12、半导体材料与离散无源元件的全面解析

半导体材料与离散无源元件的全面解析

一、半导体材料特性

1.1 砷化镓（GaAs）的特性与应用

砷化镓具有直接复合并发射光子的特性，这使其成为光学设备（如发光二极管（LED）和半导体激光器）中有用的半导体材料。这种特性使得电子和空穴能够直接复合，同时释放出光子，从而实现发光功能。

1.2 间接带隙半导体

间接带隙半导体中，导带最小值并不直接位于价带最大值之上，导带最小值和价带最大值处于不同的动量位置。因此，导带底部的电子不能直接与价带顶部的空穴复合，因为电子要落到价带顶部，其动量必须从(K_{CB})改变到(K_{VB})，这违反了动量守恒定律。

在这类半导体中，复合过程通过能量水平为(E_{r})的复合中心进行。电子被(E_{r})处的缺陷或杂质捕获，然后从那里落入价带的空态（空穴）。在这个复合过程中，电子的能量以晶格振动的形式损失（即通过发射声子损失）。例如，硅（Si）和锗（Ge）就是间接带隙半导体的例子。

二、半导体晶体的生长与提纯

2.1 晶体生长方法

2.1.1 切克劳斯基法（CZ法）

• 原理 ：该方法是通过熔体在籽晶上逐步逐层冷凝来生长晶体。
• 设备 ：典型的CZ设备重约20吨，高7 - 8米，可容纳100千克的硅。主要设备包括：
  1. 用于容纳纯熔体（炉料）的坩埚，通常采用高纯度二氧化硅（SiO₂）制成，其熔点高于炉料（如硅），直径与高度比通常为1或略大于1，常见直径有25、30、35和45厘米