元素半导体材料

是由单质化学元素构成的半导体材料。例如IV族元素硅（Si）、锗（Ge、灰锡（α-Sn）、碳（C）和V族元素硒（Se）等都具有半导体特性，但真正用于制备半导体器件的主要是硅、锗材料。其中硅由于其材料特性好以及单晶生长和器件工艺成熟，是制备晶体管和集成电路元件的核心材料；锗单晶材料在红外和高频器件方面仍占有重要地位。 硅、锗原子间以共价键结合，其晶体材料具有金刚石（立方）结构，结构稳定，质地硬而脆，外表呈银灰色。 硅的原子序数为14，晶格常数为0. 543nm，密度为2. 38g/cm3，熔点为1 420℃。硅在自然界中极为丰富，含量约占地壳的26％，以硅酸盐和硅石（即石英砂）的形式存在。但这种存在于自然界中的含有大量杂质的“粗硅”是没有半导体性质的，须经过提纯才能应用。如今硅材料制备工艺已经成熟，可获得本征电阻率大于20 000Ω ·cm的超纯硅，并可拉制直径超过20cm、重达数十公斤的无位错单晶。硅的禁带宽度1. 12eV，电子和空穴的迁移率分别为1 350cm2/V·s和500cm2/V·s，热导率高并能在硅表面形成性能优良的二氧化硅介质膜，为半导体硅平面工艺打下了基础，使其成为最重要的半导体材料。90年代中期以硅为基本材料制成的硅器件占世界半导体器件总销量的98 ％。据专家预测，到21世纪初，硅单晶在半导体材料中仍占主导地位。 锗的原子序数为32，晶格常数为0. 566nm，密度为5. 32g/cm3，熔点为940℃。在自然界中，锗的矿石稀少，大部分散布在煤、铁及有色金属矿石中，故制取锗主要是从煤灰及金属冶炼的烟灰残渣中富集、提取和纯化。纯锗的本征电阻率可达47Ω · cm，与硅材料一样可通过掺杂控制导电类型和电阻率大小。锗的禁带宽度为0. 66eV，电子和空穴的迁移率分别为3 900cm2/（V · s）和1 900cm2/（V · s）。锗的电子迁移率比硅高，有利于制备高频低噪声和高速器件。但由于锗的禁带宽度较窄，且在其表面上不易获得性能良好的氧化膜，因而限制了锗在大功率器件及集成电路中的应用。