《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第17讲 5.2半导体材料

第17讲S5.2半导体材料材料化学导论课程教案$5.2半导体材料【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握PN结的整流和反击穿机理，熟悉单质硅半导体和化合物半导体材料的分类及其应用；了解超导的概念，掌握超导体的特性，熟悉超导体的分类和差异；理解超导体的发展和应用。本讲课程在加强学生对基础理论知识的同时，注重当前新型材料的发展研究，培养学生的学习兴趣。【重点】PN结，半导体材料的应用，超导体的特性【难点】PN结的整流效应；超导体的分类和差异【本讲课程的内容】5.2.1半导体材料的概述5.2.2半导体分类及特点（简单回顾）5.2.3PN结半导体最大的用途制成p-n结。如图3.11所示。一个p型和一个n型半导体结合在一起，两者的界面及其相邻的区域就称为PN结。n型半导体电子浓度大，p型半导体中空穴浓度大，这种电荷的不平衡在p-n结两端产生二个内电势（如图a所示）。如果外加一个电压，使负极与N型半导体连接，正极与p型半导体连接。电子和空穴都向p-n结移动，最后相互结合。这些电子和空穴的移动产生电流（如图b所示），此时所加的外电压称为正偏压。正偏压越大，电流同时增大。如果外加电压相反，即处于反偏压时，电子和空穴都会离开p-n结（如图c所示）在p-n结附近出现一个没有载流子的耗尽区，就像绝缘体一样，没有电流流过。如图312所示复合区耗尽区nDnPnQ?-田田0-田田田O.000-00O-④-?-0-田1-0-0VAV1=01(b)(c)(a)图5.5p-n结的导电行为p-n结的整流效应由于p-n结只允许电流沿一个方向流过，它可以只让交流电中的正向电流流过（正偏压），而将反向电流阻挡住，所以p-n结能够将交流电转变成直流电

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 §5.2 半导体材料 【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握 PN 结的整流和反击穿机理，熟悉单质硅半导体和化 合物半导体材料的分类及其应用；了解超导的概念，掌握超导体的特性，熟悉超导体的分类 和差异；理解超导体的发展和应用。本讲课程在加强学生对基础理论知识的同时，注重当前 新型材料的发展研究，培养学生的学习兴趣。 【重 点】PN 结，半导体材料的应用，超导体的特性 【难 点】PN 结的整流效应；超导体的分类和差异 【本讲课程的内容】 5.2.1 半导体材料的概述 5.2.2 半导体分类及特点（简单回顾） 5.2.3 PN 结 半导体最大的用途制成 p-n 结。如图 3.11 所示。一个 p 型和一个 n 型半导体结合在一起， 两者的界面及其相邻的区域就称为 PN 结。 n 型半导体电子浓度大，p 型半导体中空穴浓度大，这种电荷的不平衡在 p-n 结两端产生 一个内电势（如图 a 所示）。如果外加一个电压，使负极与 N 型半导体连接，正极与 p 型半 导体连接。电子和空穴都向 p-n 结移动，最后相互结合。这些电子和空穴的移动产生电流（如 图 b 所示），此时所加的外电压称为正偏压。正偏压越大，电流同时增大。 如果外加电压相反，即处于反偏压时，电子和空穴都会离开 p-n 结（如图 c 所示）在 p-n 结附近出现一个没有载流子的耗尽区，就像绝缘体一样，没有电流流过。如图 3.12 所示 图 5.5 p-n 结的导电行为 p-n 结的整流效应 由于 p-n 结只允许电流沿一个方向流过，它可以只让交流电中的正向电流流过（正偏压）， 而将反向电流阻挡住，所以 p-n 结能够将交流电转变成直流电

95.2半导体材料第17讲材料化学导论课程教案一-出图3.13p-n结的整流效应p-n结的反向击穿：在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，从而激发出其他的载流子，导致在反向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象称为p-n结的反向击穿。利用p-n结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳（Zener）二极管，可以用来保护电路不受突然出现的过高电压的危害。5.2.4单质硅半导体材料1、单晶硅（monocrystalline silicon）单晶硅的制备通常是先用碳在电炉中还原SiO2制得高纯度硅（多晶硅或无定型硅），然后用提拉法或悬浮区熔法从熔体中生成出一定直径的棒状单晶硅。提拉法课可以生长出比较均匀、无缺陷的硅单晶体。2、多晶硅（polycrystalline silicon）多晶硅也是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶硅。3.非晶硅非晶硅是目前研究最多、实用价值最大的两大非晶半导体材料之一（另一个是硫属非晶态半导体）。非晶硅是一种新兴的半导体薄膜材料，它作为一种新能源材料和电子新兴新材料，取得了迅猛发展。非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效应晶体管；用于液晶显示器件，集成式图像传感器等器件中作为非线性器件。5.2.5重要的化合物半导体半导体材料的发展可以划分为三个时代，分别对应第一代的Si、Ge元素半导体，第二代的GaAs，InP等，以及第三代的GaN，SiC，立方氮化硼，AINi，ZnSe等，其中二代与三代

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 图 3.13 p-n 结的整流效应 p-n 结的反向击穿： 在 p-n 结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴 引起的。但是，如果反向偏压太大，通过 p-n 结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速， 从而激发出其他的载流子，导致在反向偏压下也产生一个很大的电流。这种现象称为 p-n 结 的反向击穿。 利用 p-n 结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳（ Zener ）二极管，可以用来保护电 路不受突然出现的过高电压的危害。 5.2.4 单质硅半导体材料 1、单晶硅（monocrystalline silicon） 单晶硅的制备通常是先用碳在电炉中还原 SiO2 制得高纯度硅（多晶硅或无定型硅），然 后用提拉法或悬浮区熔法从熔体中生成出一定直径的棒状单晶硅。提拉法课可以生长出比较 均匀、无缺陷的硅单晶体。 2、多晶硅(polycrystalline silicon) 多晶硅也是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶 格排列成晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶 硅。 3. 非晶硅 非晶硅是目前研究最多、实用价值最大的两大非晶半导体材料之一（另一个是硫属非晶 态半导体）。非晶硅是一种新兴的半导体薄膜材料，它作为一种新能源材料和电子新兴新材料， 取得了迅猛发展。 非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效应晶体管；用于液晶显示器件，集成式图像传 感器等器件中作为非线性器件。 5.2.5 重要的化合物半导体 半导体材料的发展可以划分为三个时代，分别对应第一代的 Si、Ge 元素半导体，第二代 的 GaAs, InP 等，以及第三代的 GaN，SiC，立方氮化硼，AlNi，ZnSe 等，其中二代与三代

第17讲$5.2半导体材料材料化学导论课程教案半导体材料由于丰富额结构特征和灵活的掺杂调节工艺，可以获得更多可用的半导体及综合性能。(1）GaAsGaAs单晶半导体可以在较高的工作温度和工作频率下工作，所以在高频器件、光电器件、高速集成电路等方面有重要作用。GaAs是集成电路与集成光电子学的基础材料，(2）InPInP是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路器件等。InP作为继Si、GaAs之后的最重要的半导体材料是由于具有如下的特性：①高电场下InP电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；②InP作为TED材料，某些性能由于GaAs，即其电流峰谷比较大，因而转换效率更高；③InP热导率比高，所以制备同类器件可有较好的热性能；④掺入适当的受主杂质，可制得半绝缘单晶，因而也是制备高速器件和电路、光电集成电路的重要衬底材料。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。。5.2.6半导体材料的应用半导体材料由于其特有的性能，在众多领域得到广泛应用。（1）热阻器：，与金属不同，半导体的电阻率岁温度升高是减小的，利用这一特性可以制成半导体热阻器除可以测温外，还可以用于火灾报警器。（2）压力传感器，处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。（3）光敏电阻器，半导体的电导率随入射光量的增加而增加，可以用来制作光敏电阻。（4）磁敏电阻，在通电的半导体上加磁场时，半导体的电阻将增加，这种现象称为磁阻效应。根据这种特性可做成磁敏电阻。（4）发光二极管发光二极管被用在许多仪器上做数字显示，它实际上是有p-型半导体与n-型半导体组成的PN结，结的n侧和p侧的电荷载流子分别为电子和空穴。如果加一正偏压，价带中的空穴就穿过结进入n型区，导带中的电子也会越过结进入P型区，在结的附近，多余的载流子会发生复合，在复合过程中会发光，即n+p一→光子。不同的半导体材料，发出的光的颜色

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 半导体材料由于丰富额结构特征和灵活的掺杂调节工艺，可以获得更多可用的半导体及综合 性能。 （1） GaAs GaAs 单晶半导体可以在较高的工作温度和工作频率下工作，所以在高频器件、光电器件、 高速集成电路等方面有重要作用。GaAs 是集成电路与集成光电子学的基础材料。 （2） InP InP 是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网 络光通信用的集成电路器件等。 InP 作为继 Si、GaAs 之后的最重要的半导体材料是由于具有如下的特性： ① 高电场下 InP 电子峰值漂移速度高于 GaAs 中的电子，是制备超高速、超高频器件的 良好材料； ② InP 作为 TED 材料，某些性能由于 GaAs，即其电流峰谷比较大，因而转换效率更高； ③ InP 热导率比高，所以制备同类器件可有较好的热性能； ④ 掺入适当的受主杂质，可制得半绝缘单晶，因而也是制备高速器件和电路、光电集成 电路的重要衬底材料。 InP 具有比 GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径 3 英寸以上大直径的 InP 单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。 5.2.6 半导体材料的应用 半导体材料由于其特有的性能，在众多领域得到广泛应用。 （1）热阻器：，与金属不同，半导体的电阻率岁温度升高是减小的，利用这一特性可以 制成半导体热阻器除可以测温外，还可以用于火灾报警器。 （2）压力传感器，处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电 导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。 （3） 光敏电阻器，半导体的电导率随入射光量的增加而增加，可以用来制作光敏电阻。 （4）磁敏电阻，在通电的半导体上加磁场时，半导体的电阻将增加，这种现象称为磁阻 效应。根据这种特性可做成磁敏电阻。 （4） 发光二极管 发光二极管被用在许多仪器上做数字显示，它实际上是有 p-型半导体与 n-型半导体组成 的 PN 结，结的 n 侧和 p 侧的电荷载流子分别为电子和空穴。如果加一正偏压，价带中的空 穴就穿过结进入 n 型区，导带中的电子也会越过结进入 p 型区，在结的附近，多余的载流子 会发生复合，在复合过程中会发光，即 n+p 光子。不同的半导体材料，发出的光的颜色

第17讲$5.2半导体材料材料化学导论课程教案不一样，用GaAs时，复合区发出的是红色；用GaP时，发出的是绿色光。（5）齐纳二极管利用p-n结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳（Zener）二极管，可以用来保护电路不受突然出现的过高电压的危害。（6）整流器由于p-n结只充许电流沿一个方向流过，它可以只让交流电中的正向电流流过（正偏压），而将反向电流阻挡住，所以p-n结能够将交流电转变成直流电。（7）晶体管（指三极管）晶体管的一种类型是双结晶体管，由两个p-n结组成。按这两个p-n结的组成方式，可分为p-n-p型晶体管和n-p-n型晶体管。这两种晶体管广泛应用于各种开关，放大器电路。5.3超导材料定义：电阻突然降低而成为“零电阻”，这种状态称为“超导状态”。在一定温度下具有超导电性的物体，则称超导体或超导材料。5.3.1超导特性1.零电阻将超导体冷却到某一临界温度（T.）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。2.完全抗磁性当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。3.超导态的临界参数>临界温度（Tc）一一超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。T。值因材料不同而异。已测得超导材料的最低T。是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。>临界电流密度（J）一一通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。》临界磁场（H）一一施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 不一样，用 GaAs 时，复合区发出的是红色；用 GaP 时，发出的是绿色光。 （5） 齐纳二极管 利用 p-n 结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳（ Zener ）二极管，可以用来保护电 路不受突然出现的过高电压的危害。 （6） 整流器 由于 p-n 结只允许电流沿一个方向流过，它可以只让交流电中的正向电流流过（正偏压）， 而将反向电流阻挡住，所以 p-n 结能够将交流电转变成直流电。 （7） 晶体管（指三极管） 晶体管的一种类型是双结晶体管，由两个 p-n 结组成。按这两个 p-n 结的组成方式，可 分为 p-n-p 型晶体管和 n-p-n 型晶体管。这两种晶体管广泛应用于各种开关，放大器电路。 5.3 超导材料 定义：电阻突然降低而成为“零电阻”，这种状态称为“超导状态”。在一定温度下具 有超导电性的物体，则称超导体或超导材料。 5.3.1 超导特性 1. 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻 现象。 2. 完全抗磁性 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超 导性的程度，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也 就是说，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强 度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。 3. 超导态的临界参数  临界温度（TC）——超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。Tc值因材 料不同而异。已测得超导材料的最低 Tc是钨，为 0.012K。到 1987 年，临界温度最高 值已提高到 100K 左右。  临界电流密度（JC）——通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持 超导体的超导性。  临界磁场（HC）——施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超

第17讲$5.2半导体材料材料化学导论课程教案导性。这三个临界值越高，超导体的实用价值越大。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。5.3.2超导体分类按超导体的磁化特性不同可将其分为两类：第I类超导体第I类超导体在低于临界磁场强度Hc的磁场H中处于超导态时，表现出完全抗磁性，即在超导体内B=0：在高于Hc的磁场中则处于正常态，B/uo=H。除锯、钒、得以外，一般元素超导体都属于这类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。第I类超导体的相图第Ⅱ类超导体的相图正常态谷茶HC(TJCI(T昱鼎纳态斯热态第II类超导体除金属元素钒、锝和锯外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体有两个临界磁场：下临界磁场Hc，和上临界磁场Hc2。（1）当外界磁场H低于Hc时，第二类超导体也表现为完全抗磁性：（2）当外磁场达到Hc.时就失去完全抗磁性，磁力线开始穿过超导体内部。（3）当外磁场增加时，每个圆柱形的正常区并不扩大，而是增加正常区的数目（即贯穿的磁力线数）。当H=Hcz时，相邻的圆柱体彼此接触，超导区消失，整个材料都变为正常态。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：①第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）②第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有：第类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第类超导体和非理想第类超导体

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 导性。 这三个临界值越高，超导体的实用价值越大。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右 图所示。 5.3.2 超导体分类 按超导体的磁化特性不同可将其分为两类： 第 I 类超导体 第 I 类超导体在低于临界磁场强度 Hc 的磁场 H 中处于超导态时，表现出完全抗磁性，即 在超导体内 B=0；在高于 Hc 的磁场中则处于正常态，B/u0=H。 除铌、钒、锝以外，一般元素超导体都属于这类超导体。第 I 类超导体主要包括一些在 常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、 质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具 有完全抗磁性。第 I 类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价 值。 第 II 类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第 II 类超导体主要包括金属化合物及其合金。第 II 类超导 体有两个临界磁场：下临界磁场 Hc1和上临界磁场 Hc2。 （1）当外界磁场 H 低于 Hc1时，第二类超导体也表现为完全抗磁性； （2）当外磁场达到 Hc1时就失去完全抗磁性，磁力线开始穿过超导体内部。 （3）当外磁场增加时，每个圆柱形的正常区并不扩大，而是增加正常区的数目（即贯穿 的磁力线数）。当 H=Hc2时，相邻的圆柱体彼此接触，超导区消失，整个材料都变为正常态。 第 II 类超导体和第 I 类超导体的区别主要在于： ①第 II 类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态） ②第 II 类超导体的混合态中有磁通线存在，而第 I 类超导体没有； 第 II 类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第 II 类超导体和非理想第 II 类 超导体

S5.2半导体材料第17讲材料化学导论课程教案5.3.3超导材料的发展日前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种，而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种。目前主要有：（1）Nb(锯）Ti类超导合金，其价格较低，易加工处理，是制造超导体的重要材料。（2）Nb3Sn和V3Ga（）等类金属互化物。超导化合物的Tc值要比超导合金高，且可通过调整、改进组成来进一步提高Tc值。超导材料按其化学成分可分为：元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。（1）超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中锯（Nb）的Tc最高，为9.26K。（2）合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。（3）超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。（4）超导陶瓷：1987年，中国、美国、日本等国科学家在一钇一铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。5.3.4超导材料的应用一般来说，实用超导材料应具备下列条件：①尽可能高的临界条件，即高的Tc，高的Hc和高Jc，可以加工成带材、线材或薄膜：②成本不太高。③在零电阻条件的闭合电路中，电流额可以用于流动，永不休止：④超导体在无电阻状态下传输电流没有能力损耗，这将大大提高电力输送率，并能将电力输送到遥远的地方；③超导材料的完全抗磁性可用于超导磁悬浮系统。本讲课程的小结】本讲课主要讨论了（1）半导体材料的分类及其应用；（2）超导材料的特性，分类及其应用。【本讲课程的作业】【本讲课程的思考题】PN结的整流效应和反向击穿机理

§5.2 半导体材料 材料化学导论课程教案 第 17 讲 5.3.3 超导材料的发展 目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有 32 种，而在高压下或制成薄膜状时具有 超导电性的元素金属有 14 种。目前主要有： （1） Nb(铌)-Ti类超导合金，其价格较低，易加工处理，是制造超导体的重要材料。 （2）Nb3Sn 和 V3Ga(镓) 等类金属互化物。超导化合物的 Tc 值要比超导合金高，且可 通过调整、改进组成来进一步提高 Tc 值。 超导材料按其化学成分可分为：元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。 （1） 超导元素：在常压下有 28 种元素具超导电性，其中铌（Nb）的 Tc 最高，为 9.26K。 （2）合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能 提高。 （3） 超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的 Nb3Sn，其 Tc=18.1K，Hc=24.5 特。 （4）超导陶瓷： 1987 年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现 Tc 处于液氮温区有 超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 5.3.4 超导材料的应用 一般来说，实用超导材料应具备下列条件： ① 尽可能高的临界条件，即高的 Tc，高的 Hc 和高 Jc，可以加工成带材、线材或薄膜； ② 成本不太高。 ③ 在零电阻条件的闭合电路中，电流额可以用于流动，永不休止； ④ 超导体在无电阻状态下传输电流没有能力损耗，这将大大提高电力输送率，并能将电 力输送到遥远的地方； ⑤ 超导材料的完全抗磁性可用于超导磁悬浮系统。 本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）半导体材料的分类及其应用；（2）超导材料的特 性，分类及其应用。 【本讲课程的作业】 【本讲课程的思考题】PN 结的整流效应和反向击穿机理