半导体材料基础-基本特性ppt课件.ppt

第一章半导体材料基础一、什么是半导体？二、半导体材料的分类1.无机半导体晶体材料(组分)化合物
半导体(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体；

(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体
1874年F.Braun
金属－半导体接触
1955年德国西门子
氢还原三氯硅烷法
制得高纯硅1963年
用液相外延法生长
砷化镓外延层，
半导体激光器分子束外延MBE半导体材料是微电子和光电子技术的基础，用半导体材料制作（光）电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电机理不同于其它物质，其导电能力可调谐：1、半导体的电子结构绝缘体、半导体和导体的能带示意图硅和锗的能带结构禁带(2)半导体的掺杂i)晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动本征半导体在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。2、半导体的电学性质

(1)载流子的电导率
s=se+sp
s与载流子浓度和载流子迁移率有关

2、半导体的电学性质
3、半导体的光电性质

(1)光吸收

i)本征吸收直接跃迁若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。间接跃迁材料的缺点ii)激子吸收iii)杂质吸收电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁iv)自由载流子吸收v)子带间的跃迁vi)晶格振动吸收(声子吸收)3、半导体的光电性质

（2）光电导

若半导体的光吸收机制可产生额外的载流子，那么载流子浓度提高，则电导率增加，增加的这部分电导率称为光电导。

光生载流子是非平衡载流子，有产生就有复合过程，最终达到动态平衡，此时光电导达到稳态。

利用光电导，可制造用于高灵敏检测的光电器件。
4、半导体的界面特性：PN结
（1）基本结构：PN结是由同一种本征半导体形成的N型半导体和P型半导体在晶格完全匹配的情况下紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。


半导体器件的核心是PN结。半导体二极管是单个PN结；半导体三极管具有两个PN结；场效应管的基本结构也是PN结。（2）制作方法： 外延方法：突变PN结；（*） 扩散方法：缓变PN结； 离子注入方法：介于突变结与缓变结之间（3）PN结的形成
多子扩散运动：两种材料接触形成PN结时，冶金结两侧出现载流子浓度差，形成可动载流子的扩散流：*电子离开N型区向P型区扩散，在N型区留下带正电荷的施主离子。*空穴离开P型区向N型区扩散，在P型区留下带负电荷的受主离子。(离化的杂质中心固定不动，出现净正、负电荷)
少子漂移运动：在半导体带电的区域空间电荷区，形成内建电场，内建电场引起少子漂移运动。
空间电荷区内漂移运动与扩散运动的方向相反，最后达到平衡状态（空间电荷区宽度一定、PN结电流为0）。
而空间电荷区以外的P型区和N型区仍处于热平衡状态且保持电中性。空间电荷区及内建电场的形成过程示意图PN结的形成
(a)载流子的扩散运动；(b)空间电荷区；(c)电位分布（4）PN结的单向导电性
a.正向特性
b.反向特性综上所述:PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流，PN结呈导通状态；PN结反向偏置时，结电阻很大，回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。所以，PN结具有单向导电性。c.伏安特性（5）PN结的击穿特性
当PN结外加反向电压超过某一电压值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压。
（6）PN结的温度特性
实验证明，在室温下，温度每升高1℃，在同一正向电流下，PN结正向压降VF减小2~2.5mV；温度每升高10℃，反向饱和电流Is大约增加1倍。所以当温度升高时，PN结的正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。
此外,PN结的反向击穿特性也与温度有关。理论分析表明，雪崩击穿电压随温度升高而增大，具有正的温度系数；齐纳击穿电压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。（7）光生伏特效应-Photovoltaic