半导体理论基础.ppt

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1、半导体理论基础目录固体能带理论半导体材料硅的晶体结构半导体特性载流子的复合与寿命载流子的传输P-N结二极管性质硅材料的物理化学特性固体的能带理论——能带的形成原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下，它们分别在不同的能级上，形成电子壳层。晶体中，各个原子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，电子不在局限在某一个原子中，可以由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有化运动，结果使孤立原子的单一能级分裂形成能带。根据电子先填充低能级的的原理，下面的能带先填满电子，这个带被称为价带或满带，上面的未被电子填满的能带或空能带称为导带，中间以仅带相隔。已被电子填满的能带称为

2、价带固体的能带理论——能带的形成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.当电子获得足够能量的时候将越过禁带发生跃迁。能带禁带能带禁带能带固体的能带理论——金属、绝缘体、半导体绝缘体半导体导体EcEvE9E9导带禁带价带固体的能带理论——金属、绝缘体、半导体导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会引起导电。绝缘体：能带间距很大，不可能导电。半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因热运动从价带跳到导带，使导带中有少量电子，价带中有少量空穴，从而有一定的导电能力。固体的能带理论——金属、绝缘体、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，

3、说明这种材料的导电能力越弱。物体电阻率导体半导体绝缘体Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e9半导体材料硅的晶体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下：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siPB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。半导体材料硅的晶体结构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

4、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，如玻璃。半导体材料硅的晶体结构单晶和多晶的区别在整个晶体内，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乱地排列在一起的固体称为多晶。半导体材料硅的晶体结构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”。半导体材料硅的晶体结构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。以下是较重要的几个晶胞：(a)简单立

5、方（Po）(b)体心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）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。正四面实体结构金钢石结构半导体材料硅的晶体结构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。(100晶面)(110晶面)(111晶面)半导体材料硅的晶体结构原子密排面和解理面在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，按照下图方式排列的晶面就称为原子密排面。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

6、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。半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)半导体材料硅的晶体结构金钢石晶格是由面心立方晶格构成，所以它的(111)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：1、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。

7、半导体材料硅的晶体结构2、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。半导体的特性——纯度半导体特性，是建立在半导体材料的纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。比如硅材料的纯度达到