā)光二極管的原理可產生pn結發(fā)光，這種發(fā)光屬于上述的自發(fā)發(fā)射。如果繼續(xù)提高電壓與電流有可能產生受激發(fā)射，而產生激光。對注入式激光二極管而言，產生這種受

25、激發(fā)射的條件是：半導體材料應具有直接禁帶，產生粒子數反轉，具有光諧振腔。,圖7.7 激光二極管結構示意圖,7.6 激光二極管,只有在直接禁帶的半導體材料中，電子與空穴直接復合幾率才能很高。激光是高密度的單色光，沒有很高的復合幾率是無法實現的。所謂粒子的反轉，對半導體而言，就是導帶中能級上電子的占有率大于價帶中相對應能級的占有率。,我們知道，在沒有電場的作用下，導帶中各能級的電子占有率要比價帶中能級的電子占有率低幾個數量級。當激光二

26、極管的正向電流大于 一定數值時，大量的電子與空穴被注入，就可能產生這種“反轉”，當受到能量為Eg = hn 的光量子作用時（這種光量子也可能來自自發(fā)發(fā)射）就產生受激發(fā)射。諧振腔是由厚度為幾十微米的pn結和與結面垂直的兩組平面構成諧振腔（見圖7.7）。上面所說的當電流增大到一定臨界值時就產生激光發(fā)射，這個臨界電流值稱為閾值電流，這時，光功率與電流的關系發(fā)生突變，如圖7.8。,圖7.8 激光二極管的電流與光輸出的關系,圖7.7 激光二

27、極管結構示意圖,上述這種簡單的激光二極管由于它的閾值電流較大，在室溫下，還未達到閾值電流時，二極管就因電流過大而形成 的溫升所燒毀，因此只能在液氮下工作。進一步的改進是采用異質結；開始是單異 質結，然后是雙異質結。雙異質結是把一種具有直接禁帶的薄層材料生長在兩個禁帶寬度比它大的材料之間（直接或間接禁帶均可），圖7.9示出了 n-GaAlAs/p-GaAs/p-GaAlAs的結構及原理。這種異質結可以在電學與光學上起雙重作用，一方面

28、由于外部材料的禁帶比較寬，可以把載流子限制在結區(qū)內，使其更有利于發(fā)光，同時由于兩種材料的折射率不同，使光限制在有源區(qū)內。采用這種方法，獲得了激光二極管的室溫連續(xù)發(fā)射。,圖7.9 雙異質結激光二極管工作原理示意圖,再進一步的發(fā)展則是采用量子阱結構。如果我們把雙異質結構中間薄層的厚度進一步減薄至10nm左右，即達到電子的德布子羅意波長的范圍內，就形成了量子阱結構，電子在垂直于異質結方向運動時就被量子化。采用這種結構就進一步地降低閾值電流

29、，也可改善光的單色性，并可對光的波長進行一些調節(jié)。為了增加有源區(qū)的厚度，可作成多量子阱結構。許多直接禁帶半導體材料都可以用來制作激光二極管的有源層，根據所需的波長不同，常選用固溶體材料，圖列出了一些固溶體的發(fā)光波長。常用的襯底材料有GaAs、InP、GaSb等。半導體激光二極管具有結構簡單、可直接用電進行激發(fā)、便于調制、體積小等優(yōu)點。在光通訊、測距、制導、光存儲、激光 打印 、條碼掃描、 CD唱盤等方面得到廣泛的應用。隨著信

30、息技術的發(fā)展，將會有更美好的前景。,圖7.10 一些固溶體材料的激光波長,波長（mm）,7.7 金屬-氧化物-半導體（MOS）型集成電路,集成電路的種類很多，其中單片式電路可分為MOS 型電路與雙極型電路兩大類。MOS是金屬-氧化物-半導體（metal-oxide-semiconductor）的簡稱，由它們構成的場效應晶體管（見7.4.2）與電阻、電容等元件所組成。,圖7.11 示出了MOS電路結構的示意圖，這里顯示出的只是一個晶體管

31、，將它們聯結可組成各種電路。,金屬-氧化物-半導體（MOS）型集成電路可分為PMOS、NMOS、CMOS等?？縉型型溝道工作的稱NMOS；相反，如靠P型溝道工作的，稱PMOS，如圖7.11（a），如果一個NMOS與一個PMOS組合成一個單元則稱為CMOS，見圖7.11（c），C是complementary，即互補（補充）的意思，所以CMOS可譯成互補型金屬-氧化物-半導體。MOS型電路具有工藝簡單、容易制作高集成度電路、功耗低等

32、優(yōu)點，因此它的產量大，現在的超大規(guī)模、特大規(guī)模集成電路都是MOS型。,是把多個4.7.1節(jié)所述的結型晶體管與電阻電容等元件作在一個硅片上。它的單元結構示意圖見圖7.12。由圖可見，在p型襯底上先用擴散等方法作成重摻的n型埋層，然后再進行外延獲得n型外延層。因此外延是制作雙極型電路的手段。從發(fā)射極（E）到基極（B）之間是np組成pn結，然后基極與收集極（C）之間是靠基極的p區(qū)與外延層形成的pn結，而C區(qū)的的n＋層則起導電作用。而兩邊

33、兩個p＋區(qū)是利用它 與外延層所形成pn結起到晶體管與晶體管或其他元件間的隔離作用。雙極型電路的速度快，工作頻率高。缺點是功耗大，集成度相對比較低 ，用量沒有MOS大。,圖7.12 雙極型電路單元結構示意圖 B-基極；E- 發(fā)射極；C-收集極。,7.8 雙極型集成電路,半導體材料已顯示出它的許多獨特的性能，得到了廣泛的應用，并在此基礎上建立了龐大的產業(yè)，引起了社會的巨大變革。那么它的發(fā)展是否已達到了頂峰？我們認為，它的潛力還很大，

34、基于以下一些原因，在可望的將來，它仍將高速發(fā)展，它在人類社會中的地位將變得更為重要。（1）微電子學、光電子學都將以很高的速度繼續(xù)發(fā)展。其中集成電路的集成度以每3年增大4倍的速度繼續(xù)發(fā)展，其市場平均增長率為15%左右。信息高速公路，即國家的以及全球的信息基礎設施是人類歷史上空前的巨大工程。這為研究開發(fā)半導體，擴大半導體材料市場開辟了廣闊的天地。估計在不遠的將來，信息產業(yè)將成為全球的第一大產業(yè)。這個產業(yè)除本身的價值外，還會對其他產業(yè)起

35、增值的作用。（2）半導體在軍事技術上的應用日益重要。有人稱海灣戰(zhàn)爭是半導體芯片戰(zhàn)勝鋼鐵的戰(zhàn)爭。在這次戰(zhàn)爭以后，許多國家都投入很大的力量，進行軍事電子學及其所需的半導體材料的研究。這對半導體技術進步起重要的推動作用。（3）新技術的發(fā)展將有賴于半導體技術。生產過程的自動化已使許多生產過程由機器人、機械手來完成，這不但大幅度地提高勞動生產率，而且改變著生產的面貌，這個趨勢將帶動半導體的發(fā)展。另外，能源與人類生活關系密切，太陽電池發(fā)

36、電是無污染的可再生能源的一種，同時半導體電力電子器件又可顯著地節(jié)約能源。,第8章　　展望,（4）半導體的新材料、新結構、新現象為今后發(fā)展開拓了新的方向。以量子阱、超晶格為代表的“能帶工程”才剛剛起步。一些新的器件如單電子晶體管等都會對半導體材料提出新的要求。多孔硅的發(fā)光等新現象還會不斷的出現。所有這些方面都會推動半導體材料向新的階段發(fā)展。據此，我們認為半導體材料的主要發(fā)展趨勢如下所述。（1）硅的優(yōu)勢地位在可預見的將來不會發(fā)生顯著的

37、變化。因為集成電路所用的硅材料占其市場的80%以上，而集成電路仍在高速度向前發(fā)展。而且在一些領域，如電力電子器件，尚無其他材料可取代硅。硅外延片所占的比例將會明顯地增大，SOI材料和SiGe/Si材料將會得到較大的發(fā)展。（2）化合物半導體材料在品種上、品質上將會得到進一步的發(fā)展，發(fā)展的重點將是GaAs、InP、GaN 等III-V族化合物以及ZnSe、CdTe、HgCdTe等II-VI族化合物。（3）大直徑單晶制備技術及超精度晶片加

38、工工藝將得到進一步的發(fā)展。硅單晶的直徑已達300mm，正在研究開發(fā)直徑400mm的硅單晶及硅片。而化合物半導體單晶的直徑也將增大。目前存在的增大直徑的問題將會得到解決。晶片的幾何精度、表面質量、表面潔凈度都將得到改善。（4）在低維結構材料方面，將會有更多的材料與結構，其應用也將擴大，特別是在光電子學方面。因此量子阱、超晶格的制備技術，尤其是其批量生產技術將會有所突破。（5）隨著材料制備技術的發(fā)展，相應的檢測技術也將得到發(fā)展，如精度達