半导体材料导论71汇编.ppt

徐桂英
材料学院无机非金属材料系
半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透镜等。
7.1半导体器件的分类
半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（discretepart），另一类为集成电路（integratedcirciut，简称IC）。
分立器件可分为：
（1）晶体二极管；
（2）晶体三极管；
（3）发光二极管；
（4）激光管；
（5）电力电子器件；
（6）电子转移器件；
（7）能量转换器件；
（8）敏感元件。
集成电路可分为：
（1）Si集成电路；
（2）GaAs集成电路；
（3）混合集成电路。
其中Si集成电路按其结构又可分为：
（1）双极型电路；
（2）金属-氧化物-半导体（MOS）型电路；
（3）双极MOS（BiMOS）电路等。P图3.6pn结原理示意图二极管主要应用于整流与检波。
交流电压加在pn结上时，如使正电压接于p型区，负电压接于n型区时电流就通过，而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安特性如图7.1。反向电流是由于少数载流子产生的，即在p区有少量的电子，因为在p区主要是空穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同样在n区也有少数载流子--空穴。这些载流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成电流，这种电流强度与所加的电压无关，因此在被击穿前是一个常数。
在正常掺杂浓度下，击穿是由于pn结的反向偏置电压高到一定的程度时，少数载流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增，失去整流的效应。
对用作整流器的二极管而言，耐反向电压是个重要的指标，材料的电阻率愈高，耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几千伏。二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。
有的器件在pn结中间加一个高阻层，称i层，这就是pin二极管。例如微波用的碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT）就是这种结构。
利用肖特基势垒的二极管称肖特基二极管。
利用异质结构成的二极管称为异质结二极管。
耿氏器件也有两个端子，但没有pn结也称为耿氏二极管，它是利用电子的导电的转移而产生微波振荡，又称转移电子器件。作这种器件的材料有砷化镓与磷化铟。太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。电磁波的能量可用hn来表示，其中h为普朗克常数，n为电磁波的频率。当太阳光照到带pn结的半导体表面时，其中hn≥Eg，即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价带中的电子，使之形成电子-空穴对。这些电子与空穴受结内建电场的作用，p区与n区的少数载子可穿过pn结向对方流动，也就是说，p区中的电子流入n区，而p区中的空穴则受内建电场的排斥则留p区，n区的少数载流子空穴也同样流向p区。这样pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。这种效应称为光生伏打效应。将p区与n区用导线联结，就可形成电流，这就是太阳电池发电的原理，见图7.2。太阳能电池的分类:按材料组成和结构分类：单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达２０％以上，但价格也最贵。
非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－２美元时，便足以同现在的发电方式竞争。
特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。
如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。不同太阳能电池的市占率首先我们先看E-B间的pn结，根据3.2节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏置，即n区的电子受电场的作用不能进入p区，但空穴可自由地进入p区。于是从E处到达n区的空穴就在电场的作用下进入p区而到达C极，即收集极。从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管工作的基础。
通过专门的设计，特别是把中间的基区作得很薄，使从发射极注入的载流子在基极内被复合得很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这虽对电流未起放大作用，但由于B-C间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生电压放大和功率放大的作用。其放大倍数可达1000以上。一种电压控制的器件，其原理如图7.4所示。
例如是在一块n型半导体薄片的上下两边，各作一个重掺p型层以p+示之。所形成的电极称为栅极（G)，p+与n型材料之间形成pn结。对这两个栅极施加反向偏置，根据前面所述的结pn原理，此时的pn结的空间电荷区要扩张，见图内虚线所示，这样在这个电荷区之间便形成一个沟道。于是就可以调节从源（S）到漏（D）之间的电阻，直至完全关断。图7.5发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时）当在结上加上正向