半导体物理基础知识

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1、半导体物理基础知识导体，绝缘体和半导体物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。物体电阻率导体半导体绝缘体Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e91.2半导体材料硅的晶体结构1.2.1几种常见元素的原子结构硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子结构模型如图1.2-1所示图1.2-1第三层4个电子第二层8个电子第一层2个电子Si+14P+15B最外层5个电子最外层3个电子siPB1

2、.2半导体材料硅的晶体结构原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.2晶体结构固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。1.2.3单晶和多晶在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂

3、乱地排列在一起的固体称为多晶。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.4硅晶体内的共价键硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。图1.2-21.2半导体材料硅的晶体结构1.2.5硅晶体的金刚石结构晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的晶胞。(a)简单立方（Po）(b)体心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）图1.2-3正四面实体结构图1.2-4

4、金钢石结构1.2半导体材料硅的晶体结构金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成（见图1.2-4）。为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2所示的平面结构示意图即可。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.6晶面和晶向晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)图1.2-51.2半导体材料硅的晶体结构1.2.7原子密排面和解理面：在晶体

5、的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图1.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。图1.2-61.2半导体材料硅的晶体结构比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶面上原子排列的情况，如图1.2-7所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111

6、)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。(b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀

7、的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。1.2半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)图1.2-71.3固体的能带理论1.3.1能带的形成在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外层电子（价电子）能量较大。图1.3-1表示所谓能级图。E5E4E3(8)E2(8)E1(2)图1.3-11.3固体的能带理论晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子的作用。还将受到相邻原子的作用。相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电

8、子可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生转移。图1.3-2表示出这种共有化轨道的能级图。能带禁带能带禁带能带图1.3-21.3固体的能带理论从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的