什么是半导体材料？

作者:输入2004-3-5 11: 44: 48阅读3037次。

(半导体材料)电导率介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一种具有半导体性质的电子材料，可用于制作半导体器件和集成电学。其电导率范围为10 (U-3)至10 (U-9)欧姆/厘米。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化非常敏感，可以通过在半导体材料中掺杂少量杂质来控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些特性，制造出了具有各种功能的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有很大的影响。半导体材料根据其化学成分和内部结构大致可以分为以下几类。1.元素半导体包括锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代半导体以锗为主，但锗半导体器件耐高温和抗辐射能力差，60年代后期逐渐被硅材料取代。由硅制成的半导体器件具有良好的耐高温和抗辐射性能，特别适合制作大功率器件。因此，硅成为应用最广泛的增导体材料。目前，大多数集成电路都是由硅制成的。2.化合物半导体是由两种或两种以上元素结合而成的半导体材料。砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉、砷化镓硅有很多种。其中，砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅因其抗辐射能力强、耐高温、化学稳定性好，被广泛应用于航空航天技术领域。3.非晶半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶的非晶半导体材料，可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃。这类材料具有良好的开关和记忆特性，抗辐射能力强，主要用于制造阈值开关、记忆开关和固态显示器件。4.有机导电材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物，目前还没有应用。

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主要由非晶半导体材料制成的固态电子器件。非晶半导体虽然整体上分子排列无序，但仍具有单晶的微观结构，因此具有许多特殊性质。1975年，英国W.G. Speer成功掺杂了辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜，使非晶硅薄膜的电阻率改变了10个数量级，促进了非晶半导体器件的发展和应用。与单晶材料相比，非晶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，掺杂后电阻率变化较大，可制成各种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大，转换效率高，面积大，已应用于计算器、电子表等商品。非晶硅薄膜场效应晶体管阵列可用作大面积液晶面板的寻址开关。通过利用一些硫族化物非晶半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的装置已经应用于计算机或控制系统。利用非晶薄膜的电荷存储和光电导特性，可以制作静电复印机的感光器和用于静态图像光电转换的电视摄像管靶面。

具有半导体特性的非晶材料。非晶半导体是半导体的重要组成部分。20世纪50年代，B.T. Kolomiyets等人开始研究硫系玻璃，当时很少有人关注。直到1968年S.R. Ovschensky关于用硫族化物薄膜制作开关器件的专利发表后，人们才对非晶半导体产生了兴趣。1975年，W.E. Speer等人在硅烷辉光放电分解法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。理论上，P.W. Anderson、Mott和N.F .建立了非晶半导体的电子理论，获得了65438-0977年诺贝尔物理学奖。目前，非晶半导体的研究无论在理论上还是在应用上都发展迅速。

分类目前非晶半导体主要有两种。

硫磺玻璃。含硫族元素的非晶半导体。比如As-Se和As-S，通常的制备方法是熔融冷却或者气相沉积。

四面体键非晶半导体。例如无定形硅、锗、GaAs等。这种材料的非晶态只能通过薄膜沉积(如蒸发、溅射、辉光放电或化学气相沉积等)来获得。).只要衬底温度足够低，沉积的薄膜就是无定形的。四面体键非晶半导体材料的性质与制备工艺和条件密切相关。图1不同方法制备的非晶硅的光吸收系数给出了不同工艺制备的非晶硅的光吸收系数谱，其中A和B采用硅烷辉光放电分解法制备，衬底温度分别为500K和300K，C采用溅射法制备，D采用蒸发法制备。非晶硅的导电性和光电导性也与制备工艺密切相关。实际上，用硅烷辉光放电法制备的非晶硅含有大量的H，有时称为非晶Si-H合金。不同的工艺条件和不同的氢含量直接影响材料的性能。相反，硫系玻璃的性能与制备方法关系不大。图2气相沉积溅射薄膜和熔体淬火块状晶体的光吸收系数谱给出了一个典型的例子。熔体冷却法和溅射法制备的石英样品的光吸收系数谱曲线相同。

非晶半导体的电子结构非晶半导体和晶体半导体具有相似的基本能带结构，包括导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决于原子附近的情况，可以用化学键模型定性解释。以具有四面体键的非晶Ge和Si为例，Ge和Si中的四个价电子被sp杂化，相邻原子的价电子之间形成价键，其成键状态对应价带；反键态对应于导带。Ge和Si无论是晶态还是非晶态，基本成键方式都是一样的，只是在非晶态下键角和键长都有一定程度的畸变，所以它们的基本能带结构是相似的。然而，在非晶半导体中，电子态和晶态之间有本质的区别。晶体半导体的结构是周期性有序的，或者说具有平移对称性。电子波函数是布洛赫函数，波矢是平移对称关联的量子数。非晶半导体没有周期性，不再是好量子数。晶体半导体中电子的运动相对自由，电子运动的平均自由程远大于原子间距。非晶半导体中结构缺陷的畸变大大降低了电子的平均自由程。当平均自由程接近原子间距的数量级时，晶体半导体中建立的电子漂移运动概念就变得没有意义了。非晶半导体能带边缘的态密度变化不像晶体半导体那样陡峭，但有不同程度的带尾(如图3非晶半导体态密度与能量的关系所示)。非晶半导体能带中的电子态可以分为两类:一类叫扩展态，一类叫局域态。每一个处于伸展状态的电子都被整个固体占有，可以在固体的整个尺度上找到；它在外场中的运动类似于晶体中电子的运动；每一个处于局域态的电子基本上被限制在某一区域内，其态波函数只能在某一点附近的小尺度内与零显著不同。它们需要声子的帮助来进行跳跃传导。在能带中，带的中心部分是扩展态，带的尾部是局域态。它们之间有一个边界，比如图4中非晶半导体的扩展态、局域态和迁移率边缘之和。这个边界被称为移动性边缘。在1960中，Mott首先提出了移动性边的概念。如果把迁移率看作是电子态能量的函数，Mott认为在边界处迁移率有一个突变。定域态的电子是跳跃导电的，它们通过与晶格振动交换能量从一个定域态跳到另一个定域态，所以当温度趋于0K时，定域态电子的迁移率趋于零。扩展态的电子传导与晶体中的相似，迁移率趋于0 K时趋于一个有限值，Mott进一步认为迁移率边缘对应于电子平均自由程接近原子间距的情况，并将这种情况下的电导率定义为最小金属化电导率。然而，围绕迁移率边缘和最小金属化电导率仍然存在争议。

与晶体半导体相比，有缺陷的非晶半导体有很多缺陷。这些缺陷在带隙中引入一系列局域能级，对非晶半导体的电学和光学性质有重要影响。四面体键非晶半导体和硫族化物玻璃在缺陷方面有显著差异。

非晶硅中的缺陷主要是空位和微腔。硅原子外层有四个价电子，正常情况下应该与四个相邻的硅原子形成四个价键。存在空位和微空隙，使一些硅原子周围的四个相邻原子不足，产生一些悬挂键，中性悬挂键上有一个未束缚的电子。悬挂键有两种可能的带电状态:释放未束缚的电子成为正电荷中心，这是施主态；接受第二个电子作为负中心是受主态。它们对应的能级在禁带内，分别称为施主能级和受主能级。因为受主态表示悬挂键中有两个电子，两个电子之间的库仑排斥使受主能级高于施主能级，称为正相关能。所以一般情况下，悬空键保持在只有一个电子占据的中性状态，实验中观察到悬空键上未配对电子的自旋* * *振动。在1975中，Speer等人首先通过硅烷辉光放电实现了非晶硅的掺杂效应，因为这种方法制备的非晶硅含有大量的氢，氢和悬挂键的结合大大减少了缺陷态的数量。这些缺陷也是有效的复合中心。为了提高不平衡载流子的寿命，还必须降低缺陷态的密度。因此，控制非晶硅中的缺陷已成为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“价对”。最初发现硫系玻璃不同于非晶硅，无法观察到缺陷态电子的自旋振动。针对这种表面上的反常现象，Mott等人根据Anderson的负相关能量假设提出了MDS模型。当缺陷态占据两个电子时，会引起晶格畸变。如果扭曲减少的能量超过了电子间的库仑排斥能，就会表现出负相关能，也就是说受主能级在施主能级以下。D、D、D分别代表缺陷上电子的无占有、一占有、二占有状态。负相关可能意味着:

2D——→D+D

会放热。所以缺陷主要以D和D的形式存在，没有不成对电子，所以没有电子的自旋振动。很多人分析过D，D，D缺陷的结构。以无定形硒为例。硒有六个价电子，可以形成两个价键，通常呈链状结构，另外两个未成键的P电子称为孤对电子。链的端点有一个中性的悬空键，很可能扭曲，与相邻的孤对键结合并释放出一个电子(D型)，释放出的电子与另一个悬空键结合形成一对孤对(D型)，如图5硫系玻璃的价对。所以也称这种D和D为交换对。由于库仑引力，D和D通常成对地靠在一起，形成紧密的价对。只要硫系玻璃中的成键方式稍有变化，就可以形成一组接近的价对，如图6中的价对自增强效应所示，这种自增强效应需要的能量很少，具有自增强效应，所以这种缺陷的浓度通常很高。价对模型可以用来解释硫系非晶半导体的光致发光谱和光电子自旋* * *振动等一系列实验现象。

非晶半导体的应用在技术领域有很大的潜力。长期以来，无定形硫广泛用于复印技术。S.R. Ovsinski首创的As-Te-Ge-Si系玻璃半导体已经商业化生产，利用光脉冲玻璃化碲微晶薄膜的特性制作的光存储器正在开发中。目前，非晶硅研究最多的应用是太阳能电池。与晶体硅相比，非晶硅的制备工艺更简单，易于大面积制作。非晶硅对太阳光的吸收效率很高，器件只需要厚度约为1微米的薄膜材料。因此有望制成廉价的太阳能电池，引起了能源专家的关注。最近，有人尝试在液晶显示器和集成电路中使用非晶硅场效应晶体管。