功能材料及其应用.docx

《功能材料及其应用.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章无机功能材料2.1半导体材料2.1.1半导体材料的性质和分类1．半导体材料的主要性质半导体材料是导电能力在导体和绝缘体之间的材料，电阻率为10-2~10-9Ω·m，电导率范围为103~10-9s/cm，但是单从电阻率的数值上来区分是不充分的，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，但是它们并不是半导体材料。半导体的电阻率在加入微量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境（温度、湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度都可能使电阻率改变若干数量级。电导率也可以因掺入杂质量的不同，在几个到十几个数量级范围内变化。半导体材料是信息技术的基础功能材料。

2、（1）载流子浓度和迁移率是半导体导电性质的两个重要参量。载流子浓度是指每立方厘米内自由电子或空穴的数目，分别用电子浓度（n）和空穴浓度（p）表示。漂移迁移率是指半导体内自由电子或空穴在单位电场作用下漂移的平均速度，简称迁移率。μn和μp分别表示电子迁移率和空穴迁移率。载流子电荷的符号与霍尔系数（R）的符号一致，有正霍尔系数的材料为空穴导体的P型材料，反之为电子导电的N型材料。同时测量半导体材料的霍耳系效和电导率可定出它的导电类型、载流子速度和迁移率。载流子速度和迁移率与温度有关，故电导率（σ）也与温度有关。对本征半导体，σ随温度上升而增大，对掺杂半导体，随温度的变化比较复杂，且

3、与掺杂浓度有关。在高掺杂简并情况下，σ几乎不随温度而变化。（2）少数非平衡载流子对的寿命（τ）是半导体材料的又一个重要参数。通过光照或用电学方法在半导体内产生较热平衡状态下为多的电子和空穴称非平衡载流子。这些非平衡电子和空穴成对产生，有成对消失，这一消失过程称为复合。非平衡载流子在复合之前的平均存在的时间，定义为非平衡载流子的寿命（τ）。（3）禁带宽度Eg在半导体材料中通过光吸收，使电子自价带跃迁至导带称为本征吸收。能量小于禁带宽度的光子不能引起本征吸收。当光子能量达到禁带宽度时本征吸收开始，这一界限称为本征吸收边。从半导体材料的本征吸收边可以定出材料的禁带宽度Eg，亦称为带隙

4、、能隙。它是半导体材料的一个重要参量。（4）掺杂杂质和缺陷对半导体材料的性质往往起着决定性作用。杂质和缺陷也可以束缚电子或空穴，并在禁带内形成能级。一些杂质原子形成的杂质能级的电离能比较小（＜100meV），称为浅能级。在硅中的族和族杂质原子，族化合物中的族和族杂质原子分别形成浅受主能级和浅施主能级。有些杂质原子或缺陷，以及二者的配合物可以在禁带中形成深能级。例如锗中的铜和镍原子，硅中的金原子等。电子和空穴可以通过这些深能级复合，影响半导体内少数非平衡载流子寿命值。2.半导体材料的分类半导体材料的种类十分丰富，它可以分为无机半导体和有机半导体两大类。无机半导体又可以分为晶体半导

5、体和非晶体半导体，其中都有元素和化合物两种类型的半导体材料。从结构上看，有体单晶材料，外延材料，超晶格量子肼材料。随着大规模集成电路的发展，半导体硅单晶正向大直径，高纯度，高均匀性和无缺陷方向发展。单晶硅片的直径已由50~100mm发展到150~200mm。世界半导体产量已到达6000t以上，其中半导体硅产量正以8%~14%的年平均速度增长。对其单晶的直径、完整性、杂质含量、表面质量与洁浸度的要求也越来越高。表2-1列举了半导体的大致分类。2.1.2半导体的晶体结构和特性半导体不像金属存在自由电子，晶体中原子间以共价键和离子键结合。1.典型的晶体结构（1）金刚石结构是有同种原子

6、组成的共价键结合的面心立方复格子晶体结构，其晶体结构如图2-1所示。每个原子有四个最近邻的同种原子，彼此之间以共价键结合。元素半导体硅，锗，（灰锡）都是此类型的结构。（2）闪锌矿结构亦称立方硫化锌结构，是由两种不同元素的原子分别组成面心晶格套构而成，套构的相对位置与金刚石结构相对位置相同。闪锌矿结构也具有四面体结构，每个原子有4个异类原子为最邻近、后者位于四面体的顶点，具有立方对称，图2-2为其结构图示。闪锌矿结构除去由二类不同原子占据着晶格的交替位置外，与金刚石结构是完全相同的。两种不同原子之间的化学键主要是共价键，同时具有离子键成分，成为混合键。因此闪锌矿结构的半导体特性、

7、电学、光学性质上除与金刚石结构有许多相同处外又有许多不同处。闪锌矿结构中的离子键成分，使电子不完全公有，电子有转移，即“极化现象”。这与两种原子的电负性之差有关，两者之差越大，离子键成分越大，导致极化越大。表2-2为电负性与离子键比例关系。许多重要的化合物半导体如~族化合物CaAs、InSb、GaP、InAs、BSb、AlSb、CaSb等，族化合物CdTe、ZnSe、HgSe、HgTe等和族SiC，都为闪锌矿结构。（3）纤锌矿结构纤锌矿结构也称为六方硫化锌结构。它是由两种不同元素的原子的hc