2.1.2 化合物半導體

化合物半導體數(shù)量最多，據(jù)統(tǒng)計可能有4000 多種，但是目前已研究出的有1000多種，另外2000多種是預見性的，尚待開發(fā)。近年來，隨著高速、大功率、光學等方面應(yīng)用對器件和電路要求的進一步提高，一些化合物半導體已被應(yīng)用于多種器件的制造中，與元素半導體相比具有同樣的重要性[4]。化合物半導體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣。化合物半導體按其構(gòu)成的元素數(shù)量可分為二元、三元、四元等。按其構(gòu)成元素在元素周期表中的位置可分為Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族，等等。

二元化合物半導體是由周期表中的兩種元素組成。例如，Ⅲ-Ⅴ族元素化合物半導體砷化鎵（GaAs）是由Ⅲ族元素鎵（Ga）和Ⅴ族元素砷（As）所組成。通常，對于一個已知的化合物半導體，根據(jù)元素周期表替換元素得到的材料也可能是化合物半導體。例如化合物半導體材料砷化鎵（GaAs），如果用In替換Ga，就變成InAs，也是半導體；如果把As換成P或Sb，同樣也是半導體。這種替換是垂直方向的，它服從周期表的規(guī)律，即從上往下金屬性變強。最后就不是半導體了。也可以在周期表中進行橫向替換，仍以GaAs為中心。Ga向左移變成Zn，As向右移變成Se，ZnSe也是半導體。這些替換都要注意原子價的平衡。

三元及四元化合物半導體一般都具有非常大的非線性光學常數(shù)，用其作為光參量振蕩、放大及諧波發(fā)生器的非線性介質(zhì)材料，在中、遠紅外波段的叛逆率轉(zhuǎn)換方面具有廣闊的應(yīng)用前景。與二元化合物相比，多元化合物的制備和提純要比二元化合物困難得多，直到20世紀末才取得較大進展。

黃銅礦（CuFeS2）是典型的三元系化合物半導體，其原子排列的基本重復單元仍是四面體，但不再像金剛石或閃鋅礦結(jié)構(gòu)那樣具有立方對稱性。分子相當于兩個ZnS分子的組合，只是其中的Zn分別被一個Cu和一個Fe所取代。因此，黃銅礦結(jié)構(gòu)的晶胞可以用兩個相鄰的閃鋅礦晶胞組合而成，只是要按照上述法則將其中的全部Zn原子用Cu原子和Fe原子替換。可以將這一結(jié)構(gòu)看成是兩個Ⅱ-Ⅵ族化合物分子之中的Ⅱ族原子被一個Ⅲ族和一個Ⅰ族原子取代之后的結(jié)果，例如CuInS2、AgGaS2等。同樣，如果利用一個Ⅱ族原子和一個Ⅳ族原子取代兩個Ⅲ-Ⅴ族化合物分子中的Ⅲ族原子，也會得到一系列Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2族三元化合物，例如CdGeAs2、ZnSnAs2、CdGeP2、ZnSnP2等。所有這些三元化合物都被統(tǒng)稱為黃銅礦型化合物半導體。

以此類推，四元化合物Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4可以看作分別用一個Ⅱ族原子和一個Ⅳ族原子代替兩個Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2三元化合物分子中的Ⅲ組原子而構(gòu)成。例如，Cu2 FeSnS4可以認為是Fe原子和Sn原子取代了CuAlS2分子中的Al原子，Cu2 Cd-SnTe4可以認為是Cd原子和Sn原子取代了CuAlTe2分子中的Al原子。這些材料就是所謂的黃錫礦，也具有半導體性質(zhì)。