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半导体材料 考试复习

半导体材料 考试复习
半导体材料 考试复习

(一)简述利用三氯氢硅氢还原法制备高纯硅的基本流程

答:1.通常把95%-99%纯度的硅称为粗硅或工业硅。它是用石英砂与焦炭在碳电极的电弧炉中还原制得的,其反应为SiO2+C—→Si+CO2,这样制得的工业硅纯度约为97% 2.利用西门子法对工业硅进一步提纯,具体步骤如下:

a.SiHCl3的制备。工业硅经过酸洗、粉碎,将符合粒度要求的硅粉送入干燥炉内,经热氮气流干燥后,将硅粉送入沸腾炉,并从炉底部通入适量的干燥HCl,进行

SiHCl3的合成,其反应为Si+3HC l====SiHCl3+H2+309.2KJ/mol 。除了合成产生

SiHCl3外,还有可能产生一定量的SiCl4和SiH2Cl2,以及其他多种杂质的氯化物。

b.SiHCl3的提纯。利用精馏提纯法可以把SiHCl3的纯度提到9个‘9’以上。精馏提纯是利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的,经过多次

交换来达到几乎完全分离各组分的提纯方法。

c.SiHCl3的还原。精馏所得的纯SiHCl3与高纯H2按一定比例送入还原炉中,在

1100o C左右温度下发生还原反应,制得高纯多晶硅SiHCl3+H2——→Si+3HCl

3.经过上述过程制得的高纯多晶硅的纯度在5个‘9’左右,通常用其残留的B、P含量

表示,称为基硼、基磷量。

(二)GeCl4法制备高纯锗的基本流程

答:1.采用水法将锗矿石进行富集,得到含锗为3-5%的锗精矿。

2.采用GeCl4法对锗精矿进行提纯:

a.GeCl4的制备用盐酸与锗精矿作用制得GeCl4,GeO2+4HCl=== GeCl4+2H2O

b.GeCl4的提纯采用萃取提纯法,利用其他杂质的氯化物与GeCl4在盐酸中的溶

解度的差异,萃取分离。GeCl4在较浓的盐酸中几乎不溶解,而其他杂质的氯化物的溶解度

达200-300g/L。

c.GeCl4的水解提纯后的GeCl4通过水解,制取GeO2,其反应式为GeCl4+(2+n)H2O====GeO2·n H2O +4HCl+Q. 此反应式可逆的,所以,水解时加水量要控制在GeCl4:

H2O=1:6.5

d.GeO2氢还原上面制得的纯GeO2用氢气还原制取高纯锗,其反应为GeO2+2H2====Ge+2H2O。必须注意防止中间产物GeO在700o C以上因显著挥发而损失,所

以还原温度一般控制在650o C左右。GeO2完全被还原的标志是尾气中无水雾。

3.化学提纯后的锗一般将温度升至1000—1100o C将锗粉熔化铸成锗锭。

(三)名词解释:平衡分凝系数

答:杂质在固液两相间浓度存在差异,在温度为T L ,固液两相平衡时,固相A中杂

质B(溶质)的浓度Cs和液相中的杂质浓度C L通常是不同的,由此引入一个物理量,即

K0=Cs/C L式中K0为杂质B在材料A中的平衡系数。一般情况下,K0<1,杂质在液相中浓度高,固相中浓度低。

(四)简述区熔提纯的基本原理;

答:(1)区熔提纯就是利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区,并令其沿锭长从

一段缓慢地移动到另一端,重复多次使杂质尽量被集中在尾部或者头部,进而达到使中部材

料被提纯的技术。

(2)由于存在分凝现象,正常凝固后锭条中的杂质分布不再是均匀的,会出现三种情况:(a)对于K<1的杂质,其浓度越接近尾部越大,向尾部集中;

(b)对于K>1的杂质,其浓度越接近头部越大,向头部集中;

(c)对于K≈1的杂质,基本保持原有的均匀分布方式,区熔提纯效果不大。

(3)在实际区熔提纯材料时,除了考虑材料提纯的程度,同时还必须看它的经济效益,即

生产效率,费用等。为此应该了解哪些因素影响提纯效果,怎样处理好他们之间的矛盾关系。(五)名词解释:NTD技术

答:①NTD技术就是中子嬗变掺杂技术,

②通常硅是由Si28(占92.21%),Si29(占4.7%) Si30(占3.09%)三种同位素组成。将高纯区

熔硅单晶放入原子反应堆中进行中子辐射,使Si30激活嬗变为P31起施主作用进行

掺杂,其反应:Si30+中子—→P31+βˉ

③受辐照的硅单晶取出后,需要在800-850o C下退火1h左右,以消除辐照造成的损伤。

此外,还应存放一段时间(约2个月)以降低放射性。

④由于Si30在硅单晶中分布是均匀的,所以中子嬗变掺杂均匀性很好,不受分凝和小平

面效应的影响,且几乎没有杂质条纹,其纵向不均匀性可小于7%,径向不均匀性小于5%。

(六)名词解释:MCZ技术

答:①MCZ技术就是在磁场中拉制单晶的技术,该技术对改善杂质在硅单晶中分布的均匀性有明显的效果并对氧的分布有一定的控制。

②MCZ技术的基础是磁场对导电流体中热对流的抑制作用,在常规的直拉法中总

是存在热对流,这种对流是导致硅单晶纵向氧分布不均匀的重要原因;与此同时,又因热对流的湍流性质所产生的温度振荡使杂质边界层各处厚薄有异,造成杂质径向分布不均匀。

③采用MCZ技术能有效地抑制热对流,加磁场使液面平整;控制氧含量方便,实

现硅单晶中氧含量的均匀分布;基本上消除了生长条纹,使硅单晶体结构更均匀完整。(七)简述直拉法制备超纯硅的工艺流程:

答:(1)直拉法又称乔赫拉尔斯基法,简称CZ法。它是生长半导体单晶的主要方法。该法是在直拉单晶炉内,向盛有熔硅(锗)坩埚中,引入籽晶作为非均匀晶核,然后控制热场,将籽晶旋转并缓慢向上提拉,单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。

(2

(3

肩,等径生长,拉光等步骤

a.当熔体温度稳定在稍高于熔点,将籽晶放在上面烘烤几分钟将籽晶与熔体熔接,这一步叫做润晶或下种;

b.为了消除位错要将籽晶(晶体)拉细一段叫缩颈;

c.将晶体放粗到要求的直径叫放肩;

d.有了正常直径后就保持此直径生长,称之为等径生长;

e.最后将熔体全部拉光。

(4)直拉法目前已经成熟,它的标志是生产规模大,产品质量稳定并且实现了自动化生产,更好的保证了单晶的质量。

(八)简述悬浮区熔法制备高纯硅的基本流程。

答:(1)在区熔法制备硅单晶中,在长单晶的同时,还具有区熔提纯的效果,能生长出质量较好的中高阻硅单晶.

(2) 悬浮区熔法制备单晶与直拉法很相似,甚至拉制的单晶也很相似,其主要工艺流程如下:

a. 将硅棒熔成椭圆形熔区;

b.下压硅棒熔接籽晶;

c.缩颈:籽晶硅棒同步下行轻拉上轴使熔区呈漏斗状;

d.放肩:籽晶硅棒同步下行但上轴拉伸次数减少造成饱满而不崩塌的熔区;

e.收肩合棱:熔区饱满稍下压上轴;

f.等径生长:硅棒晶体同步运行通过适当拉压上轴来控制晶体直径;

g.收尾:轴拉上轴使熔区逐步拉断最后凝成尖形;

h.区熔鼓棱单晶外形;

(3)但是硅区熔单晶有其特有的问题,如高频加热线圈的分布,形状,加热功率,高频功率,以及拉制单晶过程中需要特殊注意的一些问题,如硅棒预热,熔接,鼓棱等问题;又如为保证一定的单晶直径,上,下轴的配合等等,都是在直拉法制备单晶中所遇到的问题。(一)名词解释:晶胚(必考)

答:在一个气—固相变过程中,气体分子是在不停的无规则运动着,它们的运动速度与能量虽然在一定的温度下有一定的分布状态,但毕竟是各不相同,并且由于能量的涨落,某些能量较低的分子,可能互相连接形成一些“小集团”。这样的小集团有两种发展趋势:一种趋势是可能继续长大成为稳定晶核;另一种可能是重新拆散为单个分子,通常把这样形成的小集团叫做晶胚。

(二)简述新核长大的基本流程(必考)

答:(1)当体系处于过饱和状态时,此时能量变化可分为两部分:

a.气相转变为晶胚,体积自由能△Gv要减小,促进新相核的长大

b.由于新相生成形成固—气界面,需要一定的表面能△Gs。阻碍了新相核的长大。(2)体系自由能总的变换量为△G,则△G=△Gs+△Gv。其中r*称为临界半径,ro称为稳定半径。

a.凡是r

b.当r=r*时晶胚长大和消失的几率相等。

c.对于r>r*的晶胚,长大的几率大于消失的几率,这时体积自由能增大到占主导地位阶段。r增大能使体系自由能降低,但△G>0,晶胚不稳定。

d.当晶胚半径r>ro时,△G<0,晶胚就能稳定长大成晶核。

(3)按半径r大小,可把晶胚分成为:r*ro的晶胚

称为稳定晶核;r=r*的晶胚称为临界晶胚(核)。

(三)名词解释:乌尔夫晶体的外形理论(必考)

答:①晶体的外形与它的生长条件和性质有关。

②一定体积的晶体,其平衡形状应是总表面能为最小的形状。

③晶体生长是一种非平衡过程,它的形态对于生长因素是十分敏感的,它强烈依赖

动力学因素,其中最主要的是各个晶面的法向生长速度的比值。

④一般说来,法向生长速度慢的晶面,在生长过程中会变大变宽,最后得以保留,

而法向生长速度快的晶面,越长越窄小,最后被其他晶面淹没而消失。

⑤从晶体学的角度看,这种法向生长速度小的晶面,都是密勒指数低的原子密排面,

当然其表面能也低。

(四)退火工艺对改善单晶性能的好处有哪些?(必考)

答:为了进一步改善单晶的性能,目前国内外对硅单晶在出厂前都增加了一道热处理工序,即退火工艺,热处理有下列好处:

①通过1000o C以上的热处理,在真空或惰性气体保护下,可以把硅单晶中氧电活性施主浓度降低到1014cm-3以下,这样在制造器件热处理时材料的电阻率稳定,提高了器件的成品率。

②改善了氧分布不均匀造成的电阻率的不均匀性,并且消除杂质的条纹状分布,改善了微区电阻率的不均匀性。

③870o C以下热处理可以消除晶体中的内应力和机械损伤,在这个温度下晶体一般不会产生新的位错,高于此温度则随着温度的升高缺陷增加。

④在1000o C以上热处理时,由于加速了杂质扩散,在原晶体的位错处会形成杂质气团。这种气团能减少位错周围的应力场,避免和减少杂质在位错处沉淀,固定位错,使在器件制作的热循环过程中位错稳定不易增殖。

⑤对于低氧高纯单晶在1300~1350o C热处理会使漩涡缺陷消除,从而改善了单晶质量,在后续制管时层错少,成品率高,击穿特性好。但对高氧单晶则无此效果,而且漩涡缺陷反而增加。

半导体材料课程教学大纲

半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 (一)课程名称:半导体材料 所属专业:微电子科学与工程 课程性质:专业限选 学分: 3 (二)课程简介:本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性,介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务:使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法,了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 (三)先修课程要求:《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》; 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 (四)教材:杨树人《半导体材料》 主要参考书:褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯

第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长(VPE) 第二节金属有机物化学气相外延生长(MOCVD) 第三节分子束外延生长(MBE) 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料(一):第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料(二):第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料

砷化镓材料国内外现状及发展趋势

砷化镓材料国内外现状及发展趋势 中国电子科技集团公司第四十六研究所纪秀峰 1 引言 化合物半导体材料的研究可以追溯到上世纪初,最早报导的是1910年由Thiel等人研究的InP材料。1952年,德国科学家Welker首次把Ⅲ-Ⅴ族化合物作为一种新的半导体族来研究,并指出它们具有Ge、Si等元素半导体材料所不具备的优越特性。五十多年来,化合物半导体材料的研究取得了巨大进展,在微电子和光电子领域也得到了日益广泛的应用。 砷化镓(GaAs)材料是目前生产量最大、应用最广泛,因而也是最重要的化合物半导体材料,是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构,使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。目前砷化镓材料的先进生产技术仍掌握在日本、德国以及美国等国际大公司手中,与国外公司相比国内企业在砷化镓材料生产技术方面还有较大差距。 2 砷化镓材料的性质及用途 砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构,导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心,即K=0处,这使其具有较高的电光转换效率,是制备光电器件的优良材料。 在300 K时,砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV,远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV,因此,砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。 砷化镓(GaAs)材料与传统的硅半导体材料相比,它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性,电子迁移率约为硅材料的5.7倍。因此,广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。除在I C产品应用以外,砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应,制成半导体发光器件,还可以制做砷化镓太阳能电池。 表1 砷化镓材料的主要用途

(整理)半导体基础知识.

1.1 半导体基础知识概念归纳 本征半导体定义:纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 电流形成过程:自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。 绝缘体原子结构:最外层电子受原子核束缚力很强,很难成为自由电子。 绝缘体导电性:极差。如惰性气体和橡胶。 半导体原子结构:半导体材料为四价元素,它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 半导体导电性能:介于半导体与绝缘体之间。 半导体的特点: ★在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。 晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。 共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。 自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。 空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。 本征半导体的电流:电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。 载流子:运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。 本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,

砷化镓

镓 镓在地壳中的含量不算太少,约占十万分之二,比锡还多。可是,提炼镓却比提炼锡困难得多,这是因为镓在大自然中很分散,没有形成集中的镓矿。平时,在某些煤灰、铁矿、锑铅矿、铜矿中,含有少量镓。 镓在常温下,看上去象一块锡,如果你想把它放在手心里,它马上就熔化了,成为银亮的小珠。原来镓的熔点很低,只有29.8℃。镓的熔点虽然很低,可是沸点却非常高,竟高达2070℃!人们就利用镓的这个特性来制造测量高温的温度计,人们常用这种温度计来测量反应炉、原子反应堆的温度。 镓具有较好的铸造特性,由于它“热缩冷胀”,被用来制造铅字合金,使字体清晰。在原子能工业中,用镓作为热传导介质,把反应堆中的热量传导出来。 镓与许多金属,如铋、铅、锡、镉,铟、铊等,生成熔点低于60℃的易熔合金。其中如含铟25%的镓铟合金(熔点16℃),含锡8%的镓锡合金(熔点20℃),可以用在电路熔断器和各种保险装置上,温度一高,它们就会自动熔化断开,起到安全保险的作用。 砷化镓 (gallium arsenide)化学式 GaAs。黑灰色固体,熔点 1238℃。它在600℃以下,能在空气中稳定存在,并且不为非氧化性的酸侵蚀。砷化镓可作半导体材料,性能比硅更优良。它的禁带宽度大,电子迁移率高,介电常数小,能引入深能级杂质,电子有效质量小,能带结

构特殊,具有双能谷导带,可以制备发光器件、半导体激光器、微波体效应器件、太阳能电池和高速集成电路等,广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。 GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性,如高的饱和电子速率及高的电子移动率,使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时,GaAs会拥有较少的噪声。也因为GaAs有较高的崩溃电压,所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性,GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成Gunn diode (中文翻做甘恩二极管或微波二极管,中国大陆地区叫做耿氏二极管) 以发射微波。 GaAs的的另一个优点:它是直接能隙的材料,所以可以用来发光。而Si是间接能隙的材料,只能发射非常微弱的光。(但是,最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在雷射。) 砷化镓在当代微电子和光电子产业中发挥着重要的作用,其产品50%应用在军事、航天方面,30%用于通信方面,其余用于网络设备、计算机和测试仪器。由于砷化镓优良的高频特性,它被广泛用于制造无线通信和光通信器件,半绝缘砷化镓单晶已经成为制造大功率微波、毫米波通信器件和集成电路的主要材料。 在半导体产业的发展中,一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金

北京科技研究生半导体材料导论复习题

1、半导体材料有哪些特征? 答:半导体在其电的传导性方面,其电导率低于导体,而高于绝缘体。 (1)在室温下,它的电导率在103~10-9S/cm之间,S为西门子,电导单位,S=1/ρ(Ω. cm) ;一般金属为107~104S/cm,而绝缘体则<10-10,最低可达10-17。同时,同一种半导体材料,因其掺入的杂质量不同,可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化,也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率;而金属的导电性受杂质的影响,一般只在百分之几十的范围内变化,不受光照的影响。 (2)当其纯度较高时,其电导率的温度系数为正值,即随着温度升高,它的电导率增大;而金属导体则相反,其电导率的温度系数为负值。 (3)有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子,另一种则是带正电的载流子,称为空穴。而且同一种半导体材料,既可以形成以电子为主的导电,也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电,而在电解质中,则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答:对半导体材料可从不同的角度进行分类例如: 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体; 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体; 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体, 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类,依此可分为:元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答:由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液,如果具有半导体性质,就称为固溶半导体,简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体,因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内,其组成元素的含量可连续变化,其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答:s = nem 其中: n为载流子浓度,单位为个/cm3; e 为电子的电荷,单位为C(库仑),e对所有材料都是一样,e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率,它是在单位电场强度下载流子的运动速度,单位为cm2/V.s; 电导率s的单位为S/cm(S为西门子)。 5、简述霍尔效应。 答:将一块矩形样品在一个方向通过电流,在与电流的垂直方向加上磁场(H),那么在样品的第三个方向就可以出现电动势,称霍尔电动势,此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答:按固体能带理论,物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同,把它们的能级划分为三种能带:导带、禁带和价带(满带)。 在禁带里,是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开,对于导体,它的大量电子处于导带,能自由移动。在电场作用下,成为载流子。因此,导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体,它的电子大多数都处于价带,不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下,可以使少量价带中的电子越过禁带,跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄,(一般低于3eV),绝缘体的禁带宽一些,电子的跃迁困难得多。因此,绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里,导带里的电子不是没有,并且总有一些电子会从价带跃迁到导带,但数量极少。所以,在一般情况下,可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。但是,如果外场很强,束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷,则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。 7、什么是本征半导体和杂质半导体? 答:当半导体主要是靠热激发产生载流子时,导电称为本征导电,这种半导体称为本征半导体,其特点是自由电子数等于空穴数。另一种导电机制是靠电活性杂质形成的载流子导电,这种导电称为杂质导电,这种半导体称为杂质

半导体材料导论结课复习题

半导体材料复习题 1、半导体材料有哪些特征? 答:半导体在其电的传导性方面,其电导率低于导体,而高于绝缘体。 (1)在室温下,它的电导率在103~10-9S/cm之间,S为西门子,电导单位,S=1/ρ(Ω. cm) ;一般金属为107~104S/cm,而绝缘体则<10-10,最低可达10-17。同时,同一种半导体材料,因其掺入的杂质量不同,可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化,也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率;而金属的导电性受杂质的影响,一般只在百分之几十的范围内变化,不受光照的影响。 (2)当其纯度较高时,其电导率的温度系数为正值,即随着温度升高,它的电导率增大;而金属导体则相反,其电导率的温度系数为负值。 (3)有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子,另一种则是带正电的载流子,称为空穴。而且同一种半导体材料,既可以形成以电子为主的导电,也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电,而在电解质中,则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答:对半导体材料可从不同的角度进行分类例如: 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体; 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体; 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体, 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类,依此可分为:元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答:由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液,如果具有半导体性质,就称为固溶半导体,简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体,因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内,其组成元素的含量可连续变化,其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答:s = nem 其中: n为载流子浓度,单位为个/cm3; e 为电子的电荷,单位为C(库仑),e对所有材料都是一样,e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率,它是在单位电场强度下载流子的运动速度,单位为cm2/V.s; 电导率s的单位为S/cm(S为西门子)。 5、简述霍尔效应。 答:将一块矩形样品在一个方向通过电流,在与电流的垂直方向加上磁场(H),那么在样品的第三个方向就可以出现电动势,称霍尔电动势,此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答:按固体能带理论,物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同,把它们的能级划分为三种能带:导带、禁带和价带(满带)。 在禁带里,是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开,对于导体,它的大量电子处于导带,能自由移动。在电场作用下,成为载流子。因此,导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体,它的电子大多数都处于价带,不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下,可以使少量价带中的电子越过禁带,跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄,(一般低于3eV),绝缘体的禁带宽一些,电子的跃迁困难得多。因此,绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里,导带里的电子

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功,导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期,石英光纤材料和光学纤维的研制成功,以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明,使光纤通信成为可能,目前光纤已四通八达。我们知道,每一束光纤,可以传输成千上万甚至上百万路电话,这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴,使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代,并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路,其中有90%到95%都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展,还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的,它用石墨作为加热器。所以,来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染,使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染,随着硅单晶直径的增大,长度的加长,它的分布也变得不均匀;这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀,会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧,在器件和电路的制作过程中,它要发生沉淀,沉淀时的体积要增大,会导致缺陷产生,这将直接影响器件和电路的性能。因此,为了克服这个困难,满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高,人们不得不采用硅外延片,就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样,可以有效地避免氧和碳等杂质的污染,同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法,还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结,这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产,8英寸的硅外延片,也正在从实验室走向工业生产;更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外,还有一些大功率器件,一些抗辐照的器件和电路等,也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的,它在生长时,不与石英容器接触,材料的纯度可以很高;利用这种材料,采用中子掺杂的办法,制成N或P型材料,用于大功率器件及电路的研制,特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面,它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料,也就是半导体/氧化物/绝缘体之意,这种材料在空间得到了广泛的应用。总之,从提高集成电路的成品率,降低成本来看的话,增大硅单晶的直径,仍然是一个大趋势;因为,只有材料的直径增大,电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律,每隔18个月它的集成度就翻一番,它的价格就掉一半,价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上,工艺加工条件相同,但出的芯片数量则不同;所以说,增大硅的直径,仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的

半导体材料

半导体材料 应用物理1001 20102444 周辉 半导体材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度 范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度,电阻率下降。由化合物构成的半导 体材料,通常是指无机化合物半导体材料。比起元素半导体材料来它的品种更多, 应用面更广。 半导体材料结构特征主要表现在化学键上。因为化合物至少由两个元素构 成,由于它们彼此间的原子结构不同,价电子必然向其中一种元素靠近,而远离 另一种元素,这样在共价键中就有了离子性。这种离子性会影响到材料的熔点、 带隙宽度、迁移率、晶体结构等。 化合物半导体的组成规律一般服从元素周期表排列的法则。对已知的化合物 半导体材料,其组成元素在同一族内垂直变换,其结果是随着元素的金属性增大 而其带隙变小,直到成为导体。反之,随着非金属性增加而其带隙变大,直至成 为绝缘体。 类别按其构成元素的数目可分为二元、三元、四元化合物半导体材料。它 们本身还可按组成元素在元素周期表中的位置分为各族化合物,如Ⅲ—V族,I —Ⅲ—Ⅵ族等。下面介绍二元化合物,其中主要的类别为Ⅲ—v族化合物半导体 材料,Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料,Ⅳ—Ⅳ族化合物半导体材料。 Ⅳ—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有格式,GeSe,GeTe, SnO ,SnS,SnSe,SnTe,Pb0,PbS,PbSe,PbTe,其中PbO,PbS,PbSe,PbTe 2 已获重要用途。

V—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有Bi 2O 3 ,Bi 2 S 3 ,Bi 2 Se 3 , Bi 2Te 3 ,Sb 2 O 3 ,Sb 2 S 3 ,Sb 2 Te 3 、As 2 O 3 ,As 2 S 3 ,其中Bi 2 Te 3 ,Bi 2 Se 3 等已获实际应用。 I—Ⅵ族化合物具有半导体性质的有Cu 2 O,Cu 2 S,Ag 2 S,Ag 2 Se,Ag 2 Te等,其 中Cu 20,Cu 2 S已获应用。 三元化合物种类较多,如I—Ⅲ—Ⅵ、I—v—Ⅵ、Ⅱ—Ⅲ—Ⅵ、Ⅱ—Ⅳ—V 族等。多数具有闪锌矿、纤锌矿或黄铜矿型晶体结构,黄铜矿型结构的三元化合 物多数具有直接禁带。比较重要的三元化合物半导体有CuInSe 2,AgGaSe 2 , CuGaSe 2,ZnSiP 2 ,CdSiP 2 ,ZnGeP 2 ,CdGaS 4 ,CdlnS 4 ,ZnlnS 4 和磁性半导体。后者 的结构为AB 2X 4 (A—Mn,Co,Fe,Ni;B—Ga,In;X—S,Se)。 四元化合物研究甚少,已知有Cu 2FeSnS 4 ,Cu 2 FeSnSe 4 ,Cu 2 FeGeS 4 等。 应用化合物及其固溶体的品种繁多,性能各异,给应用扩大了选择。在光电子方面,所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的,已获工业应用的有GaAs,GaP,GaAlAs,GaAsP,InGaAsP等。用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP,CdS,CdSe,CdTe,GaAs等。一些宽禁带半导体(SiC,ZnSe等)、三元化合物具有光电子应用的潜力。GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料。微波器件的制作是使用GaAs,InP,GaAlAs等;红外器件则用GaAs,GaAlAs,CdTe,HgCdTe,PbSnTe等。太阳电池是使用CdS,CdTe,CulnSe2,GaAs,GaAlAs等。最早的实用“半导体”是「电晶体/ 二极体」。 一、在无线电收音机及电视机中,作为“讯号放大器用。 二、近来发展「太阳能」,也用在「光电池」中。 三、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,分辨率可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是性价比极高的一种测温元件。 其中在半导体材料中硅材料应用最广,所以一般都用硅材料来集成电路,因为硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功,导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期,石英光纤材料和光学纤维的研制成功,以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明,使光纤通信成为可能,目前光纤已四通八达。我们知道,每一束光纤,可以传输成千上万甚至上百万路电话,这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴,使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构

的制作过程中,它要发生沉淀,沉淀时的体积要增大,会导致缺陷产生,这将直接影响器件和电路的性能。因此,为了克服这个困难,满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高,人们不得不采用硅外延片,就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样,可以有效地避免氧和碳等杂质的污染,同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法,还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结,这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产,8英寸的硅外延片,也正在从实验室走向工业生产;更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外,还有一些大功率器件,一些抗辐照的器件和电路等,也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的,它在生长时,不与石英容器接触,材料的纯度可以很高;利用这种材料,采用中子掺杂的办法,制成N或P型材料,用于大功率器件及电路的研制,特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面,

半导体物理习题及复习资料

复习思考题与自测题 第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层 电子参与共有化运动有何不同。 答:原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在,没有一个固定的轨道;而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子,在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时,各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而,外层价电子则参与原子间的相互作用,应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相似,称为准自由电子,而内层电子共有化运动较弱,其行为与孤立原子的电子相似。 2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。 答:引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量,而不能描述能带中不自由电子的运动,通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动,成为有效质量 3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此,为什么? 答:不是,能级的宽窄取决于能带的疏密程度,能级越高能带越密,也就是越窄;而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度,掺杂浓度高,禁带就会变窄,掺杂浓度低,禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响,有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此,为什么? 答:有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比,对宽窄不同的各个能带,1(k)随k的变化情况不同,能带越窄,二次微商越小,有效质量越大,内层电子的能带窄,有效质量大;外层电子的能带宽,有效质量小。 5.简述有效质量与能带结构的关系; 答:能带越窄,有效质量越大,能带越宽,有效质量越小。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化?外场对电子的作用效果有什么不同;答:在能带底附近,电子的有效质量是正值,在能带顶附近,电子的有效质量是负值。在外电F

半导体材料硅基本性质

半导体材料硅的基本性质 一.半导体材料 固体材料按其导电性能可分为三类:绝缘体、半导体及导体,它们典型的电阻率如下: 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体,它们的定义如下: 元素半导体:由一种材料形成的半导体物质,如硅和锗。 化合物半导体:由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体,它们的定义分别为:本征半导体:当半导体中无杂质掺入时,此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体:当半导体被掺入杂质时,本征半导体就成为非本征半导体。 掺入本征半导体中的杂质,按释放载流子的类型分为施主与受主,它们的定义分别为:施主:当杂质掺入半导体中时,若能释放一个电子,这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主:当杂质掺入半导体中时,若能接受一个电子,就会相应地产生一个空穴,这种杂

质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 图(a)带有施主(砷)的n型硅 (b)带有受主(硼)的型硅 掺入施主的半导体称为N型半导体,如掺磷的硅。 由于施主释放电子,因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子(简称多子),而空穴为少数导电载流子(简称少子)。如图所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体,如掺硼的硅。 由于受主接受电子,因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子(简称多子),而电子为少数导电载流子(简称少子)。如图所示。 二.硅的基本性质 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体,是电子工业的基础材料,其物理化学性质(300K)如表1所示。 性质符号单位硅(Si) 原子序数Z 14 原子量M 原子密度个/cm3 ×1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a ? 熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 介电常数ε0 个/ cm3×1010本征载流子浓度n i 本征电阻率ρi Ω·cm ×105

半导体材料(复习解析)解析

半导体材料复习资料 0:绪论 1.半导体的主要特征: (1)电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围(2)电阻率的温度系数是负的 (3)通常具有很高的热电势(4)具有整流效应 (5)对光具有敏感性,能产生光伏效应或光电导效应 2.半导体的历史: 第一代:20世纪初元素半导体如硅(Si)锗(Ge); 第二代:20世纪50年代化合物半导体如砷化镓(GaAs)铟磷(InP); 第三代:20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)氧化锌(ZnO)。 第一章:硅和锗的化学制备 第一节:硅和锗的物理化学性质 1.硅和锗的物理化学性质 1)物理性质 硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽,其晶体硬而脆。二者熔体密度比固体密度大,故熔化后会发生体积收缩(锗收缩 5.5%,而硅收缩大约为10%)。 硅的禁带宽度比锗大,电阻率也比锗大4个数量级,并且工作温度也比锗高,因此它可以制作高压器件。但锗的迁移率比硅大,它可做低压大电流和高频器件。 2)化学性质 (1)硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。这些卤化物具有强烈的水解性,在空气中吸水而冒烟,并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。 (2)高温下,化学活性大,与氧,水,卤族(第七族),卤化氢,碳等很多物质起反应,生成相应的化合物。 注:与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定);与碱的反应(硅比锗更容易与碱起反应)。 2.二氧化硅(SiO2)的物理化学性质 物理性质:坚硬、脆性、难熔的无色固体,1600℃以上熔化为黏稠液体,冷却后呈玻璃态存在形式:晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。 化学性质:常温下,十分稳定,只与HF、强碱反应 3.二氧化锗(GeO2)的物理化学性质 物理性质:不溶于水的白色粉末,是以酸性为主的两性氧化物。两种晶型:正方晶系金红石型,熔点1086℃;六方晶系石英型,熔点为1116℃化学性质:不跟水反应,可溶于浓盐酸生成四氯化锗,也可溶于强碱溶液,生成锗酸盐。 4.硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4) 硅烷的制备:硅(锗)镁合金+无机酸(卤铵盐): Mg2Si + 4HCl → SiH4 + 2MgCl2 硅烷活性很高,在空气中能自燃,即使在?190℃下可发生爆炸SiH4+2O2→SiO2+2H2O(爆炸) 硅烷(SiH4)的化学性质:SiH4还易与水、酸、碱反应: SiH4 + 4H2O → Si(OH)4 + 2H2SiH4+ 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2 SiH4的还原性:还原出金属或金属氧化物 SiH4+2KMnO4 → 2MnO2↓+K2SiO3+H2O+H2↑(用于检测硅烷的存在) 硅烷和锗烷的不稳定性:用于制取高纯硅(锗) SiH4= Si ↓ + 2H2GeH4= Ge ↓ + 2H2 第二节:高纯硅的制备

半导体材料有哪些

半导体材料有哪些 半导体材料有哪些 半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 半导体的分类,按照其制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。 延伸 半导体材料是什么? 半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围(上限按谢嘉奎《电子线路》取值,还有取其1/10或10倍的;因角标不可用,暂用当前描述)。在一般情况下,半导体电导率随温度的升高而升高,这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象,这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体,正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。由于地球的矿藏多半是化合物,所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿

砷化镓材料

砷化镓材料 1 引言 化合物半导体材料的研究可以追溯到上世纪初,最早报导的是1910年由Thiel等人研究的InP材料。1952年,德国科学家Welker首次把Ⅲ-Ⅴ族化合物作为一种新的半导体族来研究,并指出它们具有Ge、Si等元素半导体材料所不具备的优越特性。五十多年来,化合物半导体材料的研究取得了巨大进展,在微电子和光电子领域也得到了日益广泛的应用。 砷化镓(GaAs)材料是目前生产量最大、应用最广泛,因而也是最重要的化合物半导体材料,是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构,使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。目前砷化镓材料的先进生产技术仍掌握在日本、德国以及美国等国际大公司手中,与国外公司相比国内企业在砷化镓材料生产技术方面还有较大差距。 2 砷化镓材料的性质及用途 砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构,导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心,即K=0处,这使其具有较高的电光转换效率,是制备光电器件的优良材料。 在300 K时,砷化镓材料禁带宽度为1.42 eV,远大于锗的0.67 eV和硅的1.12 eV,因此,砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率。 砷化镓(GaAs)材料与传统的硅半导体材料相比,它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性,电子迁移率约为硅材料的5.7倍。因此,广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。除在I C产品应用以外,砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应,制成半导体发光器件,还可以制做砷化镓太阳能电池。 表1 砷化镓材料的主要用途

半导体复习题(带答案)资料讲解

半导体复习题(带答案)

https://www.wendangku.net/doc/5814617523.html,/xxzykafw/kfzy.html 半导体物理复习题 一、选择题 1. 硅晶体结构是金刚石结构,每个晶胞中含原子个数为( D )P1 A. 1 B. 2 C. 4 D. 8 2.关于本征半导体,下列说法中错误的是( C )P65 A. 本征半导体的费米能级E F =E i 基本位于禁带中线处 B. 本征半导体不含有任何杂质和缺陷 C. 本征半导体的费米能级与温度无关,只决定于材料本身 D. 本征半导体的电中性条件是qn 0=qp 0 3.非平衡载流子的复合率定义为单位时间单位体积净复合消失的电子-空穴对数。下面表达式中不等于复合率的是( D )P130 A. p τΔp B. ()[]dt t Δp d - C. n τΔn D. τ 1 4.下面pn 结中不属于突变结的是( D )P158、159 A.合金结 B.高表面浓度的浅扩散p +n 结 C.高表面浓度的浅扩散n +p 结 D. 低表面浓度的深扩散结 5.关于pn 结,下列说法中不正确的是( C )P158、160 A. pn 结是结型半导体器件的心脏。 B. pn 结空间电荷区中的内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。 C.平衡时,pn 结空间电荷区中正电荷区和负电荷区的宽度一定相等。 D.所谓平衡pn 结指的是热平衡状态下的pn 结。

6. 对于小注入下的N 型半导体材料,下列说法中不正确的是( B )P128 A. 0n n <

新型半导体材料GaN简介

新型半导体材料GaN GaN的发展背景 GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 在宽禁带半导体材料中,氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰,发展较为缓慢,但进入90年代后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展,GaN半导体及器件的发展十分迅速,目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。 GaN的特性 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN 具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。在室温下,GaN 不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN,可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下,在高温下呈现不稳定特性,而在N2气下最为稳定。GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n 型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。 很多研究小组都从事过这方面的研究工作,其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s,相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在

无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用

无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用 姓名:陈建春 年级:2008级应用物理(1) 学号:20084113 天津理工大学理学院 摘要:20世纪50年代,半导体器件的生产主要采用锗单晶材料,到了60年代, 由于硅单晶材料的性能远远超过锗,因而半导体硅得到了广泛的应用,在半导体材料中硅已经占据主导地位。大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来越受到人们的重视,特别是砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性,它还有更大的禁带宽度和电子迁移率,适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器,因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高,半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。砷化镓(GaAs)是Ⅲ-Ⅴ组化合物半导体中最重要、用途最广的半导体材料。 关键词:GaAs 结构性质制备应用 1. 引言 化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是微电子和光电子的基础材料,而GaAs则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料,也是目前研究得最成熟、生产量大的化合物半导体材料。由于GaAs具有电子迁移率高、禁带宽度大且为直接带隙,容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好、以及具有耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性。用GaAs材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高,能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料,也是继硅材料之后最重要的微电子材料,它适合于制造高频、高速的器件和电路。 2. 基本结构原理[1] GaAs是一种无机非线性光学材料,它的导带极小值位于k=0处,等能面是球形等能面。导带底电子有效质量是各向同性的。m e*=0.068m0。由于这一导带底对应的能量水平较低,故相应的极值能谷称为下能谷。与此同时,在[100]方向还存在另一极小值,能量比k=0的极小值高0.36eV。由于它的能带曲率小,故对应的电子有效质量大,m e*=1.2m0,该导带的底部能量水平高,故称为上能谷。GaAs的价带极值位于k=0处,而且也有两支在k=0重合。有一支重空穴,一支轻空穴。重空穴所在能带,空穴有效质量为(m p)h=0.45m0;轻空穴所在能带,空穴有效质量为(m p)l=0.082m0。 GaAs的能带结构有下述特点: ①GaAs导带极小值k=0处,价带极大值也在k=0处,为直接带隙型。 对GaAs来说,Eg=1.34eV, 因此GaAs中电子跃迁产生或吸收的光子波长λ=9×

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