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第三章：半导体材料的性质与性能 材料学院 徐桂英 第二节 基本原理 第三章：半导体材料的性质与性能 * 半导体材料 1 半导体材料的特征 （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/r(W. 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。 第一节：概述 1.2半导体材料的类别 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，见表1。 在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段，所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。 1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。 化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。 化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。 按其构成元素在元素周期表中的位置可分为III-V 族、II-IV-V族等等。 如果要问哪些化合物是半导体，哪些不是，有没有规律性？应该回答说，规律性是有的，但还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地判断某个化合物是否属于半导体。 常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替换（参照图1.1） 。 1.2.2 化合物半导体： 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。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，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。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x 1)；也可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1-xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体等（见表1.1 ）。 1.2.3 固溶半导体 s = nem (2-1) 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）。 我们先看看室温下半导体和金属导电的差别原因： (2-1)式中的迁移率的差别：而半导体材料的迁移率一般都高于金属， 例如金属铜的室温电子迁移率为30 cm2/V.s，而硅为1500(cm2/V.s)，锑化铟则为78000cm2/V.s。 载流子浓度：金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（2-1）式看，只能是载流子浓度的差别。 在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的金属铜的载流子浓度为8.5×1022/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106~1020/cm3范围内，与金属相差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。而绝缘体因其载流子浓度接近于零，所以不导电。 既然金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加