半導體材料的分類及其各自的性能
一.半導體材料的分類
半導體的應用越來越廣，結構也趨于復雜。按照制造技術可以將半導體分為：集成電路器件、分立器件、光電半導體、邏輯
IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是
按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規模進行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號，可以分成模擬、數字、模擬數字混成
及功能進行分類的方法。用于制作半導體的材料很多，因而其分類方法比較多，一般有如下分類：按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。常用的半導體材料有鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等。Si、Ge稱為元素半導體，GaAs稱為化合物半導體。半導體還可以分為晶態半導體、非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。
一.半導體材料的分類
半導體的應用越來越廣，結構也趨于復雜。按照制造技術可以將半導體分為：集成電路器件、分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規模進行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號，可以分成模擬、數字、模擬數字混成及功能進行分類的方法。用于制作半導體的材料很多，因而其分類方法比較多，一般有如下分類：按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。常用的半導體材料有鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等。Si、Ge稱為元素半導體，GaAs稱為化合物半導體。半導體還可以分為晶態半導體、非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。
1.幾種半導體材料的結構
1.1金剛石結構型材料
Si、Ge等Ⅳ族元素有4個未配對的價電子，每個原子只能與周圍4個原子共價鍵合，使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層，因此共價晶體的配位數(即晶體中一個原子最近鄰的原子數)只能是4。方向性是指原子間形成共價鍵時，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個方向就是共價鍵方向。共價鍵方向是四面體對稱的，即共價鍵是從正四面體中心原子出發指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角為109°28′，這種正四面體稱為共價四面體，見圖1.2。
圖中原子間的二條連線表示共有一對價電子，二條線的方向表示共價鍵方向。共價四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價四面體半徑。
單純依靠圖1.2那樣的一個四面體還不能表示出各個四面體之間的相互關系，為充分展示共價晶體的結構特點，圖1.3(a)畫出了由四個共價四面體所組成的一個i、Ge晶體結構的晶胞，統稱為金剛石結構晶胞，整個Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復排列而成。它是一個正立方體，立方體的八個頂角和六個面各有一個原子，內部四條空間對角線上距頂角原子1/4對角線長度處各有一個原子，金剛石結構晶胞中共有8個原子。金剛石結構晶胞也可以看作是兩個面心立方沿空間對角線相互平移1/4對角線長度套構而成的。1.2閃鋅礦結構該類型材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導體，例如ZnS、ZnSe、GaAs、GaP。
GaAs晶體中每個Ga原子和As原子共有一對價電子，形成四共價鍵，組成共價四面體。圖1.4為GaAs的晶胞，閃鋅礦結和金剛石結構的不同之處在于套構成晶胞的兩個面心立方分別是由兩種不同原子組成的。在金剛石結構和閃鋅礦結構中，正立體晶胞的邊長稱為晶格常數，通常用a表示。
1.3纖鋅礦型結構該類型材料主要是Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導體，例如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe。
1.4氯化鈉型結構
該類型材料主要是V-Ⅵ族二元化合物半導體，例如硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等。
2.半導體中電子的狀態與能帶的形成
半導體中的電子能量狀態和運動特點及其規律決定了半導體的性質容易受到外界溫度、光照、電場、磁場和微量雜質含量的作用而發生變化。
半導體的一般能級機構如下：
由固體物理知識，我們知道：能帶的寬窄由晶體的性質決定與晶體中含的原子數目無關,但每個能帶中所含的能級數目與晶體中的原子數有關。因此，對于每種半導體，其能帶結構是不同的。例如：硅、鍺、砷化鎵的能帶結構
3.本征半導體和雜質半導體
3.1本征半導體
純凈的、不含任何雜質和缺陷的半導體稱為本征半導體。一定溫度下的本征半導體，共價鍵上的電子可以獲得能量掙脫共價鍵的束縛從而脫離共價鍵，成為參與共有化運動的“自由”電子。共價鍵上的電子脫離共價鍵的束縛所需要的最低能量就是禁帶寬度。將共價鍵上的電子激發成為準自由電子，也就是價帶電子激發成為導帶電子的過程，稱為本征激發。本征激發的一個重要特征是成對的產生導帶電子和價帶空
穴。本征半導體的導帶電子參與導電，同時價帶空穴也參與導電，存在著兩種荷載電流的粒子，統稱為載流子。一定溫度下，價帶頂附近的電子受激躍遷到導帶底附近，此時導帶底電子和價帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當中，在外電場的作用下，它們都要參與導電。對于價帶中電子躍遷出現空態后所剩余的大量電子的導電作用，可以等效為少量空穴的導電作用?？昭ň哂幸韵碌奶攸c：(1)帶有與電子電荷量相等但符號相反的電荷；(2)空穴的濃度(即單位體積中的空穴數)就是價帶頂附近空態的濃度；(3)空穴的共有化運動速度就是價帶頂附近空態中電子的共有化運動速度；(4)空穴的有效質量是一個正常數，它與價帶頂附近空態的電子有效質量大小相等、符號相反。
3.2雜質半導體
為了控制半導體的性質需要人為地在半導體中或多或少地摻入某些特定的雜質。半導體器件和集成電路制造的基本過程之一就是控制半導體各部分所含的雜質類型和數量。Si、Ge都具有金剛石結構，一個晶胞內含有8個原子。由于晶胞內空間對角線上相距1/4對角線長度的兩個原子為最近鄰原子，4a3恰好就是共價半徑的2倍，因此晶胞內8個原子的體積與立方晶胞體積之比為34%，換言之，晶胞內存在著66%的空隙。
所以雜質進入半導體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質，間隙式雜質原子一般較??；也可以取代晶格原子而位于格點上，稱為替（代）位式雜質，替位式雜質通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結構也相似。圖1.26是間隙式和替位式雜質示意圖。Ⅲ、Ⅴ族元素摻入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式雜質，用單位體積中的雜質原子數，也就是雜質濃度來定量描述雜質含量多少，雜質濃度的單位為1/cm3。
Si半導體器件和集成電路生產中，最常用的雜質是替位式Ⅲ族和Ⅴ族元素。圖1.27所示的Si中摻入V族元素磷(P)時，由于Si中每一個Si原子的最近鄰有四個Si原子，當五個價電子的磷原子取代Si原子而位于格點上時，磷原子五個價電子中的四個與周圍的四個Si原子組成四個共價鍵，還多出一個價電子，磷原子所在處也多余一個稱為正電中心磷離子的正電荷。多余的這個電子雖然不受共價鍵的束縛，但被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運動，不過這種吸引要遠弱于共價鍵的束縛，只需要很小的能量就可以使其掙脫束縛(稱為電離)，形成能在整個晶體中“自由”運動的導電電子。而正電中心磷離子被晶格所束縛，不能運動。由于以磷為代表的Ⅴ族元素在Si中能夠施放導電電子，稱V族元素為施主雜質或n型雜質。電子脫離施主雜質的束縛成為導電電子的過程稱為施主電離，所需要的能量稱為施主雜質電離能。其大小與半導體材料和雜質種類有關，但遠小于Si和Ge的禁帶度施主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態或中性態，電離后稱為施主離化態。Si中摻入施主雜質后，通過雜質電離增加了導電電子數量從而增強了半導體的導電能力，把主要依靠電子導電的半導體稱為n型半導體。n型半導體中電子稱為多數載流子，簡稱多子；而空穴稱為少數載流子，簡稱少子。
圖1.27中Si摻Ⅲ族元素硼(B)時，硼只有三個價電子，為與周圍四個Si原子形成四個共價鍵，必須從附近的Si原子共價鍵中奪取一個電子，這樣硼原子就多出一個電子，形成負電中心硼離子，同時在Si的共價鍵中產生了一個空穴，這個被負電中心硼離子依靠靜電引力束縛的空穴還不是自由的，不能參加導電，但這種束縛作用同樣很弱，很小的能量就使其成為可以“自由”運動的導電空穴，而負電中心硼離子被晶格所束縛，不能運動。由于以硼原子為代表的Ⅲ族元素在導Si、Ge中能夠接受電子而產生電空穴，稱Ⅲ族元素為受主雜質或p型雜質?？昭⊕昝撌苤麟s質束縛的過程稱為受主電離。而所需要的能量稱為受主雜質電離能。不同半導體和不同受主雜質其也不相同，但通常遠小于SiGe禁帶寬度。受主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態或中性態，電離后成為負電中心，稱為受主離化態。Si中摻入受主雜質后，受主電離增加了導電空穴，增強了半導體導電能力，把主要依靠空穴導電的半導體稱作p型半導體。p型半導體中空穴是多子，電子是少子。表1.2列出了Si、Ge晶體中Ⅲ、Ⅴ族雜質的電離能。
摻入施主雜質的半導體，施主能級上的電子獲得能量后由束縛態躍遷到導帶成為導電電子，因此施主能級位于比導帶底低的禁帶中，且空穴由于帶正電，能帶圖中能量自上向下是增大的。對于摻入Ⅲ族元素的半導體，被受主雜質束縛的空穴能量狀態(稱為受主能級)位于比價帶頂低的禁帶中，當受主能級上的空穴得到能量后，就從受主的束縛態躍遷到價帶成為導電空穴。
圖1.28是用能帶圖表示的施主雜質和受主雜質的電離過程。Ⅲ、Ⅴ族雜質在硅和鍺中的ΔE都很小，即施主能級距導帶底很近，受主能級距價帶頂很近，這樣的雜質能級稱為淺能級，相應的雜質就稱為淺能級雜質。如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族雜質濃度不太高，在包括室溫的相當寬的溫度范圍內，雜質幾乎全部離化。通常情況下半導體中雜質濃度不是特別高，半導體中雜質分布很稀疏，因此不必考慮雜質原子間的相互作用，被雜質原子束縛的電子(空穴)就像單個原子中的電子一樣，處在互相分離的、能量相等的雜質能級上而不形成雜質能帶。當雜質濃度很高(稱為重摻雜)時，雜質能級才會交疊，形成雜質能帶。
上面討論了半導體中分別摻有施主或者受主雜質的情況。如果在半導體中既摻入施主雜質，又摻入受主雜質，施主雜質和受主雜質具有相互抵消的作用，稱為雜質的補償作用。如果用和表示ND和NA施主和受主濃度，對于雜質補償的半導體，如果ND大于NA，在T=0K時，電子按順序填充能量由低到高的各個能級，由于受主能級比施主能級低，電子將先填滿受主能級，然后再填充施主能級，因此施主能級上的電子濃度為ND-NA。通常當溫度達到大約100K以上時，施主能級上的ND-NA個電子就全部被激發到導帶，這時導帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導體，圖1.29畫出了ND>NA時的雜質補償作用。類似分析不難得出當NA大于ND時，將呈現p型半導體的特性，價帶空穴濃度p0=NA-ND。如果半導體中ND>>NA，則n0=ND-NA≈ND；如果ND<<NA，那么p0=NA-ND≈NA。通過補償以后半導體中的凈雜質濃度稱為有效雜質濃度。如果ND>NA，稱ND-NA為有效施主濃度；如果ND<NA，那么稱NA- ND為有效受主濃度。
半導體器件和集成電路生產中就是利用雜質補償作用，在n型Si外延層上的特定區域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質，通過雜質補償作用就形成了p型區，而在n型區與p型區的交界處就形成了pn結。如果再次摻入比p型區濃度更高的施主雜質，在二次補償區域內p型半導體就再次轉化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結構，見圖1.30。很多情況下晶體管和集成電路生產中的摻雜過程實際上是雜質補償過程。雜質補償過程中如果出現ND≈NA，稱為高度補償或過度補償，這時施主和受主雜質都不能提供載流子，載流子基本源于本征激發。高度補償材料質量不佳，不宜用來制造器件和集成電路。
