ZnO半导体材料及器件
【摘要】在过去的十多年时间里里,ZnO作为半导体具有独特的性质而倍受瞩目和广泛研究。例如，ZnO具有较高的电子迁移率，是直接带隙半导体，具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。在光电器件的应用上，ZnO已经被认为是一种很有潜力的材料，而制造高质量的p型ZnO是实现其应用的关键。由本征缺陷或者氢杂质引起的较强的自补偿效应使得通过掺杂来制得p型ZnO半导体非常困难。尽管如此，通过研究者们的努力，在制备高质量的p型ZnO半导体和基于ZnO的器件上已经取得了很大的进步。
【关键词】p型ZnO；ZnO器件
1997年D. M. Bagnall等人在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射[1]。美国Science杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对该结果作了报道.由此，掀起了对ZnO的研究热潮。D. M. Bagnal等利用等离子体增强分子束外延在蓝宝石的（0001）衬底上生长的ZnO 薄膜，在室温下、阈值激励强度为240kW cm-2的条件下发出了激光（见下图）。
一、ZnO的性质
（1）ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料，其晶体结构与GaN一致，晶格常数与GaN的非常接近，在电子和光电子器件应用方面具有很多吸引人的特征与优点。
（2）ZnO的直接带隙很宽（Eg~3.37 eV 在300 K下），与GaN的相当（Eg~3.4 eV 在300 K下）。而GaN已经广泛应用于制作绿光、蓝光以及白光发光器件。
（3）室温下ZnO的激子束缚能高达60meV，是GaN(约24meV)的2倍，也比室温热离
化能(25meV)高许多，激子复合可以在室温下稳定存在，也可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发射，且激射阂值比较低。如此高的激子束缚能能够提高发光效率。
（3）通过掺杂Cd或者Mg,ZnO的禁带宽度（Eg~3.37 eV）可以有效地在3~4.5eV之间调整.
（4）ZnO薄膜可以大面积、均匀地生长在多种衬底上，这样就具有更加广泛的应用范围，而GaN薄膜只能生长在一些如SiC、蓝宝石、Si等特定的衬底上。而且，ZnO可以生长在同质衬底上，而GaN不行。
（5）ZnO可以在相对较低的温度下生长，所使用的衬底多种多样，既可以生长在单晶衬底(如ZnO、蓝宝石A12O3、Si等)上，也可以生长在非晶衬底(如玻璃、塑料等)上。高质量的ZnO薄膜的生长温度大约为500℃，远低于GaN（>1000℃）
（6）ZnO还具有更加简单的晶体生长工艺，因此基于ZnO器件的成本也将更加低廉。
（7）ZnO单晶中电子的室温霍尔迁移率在所有的氧化物半导体材料中是最高的，约为200 cm2V-1s-1，略小于GaN的电子迁移率，但其饱和速率却比GaN的高。
（8）除了体单晶和薄膜之外，ZnO的纳米结构异常丰富，纳米结构的高比表面积使之非常适合应用于传感与探测领域。
（8）ZnO具有良好的抗辐射性能，因而可以在太空或核应用等恶劣的环境下工作。此外，ZnO还具有热稳定性高、生物兼容性好、带隙宽度调节的合金体系(ZnMgO和ZnCdO)完备、体单晶易得、刻蚀工艺简单等优点，而且原料丰富、价格低廉、无毒无污染，是一种绿色环保型材料。基于以上特性，ZnO被认为是新一代的光电半导体材料，具有广阔的应用前景，在全球范围内掀起了研究热潮。
下表是ZnO和GaN性质的对比：
二、p型ZnO生长技术
ZnO材料由于存在大量的本征缺陷以及杂质的自补偿效应,使得原生的ZnO材料表现为n型导电,实现可重复稳定高效低阻的p型ZnO薄膜具有较大的挑战性。为了实现ZnO在光电器件上的应用，研究人员已经用了多种生长方法去获得低电阻率的p型ZnO材料，比如
脉冲激光沉积法（PLD），分子束外延（MBE），金属有机化学沉积（MOCVD），磁控溅射等。
1.MBE
F. X. Xiu等首次用分子束外延（MBE）制备了掺杂Sb的p型ZnO薄膜[2]。室温下，其电阻率低至0.2Ωcm（见下图），并且具有高达1.7×1018cm-3的空穴浓度和20.0cm2/Vs的Hall迁移率。下图显示了Hall迁移率μＨ随着温度的变化，插图是电阻率随着温度的变化曲线。在40K，测得的μＨ值为1900.00cm2/Vs，而在300K，测得的μＨ值为20cm2/Vs。他们还测量了不同温度下的PL谱，从中得出Sb掺杂的受主能级大约比价带高0.2eV。以上的实验结果说明，制备p型ZnO，Sb是非常好的掺杂剂。
2.MOCVD
Yen-Chin Huang等人采用在大气压下MOCVD，在GaAs(100)衬底上制备ZnO薄膜[3]，他们分别用二乙基锌（C4H10Zn)和去离子水作为锌源和氧源，然后在不同的温度下（500~650℃）下退火处理。下图展示了电阻率，Hall迁移率以及空穴浓度随着ZnO膜退火温度不同而变化。从图中可看出制备的p型ZnO膜的电阻率很低，在数量级在10-2Ωcm；迁移率在25~74cm2/Vs左右；退火后的ZnO膜的空穴浓度在4.7×1018cm-3~8.7×1018cm-3之间。这些数据表明制备的p型ZnO的质量比较高。
下图显示了未退火和分别在500、550、600、650℃下退火的ZnO膜,在室温下测得的PL谱。显然，光致发光强度在很大程度上取决于退火温度。从图中可以看出，未退火和在500℃下退火的样品显示很弱的近带边发射光谱强度。
三、ZnO器件
1.基于p型ZnO的LED
?在2005年日本人Tsukaza 等发表在nature materials上的一篇文章，报道了基于N掺杂的p型ZnO的LED发射紫光[4]。ZnO薄膜和LED是用N作为p型掺杂的分子束外延（MBE）制备的。
下图（a)是该LED的结构示意图这个器件中掺N的p型ZnO的空穴浓度是2×1016cm-3。图(b)是这个器件的I-V曲线，其阈值电压为7V，从图中可看出该器件具有较好的整流特性。图(c)蓝线是这个p-i-n结的电致发光谱（EL），从紫光到蓝光区域具有多级反射干涉边，与本征ZnO薄膜的激子发射（3.2eV,紫外光）相比，它显示了一个红移现象。产生这个现象的部分原因是在p型ZnO中较低的空穴浓度：从本征ZnO层到p型ZnO层的电子注入超过从p型ZnO层到本征ZnO的空穴注入。黑线是p型ZnO薄膜在300K下的光致发光谱（PL），与EL谱中的副主峰吻合的很好。这篇文章说明ZnO是一个很有潜力的制作短波光电器件的材料，比如LED显示器、固态照明和光电探测器等。
(a)典型p-i-n结LED的结构(b)这个p-i-n结的I-V特性曲线
(c)这个p-i-n结的EL谱（蓝线），p型ZnO薄膜在的PL谱（黑线），300K
他们的实验结果证明了利用分子束外延生长出了高质量的ZnO外延层，这个高质量的外延层可以用来制作基于ZnO的发光器件。
?2006年,韩国研究人员Jae-Hong Lim等在AM上发表了的一篇文章[5]，他们在蓝宝石衬底上用射频磁控溅射方法制备了ZnO p-n同质结。其结构和EL发光谱如下图所示。
n型ZnO膜利用ZnO：Ga2O3作为靶材溅射得到，厚度约为1.5微米。p型ZnO通过ZnO：P2O5作为靶材溅射得到，厚度约为400nm。结果显示，Ga掺杂ZnO载流子浓度约为2.2×1018cm-3，磷掺杂的ZnO载流子浓度为1.0×1019cm-3。在正向偏压注入电流为20mA时，可以观测到明显的紫外发光和可见光发光。随着注入电流的增大，紫外发光和可见发光都增强。电致发光和光致发光的发光峰位置基本一致，说明在p型ZnO 薄膜中实现了有效的电子空穴对的复合。
ZnO同质结器件结构
EL光谱
2.基于p型ZnO的ＬＤ
在2011年，Sheng Chu在Nature Nanotechnology上报道了n型ZnO薄膜p型ZnO纳米棒同质结中的电泵浦F-P模激射[6]。其制备流程如下:首先在蓝宝石衬底上利用等离子辅助
的分子束外延方法生长了一层1050nm厚度的高质量氧化锌薄膜层；而后利用气相传输法在n型ZnO薄膜上外延生长了Sb掺杂的p型ZnO纳米线,该纳米线长度约3.2微米,直径约200nm。他们首先利用光泵浦技术实现了该纳米棒中的光泵浦激射,在此基础上将上述同质结结构制备成发光二极管器件。首先在n型ZnO薄膜上制备了Au/Ti(100nm/10nm)接触电极,而后在ZnO纳米棒上制备了ITO透明电极,为了防止ITO电极和纳米棒底部的n型ZnO薄膜直
接
接
触
,
在
Z
n
O
纳
米
棒
上
利
用
旋
涂
技
术
旋
PMMA薄膜,使得PMMA绝缘聚合物填塞ZnO纳米棒之间的空隙。器件结构图如下图(a)所示,b 是他们制备的样品的照片。从图c中可以清晰地看到p型ZnO纳米棒阵列,其底部即为ZnO 薄膜。
(a)ZnO基激光二极管的结构示意图；(b)样品照片；(c)ZnO薄膜和纳米线阵列的横截面SEM；
下图显示了在注入电流为20~70mA之间，这个激光二极管的电致发光（EL）谱。在低的注入电流下（20~40mA），只能观察到集中在~385nm处的自由激子自发辐射。在正向注入电流为50mA时,观察到了ZnO纳米棒c轴方向F-P模式的激射。进一步增加注入电流的大小，激发了更多的纳米线产生激光，从而增加了发射激光峰的数量。
(a)注入电流为20~70mA时的电致发光图谱；(b)与电致发光图谱相对应的断面光学显微镜图片
四、总结
尽管制备p型ZnO很困难，但是在过去的十几年时间里，在制备p型ZnO和其器件方面还是取得了很大成就。基于p型ZnO材料的多种器件已经被制备出来，有些器件的性能甚至已经达到了基于GaN器件的水平。但是，为了使ZnO更好地实现商业化用途，还是有很多问题值得去更进一步研究。
（1）制备高空穴浓度、高迁移率以及低电阻率的p型ZnO。这需要我们更好地控制缺陷自补偿效应，提高受主掺杂剂在ZnO中的溶解度。
（2）深入了解在ZnO中p型掺杂的机制。这有助于我们找到在ZnO中实现高水平掺杂的方法。
（3）制备基于ZnO的高质量的p-n结。对于光电器件，p-n结需要有较好的截止电压和开启电压。
（4）p型ZnO 的带隙工程。对于一些光电器件（如LED、LD等）来说，量子阱结构非常重要，而且量子阱可以通过带隙工程实现。因此，为了得到实用的基于ZnO的器件，我们需要进一步研究，通过在p型ZnO中掺杂MgO、BeO或者CdO来调整其带隙宽度。
参考文献
【1】D. M. Bagnall, Y. F. Chen, Z. Zhu, T. Yao, S. Koyama, M. Y. Shen, and T. Goto. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. [J].Appl. Phys. Lett.70(17), 28 April 1997.
【2】F. X. Xiu, Z. Yang, L. J. Mandalapu, D. T. Zhao, J. L. Liu, and W. P. Beyermann．High-mobility Sb-doped p -type ZnO by molecular-beam epitaxy．APPLIED PHYSICS LETTERS87, 152101 （2005）．
【3】Yen-Chin Huang, Li-Wei Wei, Wu-Yih Uen，?Shan-Ming Lan, Zhen-Yu Li, Sen-Mao Liao,Tai-Yuan Lin, Tsun-Neng Yang.Annealing effects on the p-type ZnO films fabricated on GaAs substrate by atmospheric pressure metal organic chemical vapor deposition.[J] Journal of Alloys and Compounds509 (2011) 1980–1983
【4】A TSUSHI TSUKAZAKI, AKIRA OHTOMO et al. Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO.[J]nature materials |VOL 4 | JANUARY 2005 |
【5】Jae-Hong Lim, Chang-Ku Kang, Kyoung-Kook Kim,Il-Kyu Park,Dae-Kue Hwang, and Seong-Ju Park*.UV Electroluminescence Emission from ZnO Light-Emitting Diodes Grown by High-Temperature Radiofrequency Sputtering.[J]Adv. Mater.2006,18, 2720-2724
【6】Sheng Chu1?, Guoping Wang1?, Weihang Zhou2, Yuqing Lin3, Leonid Chernyak3, Jianze Zhao1,4,Jieying Kong1,LinLi1,JingjianRen1and Jianlin Liu1*.Electrically pumped waveguide lasing fromZnO nanowires.NA TURE NANOTECHNOLOGY| VOL 6 | AUGUST 2011 |
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
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
第二章 1 普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到什么作用？此时又有几种相？ 答：3相；砂子、碎石、水泥浆；增强作用；4。 2 比较晶体与非晶体的结构特性，了解晶体的结构不完整性有哪些类型？并区分三大材料的结构类型与比较其各自的特点。 答：晶体结构的基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列,即存在长程的几何有序。 结构的不完整性：实际上，极大多数晶体都有大量的与理想原子排列的轻度偏离存在，依据其几何形状而分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 金属材料的结构：一般都是晶体。金属键无方向性，晶体结构具有最致密的堆积方式。体心立方、面心立方和紧密堆积六方结构，金刚石结构。 无机非金属材料的结构：金刚石型结构；硅酸盐结构; 玻璃结构; 团簇及纳米材料 高分子材料的结构包括高分子链的结构及聚集态结构 各自的特点： 3 高分子材料其聚集态结构可分为：晶态和非晶态(无定形)两种，与普通的晶态和非晶态结构比较有什么特点？ 答：晶态有序程度远小于小分子晶态，但非晶态的有序程度大于小分子物质液态。 4 如何区分本征半导体与非本征半导体材料？ 答：本征半导体：材料的电导率取决于电子-空穴对的数量和温度的材料。 非本征半导体：通过加入杂质即掺杂剂而制备的半导体，杂质的多少决定了电荷载流子 的数量。
5 极大多数晶体实际上都存在有种种与理想原子排列的轻度偏离，依据结构不完整性的几何形状可分为哪几种缺陷类型？按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分成哪几种类型？ 答：依据其几何形状而分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分成： 置换型固溶体(或称取代型)：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子取代所形成的固溶体。原子A同B的大小要大致相同。 填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。 6 比较热塑性高分子材料和热固性高分子材料的结构特点，并说明由于结构的不同对其性能的影响。 答：线型结构的高分子化合物：在适当的溶剂中可溶胀or溶解，升高温度时则软化、流动，∴易加工，可反复加工使用，并具有良好的弹性和塑性。(热塑性) 交联网状结构高分子：性能特点：较好的耐热性、难溶剂性、尺寸稳定性和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大。∴不能进行塑性加工，成型加工只能在网状结构形成前进行，材料不能反复加工使用。(热固性) 7 聚二甲基硅氧烷的结构式为？其柔顺性怎么样？ 答：非常好 8 何为材料的力学强度？影响力学强度的主要因素有哪些？按作用力的方式不同，材料的力学强度可分为哪几种强度？ 答：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。 通常材料中缺陷越少、分子间键合强度越大，材料的强度也越高。 按作用力的方式不同，可分为：拉伸强度；压缩强度；弯曲强度；冲击强度；疲劳强度等。 9 区分高分子材料的大分子之间的相互作用中的主价力和次主价力，比较两者对其性能的影响。 答：大分子链中原子间、链节间的相互作用是强大的共价键这种结合力称为主价力，大小取决于链的化学组成→键长和键能。对性能，特别是熔点、强度等有重要影响。 大分子之间的结合力是范德华力和氢键，称为次价力，比主价力小得多(只有主价力1-10％)，但对高分子化合物的性能影响很大。如乙烯呈气态，而聚乙烯呈固态并有相当强度，∵后者的分子间力较前者大得多。 10 按电阻率的大小，可将材料分成哪几类？何谓超导性？ 答：按电阻率的大小，可将材料分：超导体；导体；半导体；绝缘体。 超导性：一旦T< Tc(超导体临界T)时，电阻率就跃变为零。Tc依赖于作用于导体的磁场强度。
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
半導體概論 作業(一) 能帶形成原因 組員： 1.499L0005 黃炯睿 (WORD製作) 2.499L0009 林杰翰 (統整資料) 3.499L0010 吳旻葦 (WORD製作) 4.499L0012 劉榮軒 (統整資料) 5.499L0045 黃志傑 (蒐集資料)
何謂能帶 能階由下而上增加，越上面能階越高，為何材料能導電，當導電帶裡有電子時，材料就會導電，一般電子都是處在價電帶中的，而從價電帶到導電帶就有一個能量差，叫做能階。也就是說電子要從價電帶跳躍至導電帶是需要能量，所以當能隙越大時，電子越不容易跳躍至導電帶。因此，絕緣體就是因為能隙很大，電子跳不過去導電帶裡，所以無法導電，但半導體的能隙較小，電子比較容易跳躍進入導電帶，所以只要施嘉一些能量，就可以讓電子進入導電帶來讓材料從不導電很容易變成導電，而導体的導電帶能階底部和價電帶能階頂部重疊，所以電子一
直都在導電帶中，因此材料隨時都可以導電 那能帶是如何形成的呢?? 半導體概念與能帶（Semiconductor Concepts and Energy Bands） 國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯 在半導體晶格中，電子的能量跟金屬有明顯的不同。以矽為例子，由於矽原子之間以價電子方式鍵結，在相鄰的矽原子之間，彼此價電子互相作用之下，導致晶體中電子能量會分裂成兩個可以明顯區分的能帶，此即所謂的價電帶和導電帶，此兩個能帶的間隙即為能帶間隙，由於在能帶間隙中電子的存在是不被容許的，此代表著在晶體中禁止的電子能量。 而價電帶代表晶體中兩個互相鍵結原子的電子波函數，佔據這些波函數的電子我們稱他為價電子。在絕對零度時，所有的鍵結都被價電子佔據，所以在價電帶中所有的電子能階都會被這些電子填滿。當電子處於導電帶中的時候，電子可以在晶體中自由的移動，同時也會對電場做出回應，所以在周圍會有很多空的能階。而電子可以容易的從電場中得到能量，進而能躍遷到比較高的能階裡。因為只有在導電帶裡才有空的能態，所以想要將價電帶中的電子激發到導電帶中需要能量，此能量須大於等於能帶間隙。當電子獲得足夠能量可以克服能帶間隙時，電子就會躍遷到導電帶中，所以在導電帶中會產生一個自由的電子，則在導電帶中會遺失一個電子即為電洞。 在導電帶中的自由電子，可以在晶體中自由的移動，所以外加電場的時候，會產生導電的情形。由於帶負電的電荷從晶體電中性區域脫離出，即會造成在價電帶中生成一個帶正電荷的電洞。而從近代物理的原子中，我們可知能量被量子化，並且具有特定不連續值，例如鋰原子有兩個電子位於1s殼層和一個電子位於2s 殼層。此相同的概念我們可應用到數個原子中分子的電子能量，同理電子的能量是呈量子化的。因此將多到1023個緊密排列大小的鋰原子聚集在一起以形成金屬，會因為原子間的作用力生成電子能帶。而2s能階會分裂成1023個緊密排列的能階，此會有效的形成一個能帶，即命名為2s能帶。同理，其他較高的能階也會形成能帶，而這些能帶彼此會互相重疊而形成代表金屬能帶結構的連續能帶。由於鋰原子的2s能階為半填滿的，這是因為2s次殼層需要兩個電子才能填滿，所以這意謂著如果晶體中的2s能階也是半填滿的話，此金屬即具有半填滿能帶的特性。 參考資料：光電子學與光子學-原理與應用
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，
有机半导体材料 1 有机半导体材料的分子特征 有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子中必须含有 键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz 轨道组成一对 轨道（ 和 ），其成键轨道（ ）与反键轨道（ ）的能级差远小于两个 轨道之间的能级差。按照前线轨道理论， 轨道是最高填充轨道（HOMO）， 是最低未填充轨道（LUMO）。在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。当HOMO 能级上的电子被激发到LUMO 能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。
在有机半导体材料分子里， 键结构会扩展到相邻的许多个原子上。根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。 小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的 共轭体系构成。常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2)，常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型（如图3)。 事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。 图2: 几种常见的小分子有机半导体材料：（1）并五苯型，（2）三苯基胺类，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁类。
图3: 几种常见的高分子有机半导体材料：（1）聚乙炔型，（2）聚芳环型，（3）共聚物型。 2 有机半导体材料中的载流子 我们知道无机半导体材料中的载流子只有电子和空穴两种，自由的电子和空穴分别在材料的导带和价带中传输。相形之下，有机半导体材料中的载流子构成则要复杂得多。 首先，由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO 与HOMO 的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p 型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。无机半导体材料中的正电荷（即空穴）是高度离域、可以自由移动的，而有机半导体材料中的正电荷所代表的则是有机分子失去一个电子（通常是HOMO 能级上的电子）后呈现的氧化状态。因此，在有机半导体材料中引入一个正电荷，必然导致有机分子构型的改变。
课题1：概述及半导体材料基础知识 【任务一】概述 1．电子技术中所说的“信号”是指变化的或，称为电信号。 2．电信号可以分为两类，即振幅随时间呈连续变化的信号，称为信号；振幅在时间上是离散的信号，称为信号。 3．向信号（或数据）处理系统送入的信号称为，处理后得到的信号称为。4．集成电路（IC）又叫，它是把和一体化的电路系统，在集成电路中，把大量的元器件，如、、及它们之间的，全部集中制作在一小块半导体硅片上。 5．集成电路的特点有：、、、，而且电路工作的可靠性，组装和调试。 6．识别下列信号是模拟信号还是数字信号 （）（） 【任务二】半导体器件基础知识 1．自然界中物质，按导电能力的不同，可分为____________ 、和。2．半导体是一种导电能力介于与之间的物质，它的导电能力会随着、____________ 、和的不同而发生很大的变化。 3．半导体按导电类型分为型半导体和型半导体；按材料分为半导体和半导体。 4．PN结具有__________ 性，即加正向压降时，PN结_________，加反向压降时，PN结________ 。5．PＮ结的正向接法指的是Ｐ区接电源的极，Ｎ区接电源的极。 6．P型半导体的多数载流子是，少数载流子是；N型半导体的多数载流子是，少数载流子是。 7．PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的。
8．PN结中存在着电容，该电容称为。 9．不掺杂任何杂质的纯净半导体称为（） A．N型半导体B．P型半导体C．电子型半导体D．本证半导体 10．N型半导体是指在本征半导体中掺入微量的（） A．硅元素B．硼元素C．磷元素D．锂元素 11．当ＰＮ结两端加正向电压时，那么参加导电的是（） A．多数载流子B．少数载流子C．既有多数载流子又有少数载流子 12．什么是PN结？PN结具有什么特性？ 【任务拓展】 1．扩散电流是由载流子运动而形成的，漂移电流是由载流子在作用下运动而形成的。 2．PN结反向击穿中，什么称为电击穿？什么称为热击穿？ 3．N型半导体中的多数载流子是电子，P型半导体中的多数载流子是空穴，那么能否说N型半导体带负电，P型半导体带正电？为什么？
有机光伏材料综述 能源是人类社会发展的驱动力，是人类文明存在的基础。目前我们所能利用的能源主要是煤、石油和天然气等传统石化资源。自从18世纪工业革命以来，人类对能源的需求不断增长，由此导致的能源安全问题日益凸显。太阳直径为1.39*106km，质量为1.99*1030kg，距离地球1.5*108km。组成太阳的质量大多是些普通的气体，其中氢约占71.3%、氦约占27%，其它元素占2%。太阳从中心向外可分为核反应区、核辐射区和对流去区、太阳大气。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000k。太阳每分钟发出的总能量为2.27*1025kJ，尽管只有22亿分之一的能量辐射到地球上，但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧所产生的能量。 1太阳能电池 1.1太阳能的利用 太阳能的利用包括很多种技术手段，例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低，要想大规模地提供能源，主要得靠后两种技术。 太阳能热发电目前主要有三种实现方式，即塔式、槽式和碟式。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦，加热水或者其他工质（例如热熔盐和空气），通过热循环驱动发电机组来发电。 太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础，在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点，即建设成本高，机械损耗大，维护成本高，而且只能在专用地上建设，无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域，我国起步较晚，技术积累较少，目前尚不具备对外的竞争优势。 1.2光伏技术 “光伏”这个词译自“Photovoltaic”，即“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用来描述一些材料在光照下形成电压的现象，后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差，从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备，我们称之为“太阳能电池”。 最早的光伏效应是Edmund Bequerel 在1839 年发现的，一百多年后（1954年），随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体的p-n 结为基础，光电转化效率为6%。 半导体p- n 结的结构及原理如图1所示。当p 型和n 型的半导体相互接触时，由于浓度差的存在，p 型半导体中的空穴会向n 型半导体扩散，n 型半导体中的电子也会向p 型半导体扩散，造成接触面双侧的电荷不平衡，从而形成由n 型区指向p 型区的空间电场。反映在能级图上，即p 型区和n 型区的费米能级一致化后，两个区域间形成了一个能级差，这个能级差即是内建电场（Ebi）。p 型区和n 型区之间的过渡区域，称为p-n 结的结区。在结区内，内建电场会驱使电荷进行定向传输。
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
半导体生产流程 所谓的半导体，是指在某些情况下，能够导通电流，而在某些条件下，又具有绝缘体 效用的物质；而至于所谓的IC，则是指在一半导体基板上，利用氧化、刻蚀、扩散等 方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，作在一微小面积上，以 完成某一特定逻辑功能（例如：AND、OR、NAND等），进而达成预先设定好的电路 功能。自1947年12月23日第一个晶体管在美国的贝尔实验室(Bell Lab)被发明出来，结束了真空管的时代，到1958年TI开发出全球第一颗IC成功，又意谓宣告晶体管的时代结束，IC的时代正式开始。从此开始各式IC不断被开发出来，集成度也不断提升。从小型集成电路（SSI），每颗IC包含10颗晶体管的时代；一路发展MSI、LSI、VLSI、ULSI；MSI（Middle-scale integration）中等规模集成电路；LSI（Large-scale integration）大规模集成电路；VLSI（Very-Large-scale integration）甚大规模集成电路；ULSI（Ultra-Large-scale integration）超大规模集成电路再到今天，短短50年时间，包含千万个以上晶体管的集成电路已经被大量生产，并应用到我们的生活的各领 域中来，为我们的生活带来飞速的发展。不能想象离开半导体产业我们的生活将会怎样，半导体技术的发展状况已成为一个国家的技术状况的重要指针，电子技术也成为 一个国家提高国防能力的重要途径。 半导产品类别 目前的半导体产品可分为集成电路、分离式组件、光电半导体等三种。 A.集成电路(IC)，是将一电路设计，包括线路及电子组件，做在一片硅芯片上，使其 具有处理信息的功能，有体积小、处理信息功能强的特性。依功能可将IC分为四类产品：内存IC、微组件、逻辑IC、模拟IC。 B.分离式半导体组件，指一般电路设计中与半导体有关的组件。 常见的分离式半导体组件有晶体管、二极管、闸流体等。 C.光电式半导体，指利用半导体中电子与光子的转换效应所设计出之材料与组件。 主要产品包括发光组件、受光组件、复合组件和光伏特组件等。 1.IC产品介绍 IC产品可分为四个种类，这些产品可细分为许多子产品， 分述如下： 内存IC：顾名思义，内存IC是用来储存资料的组件，通常用在计算机、电视游乐器、电子词典上。依照其资料的持久性(电源关闭后资料是否 消失)可再分为挥发性、非挥发性内存；挥发性内存包括DRAM、SRAM，
有机高分子半导体材料的导电与工作原理 及与硅基材料的比较 摘要： 本文从原理角度出发，对有机高分子半导体材料的导电模型与原理，有机高分子半导体材料器件的简要工作原理进行阐述，并将该材料的性能与硅基半导体材料相比较，最后对有机高分子半导体材料的发展提出自己的看法。 关键词：有机高分子半导体原理器件性能比较 1.背景： 随着无机半导体材料的发展、成熟与产业化，有机半导体材料以其种类多样性与巨大的应用潜力逐渐受到广泛关注。在有机电子领域的几项杰出成就，如1986年和1987年由Eastman Kodak 的Tang[4,5]等提出的有机光生伏打电池（OPVC）和有机发光二极管(OLED)，为有机半导体的实际应用打下了基础。1986年有机场效应晶体管（OFET）也随之出现。与此同时，关于有机半导体的结构模型与导电原理的研究也成为了进一步解决其不足与优化其性能的基本出发点。高分子链紧束缚模型（SSH）的建立，高分子二聚现象的发现，1979年Su,Schrieffer与Heegerd对于孤子、极化子、双极化子等载流子概念的提出，激子在有机材料中的重新定位，跃迁机制对于迁移率的解释等，使人们对其基本规律有了一定程度的认识,并在积极地发展与完善。 2.有机高分子导体材料的分子结构与基本特征 有机高分子半导体，如聚乙炔，普遍存在共轭大π键结构，由成键π轨道与反键π*轨道构成。两者可分别相当于能带理论中的导带与价带，两个轨道之间的能级差称为带隙。许多高分子半导体的带隙处于1.5~3.0eV之间，处于可见光范围，十分合适作为太阳能电池。然而从整体来看，诸多较长的分子链通过范德华力相互纠缠在一起形成无序结构，一条分子链自身也有许多扭转变形，产生的结点破坏了共轭作用，由此关联的导电机制也更加复杂。 SSH模型认为，有机高分子固体可简化为具有一维特性的高分子弱耦合而成，并且电子在某一个碳原子附近时，将较紧地被该碳原子束缚而其他碳原子对其影响较小，及“紧束缚近似”，通过一系列计算描述晶格原子(碳原子)的移动和与电子的相互作用。之后又出现了修饰完善的TLM模型与PPP模型。一维体系Peierls不稳定性借助于SSH模型并通过计算说明，等距离排列的碳原子是不稳定的，碳原子将发生微小位移从而二聚化，使得有机高分子如聚乙炔分子中出现一定程度的单双键交替现象，这使得原来连续的能带分裂成导
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(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族