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化合物半导体讲义 上海大学材料学院 2012/11/20  目 录 第一章 绪 论 4 1.1半导体材料的发展历史 4 1.1.1什么是半导体材料? 4 1.1.2半导体材料的早期应用 4 1.1.3硅单晶及其外延 5 1.1.4硅微电子技术 6 1.1.5GaAs和InP单晶材料 6 1.1.6宽带隙半导体材料 6 1.1.7低维半导体材料 7 1.2信息技术对半导体材料的要求 7 1.3化合物半导体材料的应用 8 1.4半导体材料的分类 8 1.4.1元素半导体 9 1.4.2化合物半导体 10 1.4.3半导体固溶体 11 1.5化合物半导体材料特性 11 1.5.1晶格结构 11 1.5.2晶体的化学键和极化 13 1.5.3施主和受主能级 18 1.5.4迁移率 19 1.6化合物半导体器件的发展方向 22 1.7课程教学目的和要求 22 课外要求(文献阅读和习题) 22 第二章 化合物半导体中的杂质和缺陷 23 2.1有关固体中缺陷的一些基本概念 23 2.1.1缺陷的分类 23 2.1.2缺陷的表示符号 24 2.1.3本征缺陷 25 2.1.4杂质缺陷 26 2.1.5电子和空穴 27 2.1.6点缺陷的局域能级 29 2.1.7缺陷的缔合 31 2.1.8价键和点缺陷 32 2.2化合物半导体中常见杂质和点缺陷 35 2.3热处理效应 37 2.3.1 GaAs的热处理 37 2.3.2离子性半导体的热处理 38 2.3.3混晶半导体的热处理 40 2.4 II-VI族化合物半导体的掺杂问题 40 2.4.1点缺陷的自补偿与残留杂质的补偿 41 2.5 n型III-V族化合物半导体中的DX中心 44 2.6 CZT:In晶体中的缺陷 44 2.6.1晶体中主要存在本征点缺陷 44 2.6.2 In在CZT晶体中产生的点缺陷 45 2.6.3 CZT:In晶体中点缺陷类化学平衡 45 2.6.4点缺陷浓度与In掺杂量关系 47 2.6.5点缺陷浓度与Cd压的关系 49 本章要点 49 课外要求(文献阅读和习题) 50 第三章 晶体生长热力学 51 3.1 晶体生长热力学 51 3.1.1相变驱动力 51 3.1.2成核 54 3.2 相图及其在晶体生长中的应用 55 3.2.1 相图 56 3.2.2相图在晶体生长中的应用 64 3. 3相图在化合物半导体晶体研制中的应用 68 本章要点 71 课外要求(文献阅读和习题) 71 第四章 化合物半导体晶体生长 72 4.1Bridgman法晶体生长技术的基本原理 72 4.1.1 Bridgman法晶体生长技术简介 72 4.1.2 Briddgnan法晶体生长过程的传热特性 76 4.1.3 Bridgman法晶体生长过程结晶界面控制原理 78 4.2 Bridgman法晶体生长过程的溶质传输及其再分配 79 4.2.1 一维平界面晶体生长过程中的溶质再分配 79 4.2.2 多元合金及快速结晶条件下的溶质分凝 84 4.2.3 实际Bridgman法晶体生长过程中的溶质分凝分析 86 4.3 高压Bridgman法晶体生长 91 4.4其他定向结晶的晶体生长方法 92 4.4.1 区熔-移动加热器法 92 4.4.2 溶剂法 95 4.4.3 浮区法 96 4.5气相生长 98 4.5.1 气相生长方法概述 98 4.5.2物理气相生长技术 100 4.5.3化学气相生长技术 111 本章要点 116 课外要求(文献阅读和习题) 116  第一章 绪 论 1.1半导体材料的发展历史 1.1.1什么是半导体材料?物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体，电阻率ρ≥109Ωcm。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体，电阻率ρ≤10-6Ωcm。 可以简单的把电阻率介于导体和绝缘体之间（10-3≤ ρ ≤109Ωcm）的材料称为半导体。 与金属和绝缘体相比， 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。 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现：硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。 在18