半导体物理semiconductorphysics课件

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1、半导体物理SEMICONDUCTORPHYSICS西安电子科技大学微电子学院第一章半导体晶体结构和缺陷1.1半导体的晶体结构1.2晶体的晶向与晶面1.3半导体中的缺陷绪论什么是半导体按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体表1.1导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料导体半导体绝缘体电阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括：温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右微量杂质含量可

2、以显著改变半导体的导电能力以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下适当波长的光照可以改变半导体的导电能力如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变本课程的内容安排以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象：介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其杂质能

3、级在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平衡载流子的产生与复合对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程简要介绍了半导体表面的相关知识1.1半导体的晶体结构一、晶体的基本知识长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成——长程有序。（如Si，Ge，GaAs）晶体又可分为：单晶和多晶。单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式所贯穿。常用的半

4、导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶。多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。非晶（体）的基本特点：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列——短程有序（如非晶硅：a-Si）图1.1非晶、多晶和单晶示意图对于单晶Si或Ge，它们分别由同一种原子组成，通过二个原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力，称为共价键。由共价键结合而成的晶体称为共价晶体

5、。Si、Ge都是典型的共价晶体。二、共价键的形成和性质共价键的性质：饱和性和方向性饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制。Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。方向性：指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28´，这种正

6、四面体称为共价四面体。图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。图1.2共价四面体三、Si、Ge晶体结构图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子金刚石结构晶胞也可以看作是两

7、个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子的结构，如图1.3(b)所示图1.3(a)金刚石结构的晶胞(b)面心立方四、GaAs晶体结构具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌矿结构。GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。图1.4GaAs的闪锌矿结构1.2晶体的晶向与晶面晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格

8、，称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。对半导体Si、Ge和GaAs等具有金刚石或闪锌矿结构的立方晶系，通常取某个格点为原点，再取立方晶胞的三个互相垂直的边OA,OB,O