半导体物理论文(倪兆辉)

课 程 半导体物理论文

学 院 物理与电子工程学院

专 业 新能源科学与工程

班 级 新能源卓越

学 号 050512218

学生姓名 倪兆辉

半导体材料论文

新能源卓越 倪兆辉

摘要：本文主要介绍影响硅锗合金的禁带宽度的因素及其热电效应。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。硅锗合金在作为一种热电材料，在其应用过程中起着举足轻重的作用。

关键词：硅锗合金 禁带宽度 热电材料 组分关系 研究背景：

随着纳米科技相关研究蓬勃发展，热电材料应用的相关研究亦是欧美日各国在纳米科技中全力发展的重点之一，不论在理论方面或实验方面均有很大的研究空间，纳米材料具有比块材更大的界面，以及量子局限化效应，故纳米结构的材料具有新的物理性质，产生新的界面与现象，这对提升ZT(热电优值)值遭遇瓶颈的热电材料预期应有突破性的改善，故纳米科技被视为寻找高ZT值热电材料的希望。

对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合社会效益。利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点：尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，无液态或气态介质，因此不存在污染环境的问题，可实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长。还可为超导材料的使用提供低温环境。另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统，大大拓展了热电材料的应用领域。

Si–Ge合金可以说是一种新型的半导体材料,对于微电子技术的发展具有重要的意义.。Si–Ge合金的相图是由液相线和固相线构成的简单相图。对于50%的Si – Ge混合物，在1108oC时开始熔化, 到1272oC时完全熔化; 在1150oC下, 液相Si–Ge中含Si 22%, 而固相Si–Ge中含Si 58%.；Si–Ge的电子迁移率近似与空穴迁移率相等，而且都比Si的高; Si–Ge在低数据速率（10Gbit/s）中优于Si .；Si–Ge的热导率是GaAs的3倍,则在20GHz下工作的Si–Ge器件的功率,相当于Si器件的10%~20%,这可增强线性度（使噪声降低,可靠性提高）.；由于Si和Ge的电子亲和能很接近 (分别是4.00eV和4.05eV), 则Si/Si–Ge异质结的能带突变量基本上是ΔEv, 这对n-p-n HBT十分有利。

理论基础：

IV族元素硅、锗的晶体都具有金刚石结构，他们能以任意比例互相熔合，形成Si1-xGex合金材料。其晶格常数a（x）遵从Vegard定律，即

a(x)=asi+(aGe-aSi)x≈asi+0.0227

式中，x为Si1-xGex合金中组元Ge的组分（或者成为混晶比），0≤X≦1.在室温下，硅的晶格常数

asi=0.543102nm，而锗的晶格常数aGe=0.565791nm。Si1-xGex合金的晶格

常数a（x）随之增大。

SiGe合金的本征跃迁发光波长范围是1.3μm~1.55μm, 这正是长距离光纤通信的理想波长窗口; 但是, SiGe合金是间接禁带半导体, 不能直接用作发光材料; 不过在SiGe/Si的应变超晶格中, 由于能带交叠, 将使SiGe变成直接禁带半导体, 从而可用于OELSIC。组成SiGeC合金：在SiGe中加入C,可补偿晶格失配,能够改善SiGe/Si异质结的界面性能;同时,在SiGe中加入C,可调节能带结构, 造成异质结导带有较大的突变, 以增强对电子的量子限制作用, 提高载流子的辐射复合几率.

在研制半导体期间是，经常需要将一种半导体材料（即衬底）上进行生长，由于二者晶格常数大小不同，在两种材料间长生晶格失配。

大量研究证明，用分子束外法（MBE），在衬底上外延生长Si1-xGex合金层薄膜，可以生长出于衬底硅晶格失配率高达百分之几的Si1-xGex外延层，当生长的外延层厚度在适当的范围时，晶格的失配可以通过Si1-xGex合金层的应变得到补偿或调节，仍可以获得无界面失配位错的Si1-xGex合金层。这种生长模式称为赝晶成长（赝形生长或共格生长），所生长的Si1-xGex合金层称为应变Si1-xGex合金。这种应变Si1-xGex合金式研制性能优良的半导体器件的重要材料之一，受到了人们的广泛重视和研究。

对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量；而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙）。

禁带中虽然不存在属于整个晶体所有的公有化电子的能级，但是可以出现杂质、缺陷等

非公有化状态的能级——束缚能级。例如施主能级、受主能级、复合中心能级、陷阱中心能级、激子能级等。顺便也说一句，这些束缚能级不只是可以出现在禁带中，实际上也可以出现在导带或者价带中，因为这些能级本来就不属于表征晶体公有化电子状态的能带之列。

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子。

无应变的体材料Si1-xGex合金在4.2K低温下，其禁带宽度Eg（x）与锗组分x的关系为

Eg(x)=1.115-0.43x+0.0206x2eV 0Eg(x)=2.01-1.27xeV 0.85应变Si1-xGex合金的禁带宽度与锗组分的关系为

Eg（x）=1.12-0.96x+0.43x2-0.17x3

应变Si1-xGex合金的禁带宽度随锗组分的增大而变窄的趋势远远快于无应变的体材料Si1-xGex合金。因此，可以利用不同大小的应变来调节应变Si1-xGex合金的禁带宽度。

半导体禁带宽度与温度和掺杂浓度等有关： 半导体禁带宽度随温度能够发生变化，这是半导体器件及其电路的一个弱点（但在某些应用中这却是一个优点）。半导体的禁带宽度具有负的温度系数。

如果由许多孤立原子结合而成为晶体的时候，一条原子能级就简单地对应于一个能带，那么当温度升高时，晶体体积膨胀，原子间距增大，能带宽度变窄，则禁带宽度将增大，于是禁带宽度的温度系数为正。

但是，对于Si1-xGex合金，在由原子结合而成为晶体的时候，价键将要产生所谓杂化（s态与p态混合——sp3杂化），结果就使得一条原子能级并不是简单地对应于一个能带。所以，当温度升高时，晶体的原子间距增大，能带宽度虽然变窄，但禁带宽度却是减小的——负的温度系数。当掺杂浓度很高时，由于杂质能带和能带尾的出现，而有可能导致禁带宽度变窄。禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；对于BJT，当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大

降低。

热电效应，是当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(Q)的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。

Si1-xGex合金这种半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。

制造热电产生器或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种将电能与热能交互转变的材料。其优点如下:

（1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。

虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(<5%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。

创新：

通过对硅锗合金的禁带宽度进行分析，研究其对热电效应的影响，再通过其禁带宽度的分析，研究及其禁带宽度受硅锗组分的影响，得出我们可以通过不同大小的应变来调节应变Si1-xGex合金的禁带宽度，进而达到控制其热电效应，合成出符合要求的硅锗合金的热电材料。

成果：

控制硅锗合金的组分，可以合成一种新型硅锗合金，制作简易的小型热电制冷器

摘自：徐世六,谢孟贤,张正璠,\"Si-Ge微电子技术\国防工业出版社,2008 刘恩科，朱秉升，罗晋生，半导体物理学，电子工业出版社，2011

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