【正文】 信息功能材料第一章 半導(dǎo)體材料?半導(dǎo)體的基本特性、結(jié)構(gòu)與類型?半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)?半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷?典型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和器件內(nèi)容：重點(diǎn)：?半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和能帶?典型半導(dǎo)體的應(yīng)用引 言導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)電性劃分結(jié)晶半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體非結(jié)晶半導(dǎo)體半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體無機(jī)半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體一些常見的半導(dǎo)體材料與器件：半導(dǎo)體材料的分類分類 主要半導(dǎo)體材料 無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體IIIV族 Ge、 Si、 Se、 Te、灰 SnII－ VI族 GaAs、 InSb 、 GaP 、 InP 、 AlP等及其固溶體IVIV族 SiC 、 GeSiIVVI族PbS PbSe PbTe SnTePb1xSrxTe (x=0~)Pb1ySrySe (y=0~)VVI族 Bi2Te3金屬氧化物 Cu2O ZnO Al2O3過渡金屬氧化物 SeO TiO3 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 Fe2O3 FeO CoO NiO尖晶石型化合物 (磁性半導(dǎo)體)CdCr2S4 CdCr2Se4 HgCr2S4 HgCr2Se4 CuCr2S3C稀土氧、硫、硒、碲化合物 EuO EEuS EuSe EuTe非晶態(tài)半導(dǎo)體元素 Ge Si Te Se化合物 GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te有機(jī)半導(dǎo)體芳香族化合物 多環(huán)芳香族化合物電荷移動絡(luò)合物元素半導(dǎo)體 具備實(shí)用價值的元素半導(dǎo)體材料只有硅、鍺和硒。帶隙寬度 Eg : Eg=EcEv本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)分兩類：直接帶隙和間接帶隙。利用此待性 GaAs可以制作轉(zhuǎn)移電子器件。v 由電中性方程可寫為：(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布P為價帶上空穴載流子濃度Nd為電離受主濃度n為導(dǎo)帶中電子載流子濃度半導(dǎo)體中的載流子分布非平衡載流子的概念 —— 當(dāng)半導(dǎo)體受到外界作用時，除了熱平衡載流子以外，還將受到光照、電場等的作用，這些外界條件也將激發(fā)載流子，稱為非平衡載流子。從而求出導(dǎo)帶上的電子載流子濃度。二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì) 導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴，在相同的電場作用下，產(chǎn)生漂移運(yùn)動，但兩者所獲平均漂移速度不同，即電子遷移率 ?e大于空穴遷移率 ?p ，而總導(dǎo)電作用為兩者之和，即總電流密度：其中， Jn、 Jp分別為電子和空穴的電流密度； q為電子電荷量； E為電場強(qiáng)度。本征光電導(dǎo)效應(yīng)指光照射半導(dǎo)體時，當(dāng)光的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值，價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，材料內(nèi)產(chǎn)生電子 空穴對，這兩種光生載流子都參與導(dǎo)電，使電導(dǎo)率增加。在一定溫度下，晶體中雜質(zhì)較少時，電離雜質(zhì)散射影響小，載流子遼移宰數(shù)值平穩(wěn)，而隨著摻雜濃度增加，電離雜質(zhì)散射作用增強(qiáng)，載流子遷移率顯著下降。間接復(fù)合： 導(dǎo)帶電子在躍遷到價帶某一空狀態(tài)之前還要經(jīng)歷某一 (或某些）中間狀態(tài)，稱為間接復(fù)合。突變結(jié)結(jié)面兩邊的摻雜濃度是常數(shù)，但在界面處導(dǎo)電類型發(fā)生突變。可形成較大的光致反向電流，這正是 pn結(jié) 光生伏待效應(yīng) 的基本原理。p理想 MIS結(jié)構(gòu)指既忽略絕緣層中電荷和界面態(tài)的影響，也不考慮 MIS系統(tǒng)的功函數(shù)差。磁阻效應(yīng)作業(yè)：1. 什么是直接半導(dǎo)體？什么是間接半導(dǎo)體？2. 簡述 pn結(jié)的形成，分析 pn結(jié)的平衡能帶結(jié)構(gòu)。u而且異質(zhì)結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)的突變，使其具有不同于單獨(dú)材料的特性，從而發(fā)展廠許多重要的半導(dǎo)體光電器件，如激光器、探測器、高電子遷移率晶體管、雙極晶體管等；u推動了半導(dǎo)體物理的發(fā)展，如 1980年 8月量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，開拓了半導(dǎo)體物理研究的新領(lǐng)域，展開對異質(zhì)結(jié)中二維電子氣在電場作用下的電荷輸運(yùn)和在電場、磁場以及溫度場作用下的能量輸運(yùn)過程的研究．并使低維系統(tǒng)的機(jī)理研究深入到了新的層次。四、半導(dǎo)體的界面特性在正向偏壓 V下，流過 pn結(jié)的電流密度為： pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)216。216。三、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合216。但是 晶 格散射增強(qiáng)，使遷移率 ?L下降。而且當(dāng)溫度升高時，載流子運(yùn)動加快，電離雜質(zhì)散射作用越弱。 對本征半導(dǎo)體， n=p=ni, 則：二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)(1) 載流子的濃度電導(dǎo)率的主要影響因素167。半導(dǎo)體中的載流子分布(2)本征半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布對本征半導(dǎo)體而言，導(dǎo)帶上的電子全部來源于價帶上電子向?qū)У谋菊骷ぐl(fā)，因而，導(dǎo)帶上的電子濃度與價帶上的空穴濃度必然相等。從而求出導(dǎo)帶上的電子載流子濃度。例： Ge、 Si和 GaAs導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)第三：多能谷半導(dǎo)體可用來制作壓阻器件。非晶態(tài)半導(dǎo)體?非晶態(tài)物質(zhì)的特征是原子排列沒有規(guī)律．從長程看雜亂無章，有時也叫無定形物質(zhì)；?在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但是在達(dá)到一定值的外界條件 (如電場、光、溫度等 )時，就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)體；?非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等的應(yīng)用方面有著重要應(yīng)用和良好前景。固溶體半導(dǎo)體167。發(fā)生光吸收或復(fù)合發(fā)光時，過程必須滿足準(zhǔn)動量守恒：其中 ki為初始狀態(tài)電子波矢， kf為末尾狀態(tài)電子波矢， kq為光子波矢。?電離出來的電子填充在導(dǎo)帶底部，成為導(dǎo)電載流子 。二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)如果載流子的電荷為 e，濃度為 ρ，則電流密度為：載流子的漂移運(yùn)動及電導(dǎo)率216。Pn結(jié)的工作就是與非平衡載流子的注入和抽取有關(guān)。(2)載流子的散射二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)散射主要有兩種： 晶格散射和電離雜質(zhì)散射 晶格散射： 由于原子晶格振動引起的載流子散射叫晶格散射。二、半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)載流子的遷移率 遷移率 ?是與電子、空穴所受的散射作用有關(guān)的一個量；單位電場下載流子漂移的速度稱為載流子的遷移率。三、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 非平衡載流子的重要特點(diǎn)之一是它們會因復(fù)合而消失。三、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合其中 Dh為空穴擴(kuò)散系數(shù)， ?p為空穴的壽命。 Pn結(jié)四、半導(dǎo)體的界面特性 當(dāng) pn結(jié)形成時，在交界處有一結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)內(nèi)形成空間電荷，而自由載流子數(shù)目少，所以也常稱為耗盡層。金屬 半導(dǎo)體界面四、半導(dǎo)體的界面特性導(dǎo)電機(jī)理 : 以金屬和 N型半導(dǎo)體的 SBD為例 ,設(shè)金屬費(fèi)米能級位置比 N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級低，兩者接觸達(dá)到平衡時的情況，統(tǒng)一的費(fèi)米能級金屬表面帶負(fù)電、負(fù)電荷集中在表面很薄的一層．半導(dǎo)體表面帶正電，正電荷區(qū)較寬，在半導(dǎo)體一側(cè)，類似于單邊突變結(jié)，自建場由半導(dǎo)體指向金屬，半導(dǎo)體中電子勢壘的高度為 qVD，而金屬的勢壘高度 :與外加偏壓無關(guān)。五、半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì)