半导体器件物理(第一章)ppt课件.ppt

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1、1.1半导体的晶体结构物质按导电能力分类导体绝缘体半导体半导体在电性能上的重要性质热敏特性掺杂特性光敏特性1.1.1晶体的结构1.固体分类晶体非晶体单晶多晶2.晶胞晶胞是晶体结构中最小的周期性重复的单元。晶胞的边长称为晶格常数，通常用a表示。1.1半导体的晶体结构3.几种常见的晶格结构简单立方面心立方体心立方1.1半导体的晶体结构在器件和集成电路制造中使用的一些重要的半导体具有属于四面体的金刚石或闪锌矿结构。1.1半导体的晶体结构1.1.2晶面与晶向晶列的取向称为晶向，为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到

2、另一格点P作位移矢量R，则R=l1a+l2b+l3c若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。1.晶向1.1半导体的晶体结构XYZaXYZa2.晶面：晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数（也称为密勒指数）来表示晶面的不同取向。1.1半导体的晶体结构（1）首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。（2）然后取截距的倒数，并约简

3、为3个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比。（3）最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的密勒指数。【例】如图的平面，试求其密勒指数3.密勒指数计算1.1半导体的晶体结构XYZaXYZa[100](100)4.三个重要的晶面与晶向立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶向是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。1.1半导体的晶体结构YXZaaXYZaa[111](111)1.1半导体的晶体结构XYZaaYXZaa[110](110)1.1半导体的晶体结构1.2半导体中的电子状态

4、1.2.1晶面与晶向1.电子的共有化运动1.2半导体中的电子状态由于晶体中各原子靠得很近，引起各原子外层价电子的运动区域相互重叠起来，使价电子的运动区域在晶格中连成一片。电子在这一瞬间可以在甲原子周围运动，而下一个瞬间又可通过交叠的运动区域转到乙原子周围运动，并以同样的方式继续转移，不断地从一个原子跑到另一个原子，从而能够在整个晶体中运动。这就是电子的共有化运动。1.2半导体中的电子状态由于一块晶体中的电子运动状态不能相同，因此为了容纳原来属于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子

5、能级必须分裂成属于整个晶体的N个稍有差别的能级，这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很近的能级所占据的能量区域称为能带。2.能带的形成1.2半导体中的电子状态允带允带允带禁带禁带能级能带原子轨道(有N个能级)关于能带的名词：1.允带――允许电子填充的能带，称为允带。2.禁带――禁止电子填充的能量区间，称为禁带。3.空带――没有电子填充的能带，称为空带。4.满带――完全被电子填满的能带，称为满带。5.价带――价电子对应能级分裂而形成的能带，称为价带。6.导带――导带是位于价带之

6、上第一个能带。在外电场作用下，该能带里的电子能从外电场吸收能量，从而形成电流，故称为导带。1.2半导体中的电子状态导带价带左下图表示具有金刚石结构的晶体的价电子填充能带的情况，图中的价带是满带。价带顶Ev和导带底Ec之间的间隙称为禁带。价带顶和导带底之间的能量间隙称为禁带宽度，用符号Eq表示。为方便，通常用右下图的简化画法。1.2半导体中的电子状态1.2.2本征半导体的导电机制半导体材料大部分是共价键晶体。如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子，这时在原来的共价

7、键上就留下了一个空位。因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个空位，从而使空位转移到邻键上去，所以，空位也是可以移动的。这种可以自由移动的空位被称为空穴。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的。因此，电子和空穴被统称为载流子。1.2半导体中的电子状态导带价带电子从晶格热运动吸收能量，从价带激发到导带的过程称为本征激发。相比于绝缘体，半导体的禁带宽度比较小，常温常压下，硅的Eg值约为1.12eV，锗Eg值为0.67eV，而砷化镓为1.42eV。在常温下，半导体中已有不少电子吸收晶格振动能量，激发到导带中去，所

8、以具有一定的导电能力。1.2半导体中的电子状态1.3杂质与缺陷1.3.1杂质与杂质能级1.替位式杂质与间隙式杂质2.杂质能级一个Ⅴ族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为一个带正电的离子，这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，我们把主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体。N型半导体中的电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称为少子。1.3杂质与缺陷一个Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供一个空