6.3.1半導體資料概述6.3.2半導體的分類及特點6.3.3PN結6.3.4單質硅半導體資料第八章半導體資料的開展展望第七章半導體資料的運用6.3.5重要的化合物半導體6.3.6半導體的運用6.3半導體資料1什么是半導體？從導電性〔電阻〕：固體資料可分成：超導體、導體、半導體、絕緣體。電阻率ρ介于導體和絕緣體之間，并且具有負的電阻溫度系數→半導體。電阻率：導體：ρ＜10-4Ωcm如：ρCu=10-6Ωcm半導體：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm如：ρGe=0.2Ωcm

絕緣體：ρ＞108Ωcm6.3.1半導體資料概述TR半導體金屬絕緣體負的溫度系數電阻溫度系數圖2定義半導體資料〔semiconductormaterial〕是一類具有半導體性能〔導電才干介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內〕、可用來制造半導體器件和集成電路的電子資料。3凡具有上述兩種特征的資料都可歸入半導體資料的范圍。反映半導體內在根本性質的卻是各種外界要素如光、熱、磁、電等作用于半導體而引起的物理效應和景象，這些可統稱為半導體資料的半導體性質。構成固態電子器件的基體資料絕大多數是半導體，正是這些半導體資料的各種半導體性質賦予各種不同類型半導體器件以不同的功能和特性。半導體的根本化學特征在于原子間存在飽和的共價鍵。42.負電阻溫度系數Si：T=300Kρ=2x105ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效應絕緣體半導體導體1012—1022Ω10-6—1012Ω≤10-6Ω電學性質⒈電阻率ρ:電阻率可在很大范圍內變化半導體的主要特征5按功能和運用分：微電子半導體光電半導體熱電半導體微波半導體氣敏半導體∶∶按組成分：無機半導體：元素、化合物有機半導體按構造分：晶體：單晶體、多晶體非晶、無定形6.3.2半導體分類及特點6一、無機半導體晶體資料(組分)無機半導體晶體資料包含元素、化合物及固溶體半導體。1.元素半導體晶體GeSeSiCBTePSbAs元素半導體SISn熔點太高、不易制成單晶不穩定,易揮發低溫某種固相稀少78本征半導體的共價鍵構造束縛電子在絕對溫度T=0K時，一切的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自在電子，因此本征半導體的導電才干很弱，接近絕緣體。〔1〕本征半導體——化學成分純真的半導體晶體。制造半導體器件的半導體資料的純度要到達99.9999999%，常稱為“九個9〞。9這一景象稱為本征激發，也稱熱激發。當溫度升高或遭到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自在電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自在電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。自在電子空穴10完全純真、具有一定晶體構造的半導體本征半導體最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數為4。++SiGe11提純的硅資料可構成單晶——單晶硅相鄰原子由外層電子構成共價鍵共價鍵12硅原子價電子遭到激發，構成自在電子并留下空穴。半導體中的自在電子和空穴都能參與導電——半導體具有兩種載流子。載流子的產生與復合：共價鍵價電子自在電子和空穴同時產生13本征半導體中的自在電子和空穴總是成對出現，同時又不斷進展復合。在一定溫度下，載流子的產生與復合會到達動態平衡，即載流子濃度與溫度有關。溫度愈高，載流子數目就愈多，導電性能就愈好——溫度對半導體器件的性能影響很大。半導體中的價電子還會遭到光照而激發構成自在電子并留下空穴。光強愈大，光子就愈多，產生的載流子亦愈多，半導體導電才干加強。故半導體器件對光照很敏感。雜質原子對導電性能的影響將在下面引見。14〔2〕雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。1)N型半導體在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。在常溫下，本征半導體的兩種載流子數量還是極少的，其導電才干相當低。假設在半導體晶體中摻入微量雜質元素，將得到摻雜半導體，而摻雜半導體的導電才干將大大提高。由于摻入雜質元素的不同，摻雜半導體可分為兩大類——N型半導體和P型半導體。15N型半導體多余電子磷原子硅原子多數載流子—自在電子少數載流子—空穴++++++++++++N型半導體施主離子自在電子電子空穴對16摻入磷雜質的硅半導體晶體中，自在電子的數目大量添加。自在電子是這種半導體的導電方式，稱之為電子半導體或N型半導體。在N型半導體中電子是多數載流子、空穴是少數載流子。室溫情況下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，當磷摻雜量在10–6量級時，電子載流子數目將添加幾十萬倍。17在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數載流子——空穴少數載流子——自在電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2)P型半導體18摻硼半導體中，空穴的數目遠大于自在電子的數目。空穴為多數載流子，自在電子是少數載流子，這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體。普通情況下，摻雜半導體中多數載流子的數量可到達少數載流子的1010倍或更多，電子載流子數目將添加幾十萬倍。不論是N型半導體還是P型半導體，都只需一種多數載流子。然而整個半導體晶體仍是電中性的。19(1)本征半導體中參與五價雜質元素，便構成N型半導體。N型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子，此外還有不參與導電的正離子。(2)本征半導體中參與三價雜質元素，便構成P型半導體。其中空穴是多數載流子，電子是少數載流子，此外還有不參與導電的負離子。(3)雜質半導體中，多子濃度決議于雜質濃度，少子由本征激發產生，其濃度與溫度有關。常用的雜質元素三價的硼、鋁、銦、鎵五價的砷、磷、銻總結20多子和少子在n型半導體中，n>p,電子是多數載流子，空穴是少數載流子。在p型半導體中，p>n,空穴是多數載流子，電子是少數載流子。21化合物半導體Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族金屬氧化物Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅳ族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO22.化合物半導體及固溶體半導體22化合物半導體Ⅲ-Ⅴ族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光電器件的主要資料，InSb/InAs禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制造紅外器件和霍耳器件。Ⅱ-Ⅵ族，Zn0，主要用于光電器件，場致發光Ⅳ-Ⅵ族，PbS/PbTe,窄禁帶，光敏器件氧化物半導體，SnO2硫化物半導體，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)稀土化合物半導體,EuO,TmS23二元化合物半導體：①IIIA族的Al,Ga,In和VA族的P,As,Sb可組成九種化合物，如InP,GaP,InAs,GaAs等，它們在制做發光器件、半導體激光器、高速晶體管和微波功率管等方面很有出路。②由IIB族的Zn,Cd,Hg和VIA族的S,Se,Te組成的ZnS,CdS,CdSe,HgS等，主要用在制做光敏電阻、光探測器等方面。24③Pb的S族化合物PbS,PbTe和PbSe也是重要的半導體資料，它們由于禁帶寬度較窄，具有顯著的紅外光電導，可以制做紅外探測器，是一類人們感興趣的紅外光電導資料。④Bi的S族化合物也是半導體資料，如Bi2Te3可作為一種熱電資料。⑤IVA族的C,Si,Ge,Sn,Pb元素間組成的化合物半導體，如SiC。25除了二元化合物半導體外，還存在一些三元甚至四元化合物半導體。如屬于黃銅礦的CuFeS2,CuInTe2,CuInSe2和CuAlTe2都具有明顯的整流特性。但是，目前對多元化合物的研討進展并不大，主要是由于制備和提純這些化合物非常困難，有些資料甚至連單晶的生長都很難控制。26固熔體半導體固熔體是由兩個或多個晶格構造類似的元素化合物相互溶合而成。可分為二元系和三元系，二元系有IVA-IVA組成的Ge-Si固熔體；VA-VA組成的Bi-Sb固熔體。三元系有GaAs-GaP組成的GaAs1-xPx和HgTe-CdTe組成的Hg1-xCdxTe。這些混合晶體資料可以經過選取不同的配比x，來調理并到達需求的物理參量〔如禁帶寬度、折射率〕，這樣人們就能夠根據需求設計具有某些電學和光學特性的資料來滿足器件的需求。27(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半導體；

(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半導體3.非晶態半導體〔構造〕有機半導體通常分為有機分子晶體、有機分子絡合物和高分子聚合物。酞菁類及一些多環、稠環化合物，聚乙炔和環化脫聚丙烯腈等導電高分子，他們都具有大π鍵構造。4.有機半導體〔組分〕281874年F.Braun金屬－半導體接觸氧化銅、硒整流器、曝光計1879年Hall效應K.Beadeker半導體中有兩種不同類型的電荷1948年Shockley，Bardeen,Brattain鍺晶體管(transistor)點接觸式的硅檢波器1940187019301950萌芽期硅晶體管二、半導體的開展291955年德國西門子氫復原三氯硅烷法制得高純硅1950年G.K.Teel直拉法較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1957年第一顆砷化鎵單晶誕生19601950進入生長期1952年H.Welker發現Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash無位錯硅單晶301963年用液相外延法生長砷化鎵外延層，半導體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應19701960硅外延技術1965年J.B.Mullin發明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶Andthen?成熟期31分子束外延MBE金屬有機化學汽相堆積MOCVD半導體超晶格、量子阱資料雜質工程能帶工程電學特性和光學特性可裁剪323334PN結的構成在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經過載流子的分散，在它們的交界面處就構成了PN結。6.3.3PN結及半導體二極管35PN結的構成

由于P區的多數載流子是空穴，少數載流子是電子；N區多數載流子是電子，少數載流子是空穴，這就使交界面兩側明顯地存在著兩種載流子的濃度差。因此，N區的電子必然越過界面向P區分散，并與P區界面附近的空穴復合而消逝，在N區的一側留下了一層不能挪動的施主正離子；同樣，P區的空穴也越過界面向N區分散，與N區界面附近的電子復合而消逝，在P區的一側，留下一層不能挪動的受主負離子。分散的結果，使交界面兩側出現了由不能挪動的帶電離子組成的空間電荷區，因此構成了一個由N區指向P區的電場，稱為內電場。隨著分散的進展，空間電荷區加寬，內電場加強，由于內電場的作用是妨礙多子分散，促使少子漂移，所以，當分散運動與漂移運動到達動態平衡時，將構成穩定的空間電荷區，稱為PN結。36P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++分散運動內電場E漂移運動空間電荷區PN結處載流子的運動37分散的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++分散運動內電場EPN結處載流子的運動內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。38漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++分散運動內電場EPN結處載流子的運動所以分散和漂移這一對相反的運動最終到達平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。39空間電荷區及內建電場的構成過程表示圖到達熱平衡形狀時，分散流等于漂移流勢壘區內電子〔空穴〕的分散和漂移抵消。整個pn結具有一致的費米能級。能帶彎曲－－勢壘高度。40PN結的單導游電性PN結加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區加正、N區加負電壓。PN結加上反向電壓、反向偏置的意思都是：P區加負、N區加正電壓。41當電源正極接P區，負極接N區時，稱為給p-n結加正向電壓或正向偏置。結果在電路中構成了較大的正向電流。當電源正極接N區、負極接P區時，稱為給p-n結加反向電壓或反向偏置。結果在電路中構成了很小的反向電流。p-n結的電壓、電流關系－單導游電性42PN結正向偏置－－－－++++內電場減弱，使分散加強，分散飄移，正向電流大空間電荷區變薄PN+_正向電流43PN結反向偏置－－－－++++空間電荷區變厚NP+_++++－－－－內電場加強，使分散停頓，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級44綜上所述:PN結正向偏置時，結電阻很小，回路中產生一個較大的正向電流，PN結呈導通形狀；PN結反向偏置時，結電阻很大，回路中的反向電流很小，幾乎接近于零，PN結呈截止形狀。所以，PN結具有單導游電性。45伏安特性PN結伏安特性曲線46PN結的擊穿特性當PN結外加反向電壓超越某一電壓值時，反向電流將急劇添加，這種景象稱為PN結的反向擊穿。反向電流急劇添加時所對應的反向電壓U(BR)稱為反向擊穿電壓。PN結的擊穿特性47PN結的溫度特性實驗證明，在室溫下，溫度每升高1℃，在同一正向電流下，PN結正向壓降VF減小2~2.5mV；溫度每升高10℃，反向飽和電流Is大約添加1倍。所以當溫度升高時，PN結的正向特性曲線向左挪動，反向特性曲線向下挪動。此外,PN結的反向擊穿特性也與溫度有關。實際分析闡明，雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數；齊納擊穿電壓隨溫度的升高而降低，具有負的溫度系數。48光生伏特效應-Photovoltaic用適當波長的光照射非均勻半導體，例如P-N結和金屬-半導體接觸等，由于勢壘區中內建電場〔也稱為自建電場〕的作用，電子和空穴被分開，產生光生電流或者光生電壓。這種由內建電場引起的光-電效應，稱為光生伏特效應。利用光電效應可以制成太陽能電池，直接把光能轉換成電能，這是它最重要的實踐運用。另外，光生伏特效應也廣泛運用于光電探測器。下面以P-N結為例引見這種效應。49光照能使半導體資料的不同部位之間產生電位差。這種景象后來被稱為“光生伏打效應〞，簡稱“光伏效應〞。50p-n結和晶體管p-n結是構成各種半導體器件的根底，其最重要的特性是單導游電性P型N型P型襯底P-n結的構造：N型雜質P型半導體與n型半導型接觸構成的偶電層構造這種構造稱為P-n結。分散51晶體管：二極管和三極管二極管單導游電，三極管放大P-n結整流特性N型P型N型P型52硒結晶炭灰錫鍺硅6.3.4元素半導體53周期表中半導體相關元素周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te541、硒實踐運用的最早半導體資料禁帶較寬，大于1.7ev分晶體和非晶體，晶體硒有兩種同素異形體〔紅硒、灰硒〕主要用來制造光電池、攝像靶、整流器；硒整流器具有耐高溫、特性穩定、過載才干強等優點552、結晶炭1〕金剛石金剛石薄膜具有禁帶很寬、高熱導率、高臨界擊穿電場、高電子飽和速度、低介電常數，適宜制造高性能電力電子器件和高溫電子學器件電阻率很高，但摻雜可使電阻率降低高熱導率，可作切割工具燃料對光的折射率高，吸收系數低，在光電子學領域存在潛在的運用價值金剛石562〕C60C60分子由五原環和六元環構成的炭籠分子構造常溫常壓下發生向金剛石轉變的構造變相，為金剛石的人工合成提供了潛在的新途徑金剛石薄膜CVD淀積前在襯底上涂一層C60對成核起明顯促進作用。炭籠分子構造573〕碳納米管〔CNT〕碳納米管是一種長約不到數微米、直徑數納米到數十納米的中間空閉合管狀物。螺旋矢量參數〔n,m〕,只需n-m=3k(k為非零整數)的碳納米管為半導體，其他為導體替代硅進一步減少高集成電路尺寸，提高電路運算速度有了希望雙壁碳納米管納機電系統用583、灰錫錫有兩種同素異形體，灰錫和白錫灰錫：不穩定；具有金剛石構造，立方晶系白錫：四方晶系窄禁帶特征有能夠用于遠紅外探測器方面594、鍺1871年，俄國科學家門捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之間存在著一個“類硅〞的元素。1886年，德國科學家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦中分別出Ge，并將其命名為Ge〔Germanium〕以留念他的祖國。Ge是半導體研討的早期樣板資料，在20世紀50年代，Ge是主要的半導體電子資料60鍺的分布鍺在地殼中含量約為百萬分之一，分布極為分散，常歸于稀有元素；1.在煤和煙灰中；2.與金屬硫化物共生；3.鍺礦石鍺61鍺的運用屬金剛石構造由于Ge的禁帶較窄，器件穩定任務溫度遠不如硅器件高，加之資源有限，目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉向紅外光學等方面。62硅的分布氧化硅化學性質晶體構造能帶構造電學性質硅中的雜質硅的優點硅的用途5、硅63硅石(硅的氧化物)、水晶早為古代人所認識，古埃及就曾經用石英砂為原料制造玻璃。由于硅石化學性質穩定，除了氫氟酸外，什么酸也不能侵蝕它、溶解它，因此長期以來人們把它看成是不能再分的簡單物質。大約在18世紀70年代，化學家們用螢石與硫酸作用發現氫氟酸以后，便翻開了人們認識硅石復雜組成的大門。64尤其在電池發明以后，化學家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉，初步找到了把硅從它的化合物中分別出來的途徑。

1823年，瑞典化學家貝采里烏斯(BerzeliusJ.J.)用金屬鉀復原四氟化硅或用金屬鉀與氟硅酸鉀共熱，初次制得較純的粉狀單質硅。1854年，法國人德維爾〔S.C.Deville〕用混合物氯化物熔鹽電解法制得晶體硅。65地殼中各元素的含量66硅在自然界分布極廣，地殼中約含26.3％，在自然界中是沒有游離態的硅主要以二氧化硅和硅酸鹽的方式存在。硅的分布67硅的化學性質原子序數14，相對原子質量28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。14Si32Ge68晶體硅晶體硅為鋼灰色，密度2.4g／cm3，熔點1420℃，沸點2355℃，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導體性質。硅69化學性質穩定常溫下，只與強堿、氟化氫、氟氣反響高溫下，較活潑①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO270氧化硅水晶瑪瑙石英坩堝光導纖維71外表易純化，形本錢征二氧化硅層二氧化硅層在半導體器件中起著重要作用：1.對雜質分散起掩蔽作用；2.對器件的外表維護和鈍化作用3.用于器件的絕緣隔離層4.用作MOS器件的絕緣柵資料等72硅的晶體構造109o28′73硅原子——[SiO2]四面體氧原子74硅的能帶構造間接帶隙構造75電學性質本征載流子濃度1.本征半導體在一定溫度下，就會在熱激發下產生自在電子和空穴對，從而形本錢征載流子濃度。2.溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自在電子與空穴的濃度相等。3.當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自在電子增多，空穴也隨之增多〔即載流子的濃度升高〕，導電性能加強；當溫度降低，那么載流子的濃度降低，導電性能變差。76硅中的雜質1.n型摻雜劑：P，As，Sb2.p型摻雜劑：B3.輕元素雜質：O，C，N，H4.過渡族金屬雜質：Fe，Cu，Ni77O的危害熱處置過程中，過飽和間隙氧會在晶體中偏聚，沉淀而構成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；氧沉淀過大會導致硅片翹曲，并引入二次缺陷；78C的危害C會降低擊穿電壓，添加漏電流；C會促進氧沉淀和新施主的構成；C會抑制熱施主的構成79H的作用H在硅中處于間隙位置，可以正負離子兩種形狀出現；H在硅中構成H-O復合體H能促進氧的分散和熱施主的構成；H會鈍化雜質和缺陷的電活性；H能鈍化晶體的外表或界面，提高器件的性能80過渡金屬的危害在硅中構成深能級中心或沉淀而影響器件的電學性能；減少少子分散長度從而降低壽命；構成金屬復合體，影響器件和資料的性能81硅資料的優點資源豐富、易于提高到極純的純度較易生長出大直徑無位錯單晶易于對進展可控n型和p型摻雜易于經過堆積工藝制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜資料82易于進展腐蝕加工帶隙大小適中硅有相當好的力學性能硅本身是一種穩定的綠色資料83可利用多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐姆接觸容易截斷或者解理硅晶體硅外表上很容易制備高質量的介電層－－SiO284多晶硅的優點多晶硅具有接近單晶硅資料的載流子遷移率和象非晶硅那樣進展大面積低本錢制備的優點重摻雜的多晶硅薄膜作為電容器的極板、浮柵、電極等輕摻雜的多晶硅薄膜常用于MOS存儲器的負載電阻和其他電阻器85多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜場效應晶體管)更高的載流子遷移率、更快的開關速度、更高的電流驅動才干、可與CMOS工藝兼容等特點86非晶硅的優點非晶硅薄膜是器件和電路加工所用外表鈍化膜資料之一對活性半導體外表進展鈍化對提高器件性能、加強器件和電路的穩定性、可靠性；提高其封裝廢品率等有重要作用87硅的用途高純的單晶硅是重要的半導體資料；金屬陶瓷、宇宙航行的重要資料；光導纖維通訊，最新的現代通訊手段；性能優良的硅有機化合物等881〕重要的半導體資料硅可用來制造集成電路、晶體管等半導體器件太陽能電池892〕高溫資料金屬陶瓷的重要資料：將陶瓷和金屬混合燒結，制成金屬陶瓷復合資料，它耐高溫，富韌性，可以切割，既承繼了金屬和陶瓷的各自的優點，又彌補了兩者的先天缺陷。宇宙航行的重要資料耐高溫隔熱層，航天飛機能抵擋住高速穿行稠密大氣時磨擦產生的高溫，全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外殼。903〕光導纖維通訊用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無數次的全反射向前傳輸，替代了笨重的電纜。光纖通訊容量高，一根頭發絲那么細的玻璃纖維，可以同時傳輸256路，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的嚴密性。91化合物半導體一切完全由IV元素組成的元素半導體和化合物半導體的能帶構造均為間接躍遷型；晶體構造為閃鋅礦構造的III－V族化合物以GaAs為界，平均原子序數比GaAs小的是間接躍遷型，其他均為直接躍遷型；II－VI族化合物全為直接躍遷型。92III－V族化合物半導體資料II－VI族化合物半導體資料IV－VI族化合物半導體資料IV－IV族化合物半導體資料其它化合物半導體資料93常見的III-V化合物半導體化合物晶體結構帶隙躍遷性質GaAs閃鋅礦1.42直接GaP閃鋅礦2.27間接GaN纖鋅礦3.4間接InAs閃鋅礦0.35直接InP閃鋅礦1.35直接InN纖鋅礦2.05AlN纖鋅礦6.2494一、GaAS能帶構造物理性質化學性質電學性質光學性質95GaAs能帶構造直接帶隙構造雙能谷：強電場下電子從高遷移率能谷向低遷移率能谷轉移，引起電子漂移速度隨電場的升高而下降的負微分遷移率效應存在子能谷；子能谷與主能谷能量差小于禁帶寬度而大于Kt；電子在子能谷的有效質量大于在主能谷的有效質量。帶隙為1.42eV96GaAs物理性質GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤分子量為144.64原子密度4.42×1022/cm397GaAs化學性質GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反響，易溶于王水室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩定加熱到6000C開場氧化，加熱到8000C以上開場離解98GaAs電學性質電子遷移率高達8000GaAs中電子有效質量為自在電子的1/15，是硅電子的1/3用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快3~4倍高頻器件，軍事上運用99GaAs光學性質直接帶隙構造發光效率比其它半導體資料要高得多，可以制備發光二極管，光電器件和半導體激光器等100GaAs的運用GaAs在無線通訊方面具有眾多優勢GaAs是功率放大器的主流技術1011〕GaAs在無線通訊方面砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻〞傳輸運用的晶片，由于其頻率高，傳輸間隔遠，傳輸質量好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適宜傳輸影音內容，符合現代遠程通訊要求。普通訊息在傳輸時，由于間隔添加而使所能接納到的訊號越來越弱，產生“聲音不清楚〞甚至“收不到信號〞的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優點，在于傳輸時的功率損耗比硅晶片小很多，勝利抑制訊號傳送不佳的妨礙。砷化鎵具有抗輻射性，不易產生信號錯誤，特別適用于防止衛星通訊時暴露在太空中所產生的輻射問題。102砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產品良率低高103應用領域頻率范圍個人通訊服務900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有線電視50～1000MHzGPS1.6GHz衛星電視11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型衛星地面站）6、14、28GHz衛星移動電話1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）寬頻衛星服務28GHz汽車雷達控制系統76～77GHz電子收費系統5.8GHzGaAs非常適宜高頻無線通訊1042〕GaAs是功率放大器的主流技術砷化鎵具備許多優良特性，但資料本錢及良品率方面比不上硅，因基頻部分以處置數字信號為主，內部組件多為自動組件、線路分布密集，故以細微化和高集成度純硅CMOS制程為主。手機中重要關鍵零部件功率放大器〔PowerAmplifier，PA〕，由于對放大功率的嚴厲要求，因此運用GaAs制造將是最正確方式。GaAs在無線通訊射頻前端應器具有高任務頻率、低噪聲、任務溫度運用范圍高以及能源利用率高等優點，因此在未來幾年內仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術。105手機是促進GaAsIC市場增長的主要動力根據StrategyAnalytics的報告，手機仍將是促進砷化鎵〔GaAs〕IC市場增長的主要動力。2004年GaAs芯片市場29億美圓，2021年達37億美圓GaAs器件市場將繼續主要依賴無線市場，手機市場是主要增長動力，2003年無線市場占GaAs器件總體需求的41%以上，來自汽車雷達等其它運用的需求將會增長，但2021年手機仍至少占GaAs市場的33%隨著手機需求生長，以及每支手機所需PA從單頻增為雙頻和三頻，僅手機這項需求，2021年GaAs芯片到達約30億顆106國內外現狀對比目前我國在研制通訊譽砷化鎵器件方面尚處于起步階段。手機用砷化鎵電路根本靠進口。隨著我國通訊產業迅速開展，對砷化鎵器件需求越來越大。砷化鎵電路用于手機的功放和開關部分，還可用于挪動通訊基站、光通訊、衛星通訊、CATV、軍事通訊等重要用途，運用領域非常廣泛。1073〕GaAs還有更多的運用領域光纖通訊具有高速、大容量、信息多的特點，是構筑“信息高速公路〞的主干，大于2.5G比特/秒的光通訊傳輸系統，其收發系統均需求采用GaAs超高速公用電路。隨著光電子產業和自動化的開展，用作顯示器件LED、測距、玩具、條形碼識別等運用的高亮度發光管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大市場需求，還有GaAs基高效太陽能電池的用量也非常大，對低阻低位錯GaAs產業的需求非常宏大而迫切。我國數十億只LED管芯，一切的可見光激光器、高亮度發光管、近紅外激光器等幾乎都依托進口，因此消費高質量的低阻GaAs單晶，促進LED管芯、可見光激光器、高亮度發光管和高效率高效太陽能電池的商品化消費，將有力地開展我國民族的光電子產業。108GaN資料的研討與運用是目前全球半導體研討的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體資料，并與SiC、金剛石等半導體資料一同，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體資料、第二代GaAs、InP化合物半導體資料之后的第三代半導體資料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好〔幾乎不被任何酸腐蝕〕等性質和強的抗輻照才干在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件運用方面有著寬廣的前景。是很優越的微波資料二、GaN109室溫下GaN禁帶寬度為3.4Ev在大氣壓力下，GaN晶體普通是六方纖鋅礦構造其硬度高，又是一種良好的涂層維護資料110氮化鎵與其它半導體資料的比較特性單位半導體材料硅砷化鎵磷化銦碳化硅氮化鎵能階帶eV1.11.421.352.33.44300K電子遷移Cm2/vs1500850054007001000~2000飽和電壓107cm/s1.01.31.02.01.3臨界崩潰場效MV/cm0.30.40.53.03.0熱傳導V/cm*k1.50.50.74.5>1.5介電常數ε11.812.812.510.09.0111資料的特性化學性質構造特征電學性質光學性質資料的運用1121〕GaN資料的特性高頻特性，可以到達300GHz〔硅為10G，砷化鎵為80G〕高溫特性，在300℃正常任務〔非常適用于航天、軍事和其它高溫環境〕電子漂移飽和速度高、介電常數小、導熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕〔可用于惡劣環境〕高壓特性〔耐沖擊，可靠性高〕大功率〔對通訊設備是非常盼望的〕1132〕GaN的化學特性在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿；在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差GaN，可用于這些質量不高的GaN晶體的缺陷檢測；GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現不穩定特性；而在N2氣下最為穩定。1143〕構造特征立方系閃鋅礦構造和六方纖鋅礦構造；在大氣壓力下，GaN晶體普通是六方纖鋅礦構造。1154〕GaN的電學特性GaN的電學特性是影響器件的主要要素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為普通情況下所制備的P型樣品，都是高補償的。1165〕GaN的光學特性寬帶隙化合物半導體資料，有很高的禁帶寬度〔2.3～6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍，是到目前為止其它任何半導體資料都無法到達的主要在藍光和紫光發射器件上運用117GaN的運用1.實現半導體照明。國內外倍加關注的半導體照明是一種新型的高效、節能和環保光源，將取代目前運用的大部分傳統光源，被稱為21世紀照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發光二極管的研制是實現半導體照明的中心技術和根底。118半導體照明是21世紀最具開展前景的高技術領域之一地區＼條件·效益條件能源節約降低二氧化碳排放美國5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代每年節省350億美元電費。每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100％白熾燈被白光LED取代可少建1-2座核電廠。每年節省10億公升以上的原油消耗。臺灣25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代節省110億度電，約合1座核電廠發電量。119日亞公司1994年首創用MOCVD制備了GaNLED120發光二極管LED發光二極管Light-EmittingDiode是由數層很薄的摻雜半導體資料制成。當經過正向電流時，n區電子獲得能量越過PN結的禁帶與p區的空穴復合以光的方式釋放出能量。發藍光的二極管121LED運用半導體白光照明車內照明交通訊號燈裝飾燈大屏幕全彩色顯示系統太陽能照明系統其他照明領域紫外、藍光激光器高容量藍光DVD、激光打印和顯示、軍事領域等122LED照明的優點發光效率高，節省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，熒光燈的1/2。綠色環保冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產生廢物少壽命長壽命可達10萬小時固體光源、體積小、分量輕、方向性好單個單元尺寸只需3~5mm呼應速度快，并可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流123Ge：Eg＝0.67eV紅光GaP：Eg＝2.25eV綠光GaN：Eg＝3.4eV藍光波長＝h/Eg;

其中，h是普朗克常數，Eg是禁帶寬度

124高亮度白光LED的實現基于藍光LED，經過黃色熒光粉激發出黃光，組合成為白光經過紅、綠、藍三種LED組合成為白光基于紫外光LED，經過三基色粉，組合成為白光1252.提高光存儲密度DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長平方成反比，假設DVD運用G