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半导体材料的分类 及其各自的性

能

一.半导体材料的分类

半导体的应用越来越广，结构也趋于复杂。按照制造技术可以将半导体分为：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。

用于制作半导体的材料很多，因而其分类方法比较多，一般有如下分类：

按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。常用的半导体材料有锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)等。Si、Ge称为元素半导体，GaAs称为化合物半导体。

半导体还可以分为晶态半导体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干

原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又

可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。

二.半导体材料的结构及其性能

几种半导体材料的结构

金刚石结构型材料

Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为 8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为 109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。

图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。

单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图 1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个 Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面

心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的。

闪锌矿结构

该类型材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体，例如ZnS、ZnSe、GaAs、GaP。

GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。图 1.4为GaAs的晶胞，闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。在金刚石结构和闪锌矿结构中，正立方体晶胞的边长称为晶格常数，通常用 a表示。

纤锌矿型结构

该类型材料主要是Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体，例如 ZnS、ZnSe、CdS、CdSe。

氯化钠型结构

该类型材料主要是IV-Ⅵ族二元化合物半导体，例如硫化铅、硒化铅、碲化铅等。

半导体中电子的状态与能带的形成

半导体中的电子能量状态和运动特点及其规律决定了半导体的性质容易受到外界温度、光照、电场、磁场和微量杂质含量的作用而发生变化。

半导体的一般能级机构如下：

由固体物理知识，我们知道：能带的宽窄由晶体的性质决定,

与晶体中含的原子数目无关 ,但每个能带中所含的能级数目与晶体中的原子数有关。因此，对于每种半导体，其能带结构是不同的。例如：

硅、锗、砷化镓的能带结构

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本征半导体和杂质半导体

本征半导体

纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为 本征半导体。一定温度下的本征半导体，共价键上的电子可以获得能量挣

脱共价键的束缚从而脱离共价键，成为参与共有化运动的“自由”电子。共价键上的电子脱离共价键的束缚所需要的最低能量就是

禁带宽度。将共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为