北大半导体物理课件02半导体的基本性质

北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质本章内容（安排本章内容（安排44次课）次课）§§2.1半导体材料特征（一次课）§§2.2半导体结合的性质（一次课）§§2.3量子力学基础（一次课）§§2.4半导体能带和导电机制（一次课）了解掌握半导体一些基本的材料性质，主要包括：Si为代表的半导体的基本性质、概念、物理规律。包括：半导体的电学性质和晶体结构、结合性质、能带和量子力学基础、导电机制等北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征2.1.12.1.1什么是半导体什么是半导体2.1.22.1.2晶体、多晶和非晶晶体、多晶和非晶2.1.32.1.3晶体的特征和基本性质晶体的特征和基本性质2.1.42.1.4晶体的晶向和晶面晶体的晶向和晶面2.1.52.1.5元素半导体元素半导体SiSi、、GeGe晶体的金刚石结构晶体的金刚石结构2.1.62.1.6化合物半导体化合物半导体GaAsGaAs的闪锌矿结构的闪锌矿结构从基本的材料性质层面了解半导体的电学和结构特征北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质为了表征和研究不同的材料，通常需要对材料根据其不同的特征进行分类。半导体是固体材料的一种。按照材料的导电能力分类，固体材料可分：超导体、导体、半导体、绝缘体2.1.12.1.1什么是半导体什么是半导体导体：ρ∼10-3-10-9Ω.cm绝缘体：ρ∼1020Ω.cm半导体：ρ∼106-10-2Ω.Cm超导体：电阻率～0半导体称谓源于其导电能力介于导体和绝缘体间。§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征了解：为什么称为半导体？与其他材料相比还有什么特点？如何区分半导体？北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质不同的电阻温不同的电阻温度特性，说明度特性，说明不同材料之间不同材料之间具有不同的导具有不同的导电机制电机制2.1.12.1.1什么是半导体什么是半导体•真正了解半导体的性质和特征，需要从能带论出发Si进一步的研究显示，可以根据导电能力的温度依赖特征更好地区分金属、半导体、超导体§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征半导体与金属的电阻率独特的温度特性，常被用来鉴别半导体材料与金属。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.12.1.1什么是半导体什么是半导体半导体能够得到广泛应用的主要原因：能够通过掺杂改变半导体的导电类型和导电能力；不同类型半导体接触可形成具有单向导电性的pn结二极管；半导体材料被提纯后，才能得到应用；Ge首先被应用，但Si应用更为广泛；Ge器件重新收到重视。•半导体的导电能力可以通过掺杂，在很宽的范围内调制；•半导体可以通过的掺杂使其导电类型发生变化（可区分为N型和P型）；•通过掺杂实现导电能力和类型的可控调制(Engineering)，是半导体材料不同于其他材料的最大特征之一。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所各种半导体材料各种半导体材料2.1.12.1.1什么是半导体什么是半导体Si是得到最广泛应用的半导体，其原因一是，Si器件性能优于Ge器件；更重要的是，Si与SiO2构成非常理想的兼容材料体系；但随着微电子技术的发展，SiO2已逐渐不能满足微电子发展的需要，高K、低K介质需要得到应用；其次，Ge材料由于其高的迁移率，高K介质的应用使得Ge器件的弱点，变得弱化，重新受到重视。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质2.1.22.1.2单晶、多晶、非晶单晶、多晶、非晶Si等半导体材料是固体材料的一种，是原子按一定的规律结合形成，固体材料按照结合排列的结构不同，可分为单晶、多晶、非晶三类。单晶(Crystal)：原子的排列在很长的尺度下完全按规则排列，则称原子排列具有长程有序。原子排列具有三维长程有序，则构成的固体为单晶。单晶Si即是典型的单晶半导体材料，也是研究的主要内容。§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征材料形态：固体、液体、气体、液晶、等离子体晶体大小•Si晶片•钻石北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.22.1.2单晶、多晶、非晶单晶、多晶、非晶多晶(Polycrystalline)：如果构成固体的原子在局域空间内为有序排列，但在不同区域（晶粒，Grain）间又无序排列，则构成的固体为多晶，典型材料如多晶硅等。在局域空间内类似单晶有序排列的部分，称为晶粒；不同的晶粒间的界面称为晶界(Grainboundary)，非晶(Amorphous)：原子排列完全无序，则为非晶，如SiO2等北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.32.1.3晶体周期晶体周期性和对称性性和对称性1.晶体的周期性晶体中原子排列的有序性，可用周期性来描述。1）原胞和基矢：为了描述晶体的周期性，引入了原胞的概念。原胞（PrimitiveCell）是构成晶体的最小重复单元。描述原胞空间特征的坐标矢量称为基矢。所谓晶格的基矢(PrimitiveVector)是指原胞的基矢量。通常称基矢所在的坐标空间为实空间1）晶格：晶体的具体排列或构成形式可由一些基本单元如原子（离子或分子）重复排列而成。这些基本单元的具体排列形式可抽象表示为晶格。晶体的主要特征是：周期性、对称性和方向性；同时，具有固定的熔点。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.32.1.3晶体周期性和对称性晶体周期性和对称性1.晶体周期性的数学表征假设原胞选定，其基矢表示为a1，a2，a3。则称为位移矢量。晶体的周期性可以表示为：简单三斜、（简单单斜、底心单斜）、（简单正交、底心正交、提心正交、面心正交）、（简单四方、体心四方）、三角、六角、（简单立方、提心立方、面心立方）根据晶体具体排列形的不同，可抽象出14种不同的晶体格子（布拉伐格子）：北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.32.1.3晶体周期性和对称性（续）晶体周期性和对称性（续）2.晶体对称性：除了周期性外，晶体的另一主要特征是对称性。不同的晶体可能具有不同的对称性。晶胞：为了表征晶体的对称性，需要引入晶胞的概念。晶胞（UnitCell）是能够反映晶格对称性的最小结构单元。根据晶胞对称性，晶体可划分为7个不同晶系（三斜、单斜、正交、四方、三角、六角、立方晶系）。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.42.1.4晶体的晶向和晶面晶体的晶向和晶面3.晶体的方向性：晶体性质的方向性也是晶体的基本特征之一。沿不同方向，晶体性质可能不同。通过引入晶向和晶面的概念表征晶体的方向性特征。通常用Miller指数来描述表征的晶列和晶面表征晶体的晶格格点可以看成是分布在一系列相互平行等距的直线族上，称为晶列；晶列的方向通常用Miller指数表征§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征晶体的晶格可由一系列晶列构成的，晶列的方向，成为晶体的晶向，晶向和晶列的概念晶向Miller指数的定义：如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为则该晶向可用Miller指数h,l,k标志，写成[hlk]北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.42.1.4晶体的晶向和晶面（续）晶体的晶向和晶面（续）晶体晶格的格点也可以看成是分布在一系列平行等距的平面内，这些平行等距的平面称为晶面；通常用Miller指数来表征晶面的方向。晶面：(hlk)或晶面族{hlk}晶面的概念晶面Miller指数的定义：任意晶面都可以把基矢等分，假设晶面将基矢分成h,l,k等分，则该表征该晶面晶向的Miller指数为：hlk123,,aaaGGG123,,aaaGGG北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.42.1.4晶体的晶向（实例）晶体的晶向（实例）[010][100][001][010][110][111][110]–a–yaxy[111][111][111][111][111][111][111][111]Familyof111directions(c)Directionsincubiccrystalsystem北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.42.1.4晶体的晶面（实例）晶体的晶面（实例）(100)(001)(110)(111)–zyxzx(110)z–yy(111)yz(010)(010)(010)(010)x(010)xzy(b)Variousplanesinthecubiclattice北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.5Si2.1.5Si晶体的晶体的金刚石结构金刚石结构Si、Ge等元素半导体结合形成晶体时，具有金刚石结构形式，以四面体结构为基础构成。金刚石的晶格可看成由两个面心立方套构而成，位于不同面心立方中的Si原子的性质并不等价，因此，金刚石结构属复式格子。Si、Ge等半导体晶体的这种结构与其原子结合的方式（化学键）有关。§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征核心：四面体结构北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.5Si2.1.5Si晶体的晶体的金刚石结构（金刚石结构（DiamondDiamondStructureStructure））§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.1.62.1.6化合物半导体结构化合物半导体结构SZnaaa化合物半导体的晶体结构通常形成闪锌矿（（ZincZincBlendeBlendeStructureStructure））和纤锌矿结构。闪锌矿和纤锌矿结构与金刚石结构类似，是以四面体结构为基础，每个原子以4个异类原子为最近邻。闪锌矿和纤锌矿结构的不同在于它们的对称性不同，其中，闪锌矿为立方（面心立方）对称，纤锌矿结构为六方对称。§§2.12.1半导体材料特征半导体材料特征化合物半导体的闪锌矿晶体结构核心：四面体结构原子以密排形式排列北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所第二章第二章半导体中的基本性质半导体中的基本性质§§2.22.2半导体的结合性质半导体的结合性质2.2.12.2.1固体的结合形式和化学键固体的结合形式和化学键2.2.22.2.2SiSi原子结构和原子结构和SiSi晶体的共价键结合晶体的共价键结合2.2.32.2.3SiSi晶体的四面体结构晶体的四面体结构晶体中的原子依靠原子之间的相互作用（称为化学键）结合在一起的，晶体的性质和结构往往与化学键的性质有关，本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式（化学键）、半导体的化学键性质和特征及其与晶体结构的内部关联性。半导体材料的结构和性质之间存在相似性（四面体结构），这种相似性与什么有关？答案是：与原子之间的相互作用有关。北京大学微电子学研究所北京大学北京大学微电子学研究所微电子学研究所2.2.12.2.1固体的结合形式和化学键固体的结合形式和化学键从力学观点：原子间通过相互作用结合形成形态一定的固体，则这种作用必然同时存在吸引和排斥两种作用，固体的形态由这两种作用的平衡点决定。从能量观点：原子通过相互作用结合形成具有稳定结构的固体时，其相互作用能必然存在能量极小值。这种能够形成势能极小值的物理相互作用，被化学家形象地称之为化学键。....Interatomicseparation,r+AttractionRepulsion0FA=