半导体材料有哪些性质
A. 半导体材料性质表征主要手段有哪些,请写出四种以上,并分别简述其表征材料的何种性质
四探针技术——测量电阻率ρ=1/σ和载流子浓度。
三探针技术——测量击穿电压回,并得到电阻答率。
Hall效应技术——测量Hall系数R,并得到迁移率(μ=Rσ)。
MOS电容-电压技术——测量MOS中的界面态和电荷等。
光电导衰退技术——测量少数载流子寿命。
B. 半导体材料的特性参数
(1)
热敏性
半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高,半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗(ge),温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半。
(2)
光电特性
很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电;受到光照时,就变的容易导电了。例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。
近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能。目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管。
另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源。
(3)
搀杂特性
纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化。例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件。
C. 半导体有哪些性质
导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料,叫做半导体(semiconctor).
物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料,如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等,称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前,
1833年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久,
1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。
在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。
半导体的这四个效应,(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。
半导体于室温时电导率约在10ˉ10~10000/ω·cm之间,纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种,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ⅲ-ⅴ 族化合物(砷化镓、磷化镓等)、ⅱ-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,还有非晶态的有机物半导体等。
本征半导体(intrinsic semiconctor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下,半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论),受到光电注入或热激发后,价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带(conction band),价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(hole),导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动,成为自由载流子(free carrier),它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,使电子-空穴对消失,称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射(发射光子photon)或晶格热振动(发射声子phonon)的形式释放。在一定温度下,电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时本征半导体具有一定的载流子浓度,从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发,从而产生更多的电子 - 空穴对,这时载流子浓度增加,电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小,载流子浓度对温度变化敏感,所以很难对半导体特性进行控制,因此实际应用不多。
杂质半导体(extrinsic semiconctor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大,本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体,一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质,相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价键,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多,很易激发到导带成为电子载流子,因此对于掺入施主杂质的半导体,导电载流子主要是被激发到导带中的电子,属电子导电型,称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对,所以在n型半导体中电子是多数载流子,空穴是少数载流子。相应地,能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质,相应能级称为受主能级,位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时,杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子,因而存在一个空位,与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶,价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位,使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位,形成自由的空穴载流子,这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子,杂质半导体主要靠空穴导电,即空穴导电型,称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子,电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中,少数载流子常扮演重要角色。
D. 半导体主要有哪些特性
半导体的特征:
一、半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅、锗、硒等,它们的电阻率通常在 之间。
二、半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。
三、如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ,若按百万分之一的比例掺入少量杂质(如磷)后,其电阻率急剧下降为 ,几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。
常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge)。所谓单晶,是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。
(4)半导体材料有哪些性质扩展阅读
一、本征半导体的原子结构
半导体锗和硅都是四价元素,其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子,带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷,最外层有4个价电子带有4个单位负电荷,因此,整个原子为电中性。
二、应用
1、在无线电收音机及电视机中,作为“讯号放大器/整流器”用。
2、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。
3、半导体致冷器的发展, 它也叫热电致冷器或温差致冷器, 它采用了帕尔贴效应.
E. 半导体材料的性质
以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序,但是仍具有单晶体的微观结构,因此具有许多特殊的性质。1975年,英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功,使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级,促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比,非晶态半导体材料制备工艺简单,对衬底结构无特殊要求,易于大面积生长,掺杂后电阻率变化大,可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大,转换效率高,面积大,已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。
具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究,当时很少有人注意,直到1968年S.R.奥弗申斯基关於用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后,才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使控制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面,P.W.安德森和莫脱,N.F.建立了非晶态半导体的电子理论,并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面,还是在应用方面,非晶态半导体的研究正在很快地发展著。
分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。
硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S,通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。
四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得,只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等),只要衬底温度足够低,淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质,与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解,衬底温度分别为500K和300K,c制备工艺是溅射,d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺条件,氢含量不同,直接影响到材料的性质。与此相反,硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例,用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品,它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。
非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构,也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决於原子附近的状况,可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例,Ge、Si中四个价电子经sp杂化,近邻原子的价电子之间形成共价键,其成键态对应於价带;反键态对应於导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态,基本结合方式是相同的,只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变,因而它们的基本能带结构是相类似的。然而,非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有著本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的,或者说具有平移对称性,电子波函数是布洛赫函数,波矢是与平移对称性相联系的量子数,非晶态半导体不存在有周期性, 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的,电子运动的平均自由程远大於原子间距;非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小,当平均自由程接近原子间距的数量级时,在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡,而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩展态,另一类为局域态。处在扩展态的每个电子,为整个固体所共有,可以在固体整个尺度内找到;它在外场中运动类似於晶体中的电子;处在局域态的每个电子基本局限在某一区域,它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零,它们需要靠声子的协助,进行跳跃式导电。在一个能带中,带中心部分为扩展态,带尾部分为局域态,它们之间有一分界处,如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和,这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数,莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的,依靠与点阵振动交换能量,从一个局域态跳到另一个局域态,因而当温度趋向0K时,局域态电子迁移率趋於零。扩展态中电子导电类似於晶体中的电子,当趋於0K时,迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应於电子平均自由程接近於原子间距的情况,并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而,目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。
缺陷 非晶态半导体与晶态相比较,其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级,它们对非晶态半导体的电学和光学性质有著重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃,这两类非晶态半导体的缺陷有著显著的差别。
非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子,正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足,而产生一些悬挂键,在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态:释放未成键的电子成为正电中心,这是施主态;接受第二个电子成为负电中心,这是受主态。它们对应的能级在禁带之中,分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况,两个电子间的库仑排斥作用,使得受主能级位置高於施主能级,称为正相关能。因此在一般情况下,悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态,在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法,首先实现非晶硅的掺杂效应,就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢,氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命,也必须降低缺陷态密度。因此,控制非晶硅中的缺陷,成为目前材料制备中的关键问题之一。
硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键,而是“换价对”。最初,人们发现硫系玻璃与非晶硅不同,观察不到缺陷态上电子的自旋共振,针对这表面上的反常现象,莫脱等人根据安德森的负相关能的设想,提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时,会引起点阵的畸变,若由於畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能,则表现出有负的相关能,这就意味著受主能级位於施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态,负相关能意味著:
2D —→ D+D
是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在,不存在未配对电子,所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例,硒有六个价电子,可以形成两个共价键,通常呈链状结构,另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当於有一个中性悬挂键,这个悬挂键很可能发生畸变,与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D),放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D),如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由於库仑吸引作用,使得D、D通常是成对地紧密靠在一起,形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对,如图6 换价对的自增强效应 所示,它只需很小的能量,有自增强效应,因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。
应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在著很大的潜力,非晶硫早已广泛应用在复印技术中,由S.R.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产,利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对於非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单,易於做成大面积,非晶硅对於太阳光的吸收效率高,器件只需大约1微米厚的薄膜材料,因此,可望做成一种廉价的太阳能电池,现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用於液晶显示和集成电路。
F. 半导体的性质
半导体是介于像抄铜那样易于电流通过的导体和像橡胶那样的不导通电流的绝缘体之间的物质。
利用这样的半导体材料制造出的产品,有晶体二极管、晶体三极管、IC等半导体器件,它们被广泛应用于从收音机、电视机等家电产品到小汽车、电子计算机等诸方面。为了很好地理解这些半导体器件的性质,在本章中对活跃在半导体中的电子的功能、半导体的种类及其构成成分进行分析。并且学习有关有p型半导体和n型半导体相互接合形成的pn结制成的二极管的作用,为理解下一章晶体三极管的性质和工作原理打下基础。
G. 半导体材料的特性
半导体材料的特性:
半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电,室温时电阻率一般在10-5~107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大;若掺入活性杂质或用光、射线辐照,可使其电阻率有几个数量级的变化。
此外,半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素)的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。
半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。
非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。
半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。
(7)半导体材料有哪些性质扩展阅读:
材料工艺
半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化,而载流子迁移率和非平衡载流子寿命
一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面,半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷,除了在一般情况下要尽可能减少和消除外,有的情况下也希望控制在一定的水平,甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。
为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的,需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法,即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。
半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质,最后再把材料(元素)从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术,即将半导体材料铸成锭条,从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。
利用杂质在凝固过程中的分凝现象,当此熔区从一端至另一端重复移动多次后,杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料,剩下的即为具有较高纯度的材料(见区熔法晶体生长)。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、硅是能够得到的纯度最高的半导体材料,其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。
H. 半导体材料的特殊性质
对于来自两个方向的电流有不同的电阻,又称单向导电。
I. 半导体的性质 作用 具有什么性
以锗硅合金为例。
1、性质:高频特性良好,材料安全性佳,导热性好,而且制程成熟、整合度高,具成本较低之优势。
2、作用:不但可以直接利用半导体现有200mm 晶圆制程,达到高集成度,据以创造经济规模,还有媲美GaAs的高速特性。随着近来IDM 大厂的投入,SiGe 技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。
SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第3 到第5 类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感,就可以采用SiGe 半导体技术集成高质量无源部件。
(9)半导体材料有哪些性质扩展阅读:
半导体的导电特性介绍:
导体具有良好的导电特性,常温下,其内部存在着大量的自由电子,它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小,只有 金属一般为导体,如铜、铝、银等。
绝缘体几乎不导电,如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中,几乎没有自由电子,即使受外电场作用也不会形成电流,所以,绝缘体的电阻率很大,在 以上。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅、锗、硒等,它们的电阻率通常在 之间。半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。
如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ,若按百万分之一的比例掺入少量杂质(如磷)后,其电阻率急剧下降为 ,几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。
J. 半导体材料的特殊性质
对于来自两个方向的电流有不同的电阻,又称单向导电.