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第五章半导体概述
5.1 半导体材料的基本性质
5.1.1半导体材料的分类及基本性质
1、半导体材料的分类
半导体是一类导电能力介于导体和绝缘体之间的固体材料，其电学性能容易受到温度、光照、磁场和杂质浓度等的影响。
半导体材料有多种形式的分类。半导体按结构可分为晶体半导体和非晶体半导体，而晶体又可分为单晶体和多晶体。半导体按成分可分为有机半导体和无机半导体，而无机半导体又分为单质半导体和化合物半导体。
单质半导体材料有12种，包括硅、锗、硼、碳、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲和碘。其中，锡、砷和锑只有在特定的固相时才会显现出半导体性质。在这些单质半导体材料中，除硅、锗、硒外，通常要制取高纯度的单质半导体都比较困难。所以，硅、锗、硒是目前应用较多的单质半导体材料，其中硅材料的应用是最多的。原因是硅与其他的单质半导体材料相比极易提纯，可达到很高的纯度，而且在地球上的含量可达27%左右。
化合物半导体材料种类十分繁多，大体可以分为Ⅲ—Ⅴ族化合物、Ⅱ—Ⅵ族化合物、Ⅳ—Ⅳ族化合物、三种或三种以上的元素化合物、氧化物、硫化物、稀土化合物半导体等材料等。
2、半导体材料的基本性质
半导体材料的种类很多，但是他们都具有一些相同的性质。
（1）对热敏感半导体材料的电阻率随温度的升高而迅速下降，这与金属材料的性质正好相反，金属材料的电阻率随温度的升高而增加。如高纯度的本征硅在室温下载流子浓度为1010cm-3级，相应的电阻率达20万Ω?cm以上。而500℃时，其载流子浓度可达1017cm-3，相应的电阻率只有百分之几个Ω?cm。温度变化20倍左右，而电阻率变化可达百万倍以上。
（2）光电效应光电效应即在光的照射下，电路中产生电流或电流发生变化。半导体材料光电效应可分为两类：一类是在光照下使材料的电阻值发生改变，称为“光导效应”；另一类是在光照下能产生一定方向的电动势，称为“光伏效应”。
（3）具有压阻效应对半导体施加压应力时，除会产生形变外，能带结构也要发生相应的变化，因而，半导体的电阻率（或电导率）也要发生改变，这种由于应力的作用使电阻率（或电导率）发生改变的现象称为压阻效应。
（4）对磁敏感半导体在磁场中会发生霍尔效应、磁阻效应等。
（5）具有热电效应热电效应是把热能转化为电能的过程，其中最重要的是温差电现象。半导体的温差电动势比金属大得多，且热能与电能的转换效率也较高，因而在温差发电器（塞贝克效应）、半导体致冷器（珀尔帖效应）等方面得到应用。
（6）导电特性半导体中能够导电的自由粒子称为载流子。半导体导电是通过电子和空穴这两种载流子的定向运动进行的。电子是带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子。空穴是相对于电子来说带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位。
5.1.2硅的物理化学性质
硅是地壳中产量最大、应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着国家电子工业的水平。简单介绍一下硅的物理化学性质。
1、硅的物理性质
在常温下，固态的硅以无定型和结晶型两种形态存在。无定型的硅原子呈无序不规则排列，晶体硅显灰黑色，有金属光泽，硬而脆，具有金刚石晶体结构，固体硅的体积比液体高出9%左右。
（1）硅的光学性质
硅在常温下的禁带宽度为1.12eV，对光的吸收处于红外波段。虽然硅在可见光谱范围是不透明的，但是可透过近红外光谱频率的光线。它是一种具有高折射率和高反射率的材料，因此硅被广泛应用于制作接近红外光谱频率的光学元件、红外及γ射线的探测器、太阳能电池等方面。
（2）硅的热学性质
硅是具有明显热传导及热膨胀性质的材料。当硅熔化时其体积缩小，凝固时体积膨胀。由于硅具有较大的表面张力系数（熔点时为720dyn/cm）和较小的密度（液态时为2.533g/cm3）,可以用悬浮区熔法生长单晶体。
（3）硅的力学性质
在室温下硅是无延展性的，但在温度高于800℃时有明显的塑性，在应力的作用下会发生塑性形变。硅的抗拉力远远大于抗剪应力，在加工过程中容易产生弯曲和翘曲。
2、硅的化学性质
硅是元素周期表中第三周期第四主族的十四号元素，最外层有四个电子，一般以共价键形式与其他原子结合，常显4价，其正电性较金属低。在某些化合物中硅呈阴离子状态。硅
在常温下化学性质十分稳定，但在高温下化学性质很活泼。
硅的许多化合物以及在许多化学反应中，其行为与磷相似。由于硅氧键很稳定，在自然界中硅无自由态存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
硅与卤素化合物反应生成SiX4型的化合物，如Si+2Cl2＝SiCl4
硅在400℃温度下与氧反应生成SiO2，反应式为Si+O2＝SiO2。
硅在1000℃以上与氮反应生成氮化硅，反应式为3Si+2N2＝Si3N4。
晶体硅在室温下很稳定，不溶于所有的酸（包括HF），但能溶于硝酸和氢氟酸的混合溶液中，综合反应式如下：
Si+4HNO3+6HF＝H2SiF6+4NO2↑+4H2O
3Si+4HNO3+18HF＝3H2SiF6+4NO↑+8H2O
硅与烧碱反应生成偏硅酸纳和氢气，反应式为
Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
硅在高温下化学活泼性大增，与熔融的金属如Mg、Cu、Fe、N2等化合生成硅化物，这些硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗迁移率等特性，常应用于集成电路和内部引线、电阻等元件。Mg2Si是用冶金级硅制取硅烷（SiH4）过程中的一个重要的中间产物。
硅也能与Cu2+、Pb2+、Ag+、Hg+等金属离子发生置换反应，从这些金属离子的盐溶液中置换出金属。如硅能从铜盐溶液中将金属铜置换出来。
5.2 能带理论基础
半导体物理是建立在能带理论基础之上的,而能带理论又是从原子理论发展起来的。半导体晶体是由大量原子周期性重复排列而成的，而每个原子又包含原子核和电子。电子围绕着原子核作着特定的运动，电子这一系列特定的运动状态称为电子的量子态。每个量子态中电子的能量是一定的，这种量子化的能量称为能级。电子的轨道可分为1s2s2p3s3p3d……，这些轨道对应着不同的电子能级，而每个能级上只能容纳两个自旋方向相反的电子。如图5-1所示，靠近原子核的电子受的束缚力强，能级低；远离原子核的电子受的束缚力较弱，能级高。
根据一定的原则，电子只能在这些分裂的能级上运动，或者从一个能级跃迁到另一个能级，当电子从低能级跃迁至高能级时，电子要吸收能量；当电子从高能级跃迁至低能级时，电子要释放能量。在描述半导体中电子状态和运动规律时，可以假设每个电子都是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动，这就是单电子近似法。用单电子近似法研究晶体中的电子状态的理论称为能带理论。
5.2.1 电子共有化运动
绝大部分的半导体材料是晶体，原子在三维空间中周期性的排列，相邻原子间的距离只有10-10m数量级。如图5-2所示，相邻原子间的电子壳层发生重叠，最外壳层重叠较多，内壳层重叠较少。晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动，单电子近似认为，晶体中某一个电子是在原子核势场和其他大量电子的平均势场中运动。由于晶体原子的内壳层基本没有重叠，受到原子核的束缚力较强，电子依然围绕原子核运动；外壳层发生能级重叠，受到的原子核的束缚力较弱，电子不再局限于一个原子，而可以从一个原子壳层转移到相邻的另一个原子壳层中，并且可以从相邻的原子再转移到更远的原子上去。这样电子便可以在整个晶体中运动，为晶体内所有原子共有，这种现象称之为电子共有化运动。
一般来讲，晶体中的电子兼有原子运动和共有化运动。但是，原子的内外壳层电子，由于轨道交叠情况不同，只有最外层电子的共有化特征才是最显著的，而内壳层电子的情况与单独原子中的情况差别很小。
但是应该注意，不同原子间只有相似轨道才有相近的能量，电子只能在相似轨道间转移。因此共有化运动是由于不同原子的相似轨道间的交叠引起的。每一个原子能级结合成晶体后，引起“与之相应”的共有化运动。例如，3s轨道引起“3s”的共有化运动，2p轨道引起“2p”的共有化运动。
5.2.2 能带
当两个单一原子从相距很远的独立状态逐渐接近时，每个原子中的电子除受到自身原子的势场作用外，还受到另一个原子势场的作用。这样一来电子的能级将会发生一个细小的改变，同一能级上电子的能级将发生分裂，分裂成n个相近的小能级，n称为简并度。如果晶体有N个原子组成，就整个晶体而言，一个能级就可分裂成nN个能量相近的能级，形成一个能带。这些分裂能级的总数很大且能量相差极小，因此能带中的能级可视为是连续的。这时，共有化的电子不再是在一个能级上运动，而是在一个能带上运动。这种允许电子运动的能带称为允带。允带之间没有电子运动的称为禁带。
原子内壳层电子能级低，简并度低，共有化程度小，能级分裂得少，能带窄；而外层电子能极高，简并度高，共有化程度也大，能级分裂得多，能带宽。如图5-3所示。
图5-4（a）显示的是半导体材料在一定温度下的能带图。通常在能量低的能带中都填满了电子，这样被电子填充的能量最高的能带称为价带；而能量高的能带往往是全空或半空的，电子没有填满，这些能带中能量最低的称为导带。导带和价带之间的区域称为禁带。从图中可以看出，电子可以在各自的能带中运动，也可以在各个能带间跃迁，但不能在能带之间的禁带中运动。通常只需取导带底和价带顶组成能带图，如图5-4（b）所示。
c
E v
E 禁带导带
价带
图5-4 （a ）一定温度下半导体的能带, （b ）半导体能带简化示意图 材料的导电率取决于能带结构。导体的导带和价带有相当一部分是重合的，中间没有禁带，在导带中存在大量的自由电子，导电能力强。半导体在低温状态下，导带中一般没有电子或只有极少的电子存在，但由于它的禁带宽度不是很宽，在一定的条件下，价带中的电子可能跃迁到导带成为导带自由电子，同时在价带上留下价带空穴，电子和空穴均可以导电。绝缘体的导带是空的而且禁带很宽，一般情况下，价带中的电子不可能跃迁到导带上，所以绝缘体几乎不导电。图5-5为导体、半导体、绝缘体的能带示意图。表5-1列出了几种主要半导体材料的禁带宽度。
图5-5 导体、半导体和绝缘体的能带示意图
表5-1 几种主要半导体材料的禁带宽度
5.2.3 半导体中的载流子及有效质量
对半导体而言，在绝对零度下，电子被束缚在价带上，半导体中没有载流子。随着温度的升高，价带中的部分电子获得足够的能量可以从价带跃迁到导带，从而在价带中留下一些空状态，可以把价带中的空状态假想为带正电的粒子，称为空穴。当温度高于绝对零度时，价带中的其他电子都可能获得热能。如果一个电子得到了一些热能，它就可能跃入这些空状态，价电子在空状态中的移动可以等价为这些空状态自身的移动。当外加电场时，电子向着电场相反的方向运动，形成电流，称为电子导电；而空穴朝着电场方向运动，同样形成电流，称为空穴导电。这样，半导体导电就是由载流子导带电子和价带空穴的定向漂移形成的。
在外加电场的作用下，半导体中的电子不仅受到外力f 的作用，同时还要受到半导体内部原子和其他电子的平均势场的作用，其运动状态与自由状态不同，电子运动的加速度应该是半导体内部势场和外力同时作用的综合结果。为使晶体中的电子运动能直接用外力来描述，且能遵循牛顿第二定律，用电子的有效质量n m *
来代替电子的质量。则依据牛顿第二定律有
f a m n n =* （5-1） 式中 n a —电子在外力作用下的运动加速度。
研究表明，能带的宽窄不同，电子的有效质量不同。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。因而外层电子在外力的作用下，可以获得较大的加速度。
5.2.4 半导体中的杂质和缺陷能级
理想的晶体结构具有完美的晶格，实际应用的半导体材料总是会出现各种破坏晶格完美性的现象。首先，原子并不是在晶格的格点静止不动，而是在其平衡位置附近振动；其次，半导体材料并不是纯净的，总是本来就含有杂质或为控制半导体材料性质人为掺入杂质；另外实际的半导体材料中有些原子组成晶格时没有按规则排列，形成各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
杂质和缺陷的存在破坏了严格按周期性有规则排列的原子所产生的周期性势场，有可能在禁带中引入允许电子占据的量子态（能级），对半导体材料的性质有非常大的影响。
1、施主杂质、施主能级
以硅中掺入Ⅴ族元素，如以掺入磷（P ）为例，如图5-6所示。每个硅原子有四个价电
子，原子和原子之间以共价键方式结合。磷原子进入半导体硅后，以替位的形式存在，占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围四个硅原子的四个价电子组成四个共价键，还剩一个价电子弱束缚在磷原子核的周围，一旦接受能量，这个价电子很容易挣脱原子核的束缚，从而可以在整个晶体中运动，成为导电电子，磷原子失去电子后成为带正电的磷离子（P +），称为正电中心，正电中心是不能移动的。上述电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，电离过程所需的最小能量就是它的电离能。Ⅴ族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n 型杂质。
用能带图表示就是，掺入的磷在能带中形成施主能级D E ，此能级位于禁带中间，称为杂质能级，如图5-7所示。当电子得到能量D E ?后，就从施主能级上跃迁到导带成为导电电子，所以施主能级D E 位于离导带底D E ?的下方处。
半导体中掺入施主杂质且杂质电离后，导带中的导电电子增多，如果半导体主要依靠导电电子导电，就把这种半导体称为电子型或n 型半导体。
图5-6 硅中的施主杂质 图5-7 施主能级和施主电离
2、受主杂质、受主能级 同样地，以硅中掺入Ⅲ族元素，如掺入硼（B ）为例，如图5-8所示。硼原子进入半导体硅后，也是以替位的形式存在，占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子，当它与周围四个硅原子形成共价键时，还缺少一个价电子，只好从别处的硅原子中夺取一个价电子来形成共价键，于是会在硅晶体的共价键中产生一个空穴。而硼原子在接受一个电子后，成为带负电的硼离子（B -），称为负电中心，负电中心也是不能移动的。空穴由于静电引力作用弱束缚在硼离子的周围，一旦接受能量，空穴就很容易挣脱硼离子的束缚，从而可以在整个晶体中运动，成为导电空穴。上述空穴脱离杂质的束缚成为导电空穴的过程称为受主电离。掺入的杂质电离时能够使价带中的导电空穴增多，称它们为受主杂质或P 型杂质。
用能带图表示就是，掺入的硼在能带中形成施主能级A E ，这个能级也位于禁带中间，同样是杂质能级，如图5-9所示。当空穴得到能量A E ?后，就从受主能级上跃迁到价带成为导电空穴，所以受主能级A E 位于离价带顶A E ?的上方处。
半导体中掺入受主杂质且受主杂质电离时能够使价带中的导电空穴增多，如果半导体主要依靠导电空穴导电，就把这种半导体称为空穴型或P 型半导体。
磷和硼在硅的禁带中形成能级时，电离能D E ?、A E ?远小于g E ，施主能级和受主能级分别靠近导带底和价带顶，称这样的能级为浅能级。由于杂质的电离能很小，一般而言在室温下，施主杂质和受主杂质都能全部电离。
图5-8 硅中的受主杂质 图5-9 受主能级和受主电离
3、深能级杂质、深能级 在半导体硅中掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质后在禁带中形成浅能级，其他各族元素掺入硅后也会在硅中形成能级。如果产生的施主杂质能级距离导带底较远、受主杂质能级距离价带顶较远，即靠近禁带中心，这些能级称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质，如图5-10。室温下深能级杂质基本不电离，而如果电离则能够产生多次电离，在禁带中引入多个能级，这些能级可能是施主能级，也可能是受主能级，还可能同时引入施主能级和受主能级。
图5-10 硅晶体中的深能级
深能级杂质含量一般极少，而且较深，它们对半导体材料的电子和空穴浓度影响没有浅能级杂质显著，但它们对电子和空穴的复合作用比浅能级杂质强，可以成为有效的电子和空穴的复合中心，影响非平衡少数载流子的寿命。
4、缺陷、缺陷能级
理想的晶体是原子有规则地周期性重复排列的完美晶体，没有杂质和缺陷。实际的晶体中存在各种破坏晶体完美性的现象，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。这些缺陷也可能在禁带中引入相应能级，即缺陷能级。
在Ⅳ族元素半导体材料（如硅）中，在一定的温度下硅原子可能挤入晶格原子间的间隙从而成为自间隙原子，原来的位置又成为空位。自间隙原子和空位两种点缺陷主要由温度决定，又称为热缺陷或本征点缺陷。在晶体硅中存在空位时，空位相邻的四个硅原子各有一个不饱和的共价键，这些悬挂键倾向于接受电子，因此空位表现出受主性质；而硅自间隙原子具有四个可以失去的未形成共价键的价电子，可以提供自由电子给晶体硅，表现出施主性质。
线缺陷主要指位错，一般认为位错具有悬挂键，可以俘获或失去电子，可以起受主或施主作用，在禁带中引入缺陷能级。不过也有研究表明，纯净的位错没有电学性质，在禁带中不会引入能级，只是当位错上聚集了金属或其他杂质时，才有可能引入能级。
面缺陷包括了表面和晶界，表面和晶界处都存在大量的悬挂键，也能俘获或失去电子，在禁带中引入缺陷能级，而且往往是深能级。
体缺陷是指三维空间的缺陷，它们和基体的界面往往会产生缺陷能级。
这些缺陷能级和杂质引入的深能级一样，会影响少数载流子的寿命。对于太阳能光电材料而言，则会影响太阳能光电转换效率。因此，太阳能光电材料不仅需要尽量提高纯度，减少杂质能级，而且需要晶体结构尽量完整，减少晶体缺陷，从而提高太阳能光电转换效率。
5.2.5 热平衡下的载流子
在一定的温度下，如果没有外界影响（如电场、光照、温度梯度等），半导体中的电子从热振动的晶格中吸取一定的能量，就可能从低能态跃迁到高能态，如从价带跃迁到导带，从而形成导电的导带电子和价带空穴，这就是本征激发。对于杂质半导体而言，除本征激发外，电子和空穴也可以通过杂质电离的方式产生，如电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子或者电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。同时还存在着相反的过程，即电子也可以从高能态跃迁到低能态，并向晶格中释放出一定的能量，从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少，这一过程称为载流子的复合。在一定温度下，载流子不断产生又不断复合，
最终两个相反的过程之间将建立起动态平衡，称为热平衡状态，此时半导体中导电的电子浓度和空穴浓度都保持在一个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。当温度改变时，热平衡状态被打破，载流子经过一定的产生和复合过程后又将建立起新的热平衡状态，热平衡载流子浓度也随之改变，达到新的稳定数值。
半导体中载流子浓度严重影响着半导体材料的性质，在掺杂浓度一定的情况下，载流子浓度又随温度的变化而变化。计算热平衡下载流子的浓度及其随温度的变化规律，需要知道允许的量子态按能量的分布规律和电子在允许的量子态中分布规律，各量子态上的载流子浓度的总和就是半导体的载流子浓度。
1、状态密度
状态密度就是在能带中能量E 附近每单位能量间隔内的量子态数。每一个能带中包含的能级数与晶体中的原子数N 和孤立原子能级的简并度有关。由于N 是一个十分大的数值，能级又靠得非常近，所以每个能带中的能级基本上可以看作上是连续的。假定在能带中能量E ～()E dE +之间无限小的能量间隔内有dZ 个量子态，则状态密度()g E 可以表示为
()dZ
g E dE = （5-2）
经分析计算，对于球形等能面，导带底附近电子的状态密度()c g E 为
*3/21/23(2)()4()n c c m dZ g E V E E dE h
π==- （5-3） 式中V 为晶体体积，*
n m 为导带底电子有效质量。
价带顶附近空穴的状态密度()v g E 为 *3/21/23(2)()4()p v v m dZ g E V E E dE h
π==- （5-4） 式中*
p m 为价带顶空穴有效质量，图5-11为状态密度与能量的关系。
E ()
v g E ()c g E 能
量E
图5-11 状态密度与能量的关系
2、统计规律
在涉及粒子数目非常多时，我们感兴趣的只是这些粒子作为一个整体的统计学状态，而不是其中某一个粒子的状态。粒子的统计特征可以用粒子所遵循的统计规律来描述。在假设粒子之间不存在相互作用的前提下，通常有三种分布函数用来确定粒子在有效能态中的分布规律。
（1）麦克斯韦-波耳兹曼分布函数。这种分布认为粒子是可以被一一区分开的，而且对每个能态所能容纳的粒子数没有限制。分布函数为
0()exp()F E E f E k T
-=- （5-5） （2）玻色-爱因斯坦分布函数。这种分布认为粒子是全同粒子，不能被一一区分开，不过每个能态所能容纳的粒子数没有限制。分布函数为
01()exp()1F f E E E k T
=-- （5-6） 具有整数（单位是 ）自旋的粒子称为玻色子（例如光子和量子化的晶格振动即声子）。
(3) 费米-狄拉克分布函数。这种分布也认为粒子是全同粒子，不能被一一区分开，而且每个量子态中只允许容纳一个粒子。分布函数为
01()exp()1F f E E E k T
=-+ （5-7） 具有半整数自旋的粒子称为费米子（例如电子、质子、中子、夸克和中微子）。对于费
米分布函数，在T k E E F 0>>-时，)exp(
T
k E E o F ->>1，分母中的1可以忽略，从而费米分布函数可以写为 0()exp()F E E f E k T
-≈- （5-8） 此式称为费米分布函数的波耳兹曼近似，图5-12中显示了费米分布函数和波耳兹曼近似，可以看出近似适用的能量范围。
F
图5-12 费米-狄拉克分布函数和波耳兹曼近似
3、费米分布函数
从大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子出现在不同能量的量子态上有一定的统计分布概率，也就是说，电子要按照能量的大小遵循一定的统计分布规律来分布。根据量子统计理论，电子是一种全同费米子，分布中的电子是不可分辨的，而且要满足泡利不相容原理，每个量子态上只能容纳一个电子，电子的分布遵循费米统计规律。对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率()f E 为
01()1exp()F f E E E k T =
-+ （5-9）
式中，0k 是玻耳兹曼常数，T 是热力学温度，F E 是费米能级或费米能量。
费米能级F E 是一个待定的参数，具有能量的量纲。
()f E 是电子的费米分布函数，它描述的是热平衡状态下电子在允许的量子态上分布规律的统计分布函数，也可以用来表示被电子填充的量子态占总量子态的比率。只要知道了费
米能级F E 的数值，在一定温度下，电子各量子态上的统计分布就完全确定了。
在绝对零度时，若F E E <，则()1f E =；若F E E >，()0f E =。这说明在绝对零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为100％，因而这些量子态上都是有电子的；而能量比F E 大的量子态被电子占据的概率为0，因而这些量子态上没有电子，是空的。因此费米能级可看成是量子态是否被电子占据的一个界限。
当T>0K 时，若F E E <，则()1/2f E >；若F E E =，则()1/2f E =；若F E E >，则()1/2f E <。由图5-13可知，当系统的温度高于绝对零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率大于50％且随能级的升高逐渐减少；能量比F E 大的量子态被电子占据的概率小于50％且随能级的升高逐渐增大。费米能级的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，费米能级位置较高，说明能量较高的量子态上有较多的电子占据，因此可以说，费米能级是电子填充能级水平高低的标志。
F E ()
f E
图5-13 不同温度下的费米分布函数与能量的关系
如果把电子系统看作一个热力学系统，费米能级实际上就是电子系统的化学势μ，它是平衡系统的热力学参数。在包括导带、价带、施主和受主的整个电子系统处于热平衡状态时，系统应该有统一的化学势，所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级。如果系统中子系统各具有自己的化学势且彼此不相等时，这是一个准平衡状态。这时包括各子系在内的整个系统的自由能并未达到最低值，系统并未达到平衡（平衡时要求系统的自由能最低）。系统达到平衡的过程就是电子由化学势高的子系向化学势低的子系转移的过程，平衡时各子系的化学势相等，即系统具有统一的费米能级。这个结论非常重要，对于处于准平衡的各子系来说，子系的准费米能级的差异是电子在子系间转移的动力，电子的转移一直要到系统有统一的费米能级才会停止。
()f E 表示能量为E 的量子态被电子占据的概率，因而1()f E -就是能量为E 的量子态未被电子占据的概率，也就是量子态被空穴占据的概率，即
011()1exp()F f E E E k T
-=-+ （5-10） 4、导带电子浓度和价带空穴浓度
经过研究和推算得到，电子在导带中的浓度为
00exp()c F c E E n N k T
-=- （5-11） 式中，c E 是导带底，c N 是导带的有效状态密度。由下式可求得
*3/2
03
(2)2n c m k T N h π= （5-12） 同样，空穴在价带中的浓度为
00exp()F v v E E p N k T
-=- （5-13） *3/2
03
(2)2p v m k T N h π= (5-14) 由以上几式可以看出，导带中的电子浓度和价带中空穴浓度主要取决于温度和费米能级，而费米能级则与温度和半导体材料中的杂质种类和杂质浓度有关。如果将电子浓度和空穴浓度相乘，其乘积为
)exp()exp(0000T
k E N N T k E E N N p n g v c v c v c -=--= （5-15） 可见，对一定的半导体材料，在给定温度下，电子和空穴浓度的乘积是一个不依赖于杂质浓度的常数，因此引入少量适当的杂质而使0n 增大，那么必然会使0p 减少。这个结果在实践中的应用是通过杂质补偿作用来控制载流子浓度。
5、本征半导体载流子浓度
本征半导体是指完全没有杂质和缺陷的半导体，本征半导体的禁带中没有任何杂质或缺陷能级。在热力学温度零度时，价带中的全部被电子占据，导带中则完全是空的。当半导体的温度升高时，就有电子从价带激发到导带中去，这就是所谓的本征激发。本征激发过程中，
每激发一个电子到导带中去，就有一个空穴在价带中形成，电子和空穴是成对产生的。于是热平衡状态下导带电子的浓度必然等于价带空穴的浓度，即
00n p = （5-16）
由于电子和空穴带有等量异号电荷，（5-16）式就是本征激发时的电中性条件。
将（5-11）式和（5-13）式代入（5-16）式，可以求出本征半导体的费米能级，并用i E 表示
00exp()exp()c F F v c v E E E E N N k T k T
---
=- （5-17） 解得本征费米能级 0ln 22c v v i c
E E k T N E N +=+ （5-18） 将c N 、v N 表达式代入（5-18）式得
*0*3ln 24p c v i n
m E E k T E m +=+ （5-19） 式中第2项一般比第1项小得多，一般可以认为本征半导体的费米能级i E 基本上处于禁带的中央。
把本征费米能级代入，可以求得本征载流子浓度
1/2**3/43/202002()exp()2()()exp()22g
g i c v n p E E k T n N N m m k T h k T
π=-=- （5-20） 可以看出，本征载流子浓度只与半导体自身的禁带宽度和温度有关，一定的半导体，本征载流子浓度随温度的上升而迅速增加；不同的半导体材料，在温度一定时，禁带宽度越大，本征载流子浓度就越小。
将（5-16）式和（5-20）式相比较可以得到一个重要的关系式
200i n p n = （5-21）
此式称为质量作用定律，在热平衡状态下此式对于本征半导体和非简并的杂质半导体（非本征半导体）都适用。在非本征半导体中，不管是电子占主导还是空穴占主导，两种载流子的乘积将保持定值。
利用i n 和i E ，也可以把电子和空穴浓度写成如下形式
00e x p ()F i i E E n n k T -= 或 00l n ()F i i
n E E k T n -= （5-22） 00exp(
)i F i E E p n k T -= 或 00l n ()i F i p E E k T n -= （5-23） 可以看到，当加入施主或受主杂质时，费米能级会偏离本征费米能级，0n 和0p 也偏离了本征载流子浓度i n 。
6、掺杂半导体的载流子浓度
实际应用的半导体材料，为了控制电学性能，需要在本征半导体中掺入一定量的杂质。杂质半导体中既有电子从价带跃迁到导带的本征激发过程，也有电子从价带跃迁到受主能级和从施主能级跃迁到导带的杂质电离过程。杂质的电离能比禁带宽度小很多，所以杂质的电离和半导体的本征激发发生在不同的温度范围。在较低的温度下，首先发生的是杂质的电离；随着温度的升高，杂质的电离不断加强，载流子浓度不断增大，当达到一定的浓度时，杂质达到饱和电离，此温度区域称为杂质电离区；此时本征激发还是很弱，不影响总的载流子浓度。当温度进一步上升，本征激发依然很弱，载流子浓度主要由杂质浓度决定，基本上在一段长的温度范围内保持恒定，称为非本征区。当温度进一步上升，达到某一个值时，本征载流子浓度可与施主浓度相比拟，半导体的载流子浓度由电离杂质浓度和本征载流子浓度共同决定，此温度区间为本征区。n 型硅自由电子浓度与温度的关系曲线如图5-15所示。绝大多数半导体器件都是工作在杂质饱和电离而本征激发可以忽略的非本征区，此时载流子浓度主要由电离杂质浓度决定。
图5-15 n 型硅电子浓度与温度的关系曲线
（1） n 型半导体
在室温下，施主杂质基本上饱和电离。在完全电离的情形下，导带电子浓度就等于施主杂质浓度，即
0D n N ≈ （5-24）
式中，D N 为施主杂质浓度。
导带中的电子和施主离子二者浓度非常接近。本征激发提供的电子相对于杂质电离提供的电子来说可以忽略，不过还是在价带中形成了一定数量的空穴，其浓度为
2200i i D
n n p n N == （5-25） n 型半导体在饱和电离情形下的费米能级
0ln c F c D
N E E k T N =- （5-26） 0ln
D F i i N
E E k T n =+ （5-27） 由此可见，n 型半导体中随着施主杂质浓度的增加，费米能级向导带移动；随着温度的升高，费米能级逐渐偏离导带底，靠近禁带中央。
（2） p 型半导体
在室温下，受主杂质也基本上饱和电离。在完全电离的情形下，价带空穴浓度就等于受主杂质浓度，即
0A p N ≈ （5-28）
式中，A N 为受主杂质浓度。
同样，价带中的空穴和受主离子二者浓度非常接近。本征激发提供的空穴相对于杂质电离提供的空穴来说可以忽略，不过在导带中还是形成了一定数量的电子，其浓度为
2200i i A
n n n p N == （5-29） n 型半导体在饱和电离情形下的费米能级
0ln v F c A
N E E k T N =+ （5-30）
0ln A F i i
N E E k T n =- （5-31） 由此可见，p 型半导体中随着受主杂质浓度的增加，费米能级向价带移动；随着温度的升高，费米能级逐渐偏离价带底，靠近禁带中央。
7、载流子的补偿
半导体同时含有施主杂质和受主杂质时，施主杂质能级上的电子首先要跃迁到能量低得多的受主杂质能级上去，产生补偿，其结果是施主向导带提供电子的能力和受主向价带提供空穴的能力因相互抵消而减弱，如图5-16所示。这种现象称为载流子的补偿。存在载流子补偿的半导体中，即使在极低的温度下，浓度小的杂质也全部都是电离的。
图5-16 杂质的补偿作用
在D A N N >的半导体中，全部受主都是电离的。在杂质饱和电离的温度范围内，导带中电子浓度为
0D A n N N =- （5-32）
价带中空穴浓度为
2200i i D A
n n p n N N ==- （5-33） 相应的费米能级为
0ln c F c D A
N E E k T N N =-- （5-34） 0ln
D A F i i N N
E E k T n -=+ （5-35） 同样，对于D A N N <的半导体，有
0D A p N N =- （5-36）
2200i i A D
n n n p N N ==- （5-37） 相应的费米能级为
0ln v F v A D
N E E k T N N =+- （5-38） 0ln
A D F i i N N E E k T n -=- （5-39） 如果D A N N =，则全部施主上的电子恰好使受主电离，能带中的载流子只能由本征激发产生，这种半导体被称为完全补偿的半导体。
5.2.6 直接能隙半导体和间接能隙半导体
在半导体材料中，根据电子从价带跃迁到导带的行为可分为直接能隙半导体和间接能隙半导体。在直接能隙半导体中，价带中的载流子吸收一个光子，同时产生一个电子和一个空穴。光子的最小能量等于E g ，如图5-17（a ）所示。在间接能隙晶体中，价带中的载流子吸收一个光子，同时产生一个电子、一个空穴和一个声子，声子的能量为hΩ(Ω为声子频率)，且能量hΩ=0.01~0.03eV 。则光子的最小能量等于E g +hΩ，如图5-17（b ）所示。
g
E 导带价带f
E i
E 光子吸收
图5-17（a ）直接能隙
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
第0章半导体概述 电阻率P 介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数T 半导体 第1章 半导体中的电子状态 共价键：由同种晶体组成的元素半导体，其原子间无负电性差，它们通过共用一对自旋相反而 配对的价电子结合在一起。 共价键的特点：1、饱和性 2 、方向性 共有化运动：电子由一个原子转移到相邻的原子去 ，因而，电子将可以在整个晶体中运动。 孤立原子中的电子状态： 主量子数n:1,2,3, ....... 角量子数I : 0, 1, 2,???(n — 1) 磁量子数ml : 0,± 1 ,± 2,…±1 自旋量子数 ms ± 1/2 波函数：描述微观粒子的状态 波矢k 描述晶体中电子的共有化运动状态 布里渊区的特征： (1) 每隔1/a 的k 表示的是同一个电子态； (2) 波矢k 只能取一系列分立的值，每个k 占有的线度为1/L ； 本征激发：当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程 物质的能带可分为价带、禁带和导带三部分，导带和价带之间的空隙称为能隙。由于能带结 构不同，在导电特性上就有了导体、绝缘体、半导体。 导体：通常指电阻率＜ 10 4 - *cm 的物质。金属和合金一般都是导体，如铝、金、钨、铜、镍 铬等。能带能隙很小或为0,在室温下电子很容易获得能量而跃迁至导带而导电。 绝缘体：通常电阻率＞ 10°门*cm 物质。如SiO2、SiON 、Si 3N 4等。能带能隙很大，可达到 9V ，电子很难跳跃至导带，所以无法导电。 薛定谔方程：决定粒子变化的方程
半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间，能隙一般约为 1- 3 V ,只要给予适当条件的能量 激发，或是改变其能隙之间距就能导电。如硅为 1.12eV ，锗为0.67eV ，砷化傢为1.43eV ， 所以它们都是半导体。 空穴：将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用 禁带宽度Eg 随温度增加而减小。 多能谷结构：锗、硅的导带分别存在四个和六个这种能量最小值，导带电子主要分布在这些 极值附近。 间接带隙半导体：硅和锗的导带底和价带顶在 k 空间处于不同的k 值。 第2章 半导体中的杂质和缺陷能级 根据杂质能级在禁带中的位置，将杂质分为： 浅能级 杂质—能级接近导带底Ec 或价带顶Ev ; 深能级杂质—能级远离导带底Ec 或价带顶Ev 。 施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带 Ec 成为导带电子，该杂质电离后成为正电 中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。 施主电离能：厶E D 二E C -E D 受主杂质：束缚在杂质能级上的空穴被激发到价带 Ev 成为价带空穴，该杂质电离后成为负电 中心（负离子）。这种杂质称为受主杂质。 受主电离能：△ EA=EA-EV 掺施主的半导体的导带电子数主要由施主决定， 导电的载流子主要是电子（电子数 >>空穴数）， 对应的半导体称为N 型半导体。称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称 少子。 杂质的补偿作用：杂质的补偿，既掺有施主又掺有受主：补偿半导体 ⑴N D N A 时n 型半导体（2） N A N D 时p 型半导体（3） N A N D 时杂质的高度补偿 深能级杂质特点： 多为替位式杂质 m n 电子有效质量
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
半导体芯片封装之贴片键合概述 作者：聂仁勇海太半导体(无锡)有限公司 引言 半导体芯片封装是指利用精密焊接技术，将芯片粘贴并固定在框架或PBC板等基座上，并通过金丝、铜丝、铝丝或其他介质将芯片的键合区与基座连接起来，再用绝缘材料将它们保护起来，构成独立的电子元器件的工艺。 半导体芯片封装的目的，在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为它提供一个发挥半导体芯片功能的良好工作环境，以使之稳定、可靠、正常地完成相应的功能。但是芯片的封装只会限制而不会提高芯片的功能。在这样的情况下，全世界都在努力研究并并不断推出新的封装形式，以最大限度地发挥半导体芯片尤其是半导体集成电路本应有的功能，减小因封装对芯片功能产生的影响。半导体芯片封装流程可以分为“前道”流程和“后道”流程两部分。其中，“前道”流程包括贴片（Die Bonding）和键合（Wire Bonding）两道工序，是整个半导体芯片封装流程中至关重要的两道工序，它们决定了整个封装流程的成败；“后道”流程则包括塑封、后固化、高温贮存、去飞边、浸锡（电镀）、切筋（打弯）、测试分类、mark、包装等工序，“后道”流程中测试分类也是比较重要的一道工序，它决定了产品的“去留”。本文将着重介绍贴片和键合这两道工序。 贴片（Die Bonding） 贴片（Die Bonding），是将半导体芯片固定于基板或引线框架的Pad上的工艺工程。装片需要选择与芯片相匹配的基座或Pad的引线框架，因为若基座或Pad太大，则会使内引线宽度太大，在“后道”塑封过程中会由于塑封体流动产生的应力而造成内引线断裂、塌丝等现象，从而导致TEST 不良品增多。 另外，为了形成良好的装片成品率，还需要完善的工艺要素与之相配合，主要包括：温度、时间、气氛、压力等几种因素。
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
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
1.基本概念： 集成电路：是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体有源器件、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的电路。集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。 多项目晶圆技术：多项目晶圆就是将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆片上流片，制造完成后，每个设计可以得到数十片芯片样品，这一数量对于原型设计阶段的实验、测试已经足够。而该次制造费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊，成本仅为单独进行原型制造成本的5%-10%，极大地降低了产品开发风险、培养集成电路设计人才的门槛和中小集成电路设计企业在起步时的门槛。 无生产线集成电路设计： 代工厂：加工厂的铸造车间，无自己产品。优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务。 2.微电子的战略地位：对人类社会的巨大作用 3.集成电路分类： 按器件结构类型分类：①双极集成电路②金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路 ③双极-MOS(BiMOS)集成电路 按集成度分类：①小规模集成电路②中规模集成电路③大规模集成电路 ④超大规模集成电路⑤特大规模集成电路⑥巨大规模集成电路按使用的基片材料分类：①单片集成电路②混合集成电路 按电路的功能结构分类：①数字集成电路②模拟集成电路③数模混合集成电路按应用领域分类：①标准通用集成电路②专用集成电路 4.集成电路按规模划分经历了哪几代？遵循什么定律？ 小规模集成（SSI）→中规模集成（MSI）→大规模集成（LSI）→超大规模集成电路(VLSI) →特大规模集成电路(ULSI) → GSI(巨大规模集成) →SoC(系统芯片)。 摩尔定律：集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍。 5.IC（集成电路）、VLSI(超大规模集成电路）、ULSI(特大规模集成电路） 6.高K介质： 问题：90 nm工艺之前，晶体管之间的电流泄露问题并不是很严重，因为晶体管之间有较长的间距。但随着特征尺寸减小，不同晶体管间距变得很短，电流泄露现象变得异常严重，为了抵消泄露电流，芯片不得不要求更大的供电量，造成的直接后果就是芯片功耗增加。无论英特尔还是AMD（超微半导体），90纳米工艺制造的产品都没有在功耗方面表现出应有的优势，而按照惯例，每次新工艺都会让同型芯片的功耗降低30%左右。 解决：采用高K值的氧化物材料来制造晶体管的栅极，英特尔称之为“高K门电介
《半导体器件导论》 第4章载流子输运和过剩载流子现象 例4.1 计算给定电场强度下半导体的漂移电流密度。T＝300K时，硅的掺杂浓度为N d＝106cm，N a＝0。电子和空穴的迁移率参见表4.1。若外加电场强度ε＝35V cm ?，求漂移电流密度。 【解】 因为N d＞N a，所以在室温下，半导体是n型的。若假设掺入杂质完全电离，则 n≈N d=1016cm?3 少数载流子空穴的浓度为 P=n i 2 n =(1.5×1010) 2 1016 =2.25×104cm?3 既然n?p，漂移电流密度 J drf=e(μn n+μp p)ε≈eμn nε 因此 J drf=(1.6×10?19)(1350)(1016)(35)=75.6A cm2 ? 【说明】 在半导体上施加较小的电场就能获得显著的漂移电流密度。这个结果意味着非常小的半导体器件就能产生mA量级的电流。 例4.2 确定硅在不同温度下的电子和空穴迁移率。利用图4.2分别求出以下两种情况载流随机热速度增加子的迁移率。 (a) 确定(i)N d＝1017cm?3，Τ＝150℃及（ii）N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时的电子迁移率。 (b) 确定(i)N a＝1016cm?3，Τ＝50℃及（ii）N a＝1016cm?3，Τ＝150℃时的空穴迁移率。【解】 由图4.2可知： （a）（i）当N d＝1017cm?3，Τ＝150℃时，电子迁移率μn≈500cm2V?s ?； （ii）当N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时，电子迁移率μn≈1500cm2V?s ?。 （b）（i）当N a＝1016cm?3，Τ＝50℃时，空穴迁移率μp≈380cm2V?s ?； （i）当N a＝1017cm?3，Τ＝150℃时，空穴迁移率μp≈200cm2V?s ?。 【说明】 由本例可见，迁移率随温度升高而降低。 例4.3 为了制备具有特定电流—电压特性的半导体电阻器，试确定硅在300K时的掺杂浓度。考虑一均匀受主掺杂的条形硅半导体，其几何结构如图4.5所示。若外加偏压为5V时，电流为2mA，且电流密度不大于J drf＝100A cm2 ?。试确定满足条件的截面积、长度及掺杂浓度。 图4.6 硅中电子浓度和电导率与温度倒数的关系曲线（引自S ze[14]） 【解】 所需截面积为
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
姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日
半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，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“杂质工程”发展到“能带工程”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在10-3～ 109欧·厘米范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，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。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]
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
半导体研究文献综述 学院：材料科学与工程学院专业：材料化学 班级：材料122 姓名：刘田防 学号：2012141009
半导体材料的研究综述文献综述 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 一、该领域的研究意义 物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、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。与导体和绝缘体相比，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。 本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带（见能带理论），受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个
带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，空穴导电并不是电子运动，但是它的运动可以将其等效为载流子。空穴导电时等电量的电子会沿其反方向运动。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，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。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，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。 20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，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“杂质工程”发展到“能带工程”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 二、该领域的研究背景和发展脉络 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）、
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，
自从50年代，硅晶闸管问世以后，50多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力，并以取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1KHZ以上。70年代中期，大功率晶体管和功率MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅双极晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的集成性能，MOS门控晶体管的改进，以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。 瑞士ABB半导体公司是ABB集团的全资子公司，是世界上最著名的大功率半导体生产商之一。西安赛晶电子科技责任有限公司是瑞士ABB 半导体公司在中国的首家代理，本公司在为客户提供先进的大功率半导体器件的同时，以西安电力电子技术研究所为其坚强的技术后盾，为客户提供较强的技术支持和服务。 一大功率半导体器件的最新发展 1．普通晶闸管(PCT) PCT自问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC，静止无功补偿（SVC），大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 2、门极可关断晶闸管(GTO) 1982年日本日立公司首先研制成功2500V,1000A的GTO。许多的生产商可提供额定开关功率36MVA(6000V,6000A)用的高压大电流GTO。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增量仅为3-5。GTO关断期间的不均匀性使GTO关断期间dv/dt必须限制在 500-1000v/μs。为此,人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感兴趣。到目前为止，传统的GTO在高压（VBR>3300V）/大功率（0.5-20MVA）牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍得门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步代替PCT。为了满足电力系统对1兆VA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很可能开发10，000A,12,000V的GTO,并可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统应用方面再上一个台阶。 3、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
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
硫及金属硫化物-类石墨相氮化碳纳米复合材料的制备，表征及其光催化性能的研究
第一章绪论 自18世纪60年代的第一次工业革命到现在以来，科学技术迅猛发展、日新月异。工业革命（第一次科技革命）以瓦特的蒸汽机的发明为标志，宣告了人类社会由原来的火器时代，进入到了蒸汽时代。第二次科技革命发生在19世纪70年代，在这个时期，自然科学取得了飞速的进展，由于资本主义制度的逐渐形成和完善，资本主义国家为了生存和发展，开始了大量的对世界资源进行掠夺。两次工业革命对然建立了世界的初步两极格局，但是两次科技革命的功劳还是不容忽视的，它们推动了传统的农业，手工业向现代化工业以及机器化工业的飞速发展，并且带给了人类社会巨大的物质财富，在资本主义国家逐利的对外扩张过程中，不可否认的是它们的争斗促进了人类文明的进步和繁荣。但是，当资本家们在大力发展社会生产力，提高生活水平的同时，对环境也造成了严重的破坏，至今，已严重威胁着我们所处在的的生存环境。 特别是在进入20世纪50年代之后的第三次科技革命；随着工业现代化进程的加快，人类向所生存的环境排放了大量的生产废水、废气，它们其中含有大量的有毒污染物如医用药品、农药、工业染料、表面活性剂和含有重金属离子的溶液等，含有上述物质的这些废水给人类的健康和生存环境带来巨大的威胁。而且在上述这些污染物中，用传统的处理方法很难将其完全消灭和降解。废水中的很多有机化合物能使水中的厌氧微生物发生异变，从而产生明显的毒害作用；所以必须创造出一些其它的非生物的降解技术来除去这些有机化合物[1-3]。因此，开发一种简便、有效、快捷、无害的方法来治理水体污染和大气污染是当前社会一个亟待解决的问题。并且，社会现代化的发展需要消耗大量的能源，据专家分析，传统的化石能源已经不能继续维持人类社会的长期发展，而且传统的化石能源的使用是当前引发严重环境问题的万恶之源。所以，环境问题和能源问题是21世纪可持续发展战略的两大亟待解决的严重问题。