半导体物理与器件

半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构1半导体物理与器件西安邮电大学电子工程学院Tel:881664322014年半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构2教材与参考书推荐教材电子工业出版社出版的《半导体物理与器件》，作者DonaldA.Neamen。2参考书：刘恩科《半导体物理学》，西安交通大学出版社，2003顾祖毅，田立林等《半导体物理学》，电子工业出版社，1995《半导体器件物理与工艺》(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构3学时分配本课程的讲授内容第一章固体的晶体结构（7学时）第二章量子力学初步（6学时）第三章固体量子理论初步（12学时）第四章平衡状态下的半导体（7学时）第五章载流子输运与过剩载流子现象（7学时）第六章半导体中的非平衡过剩载流子（9学时）第七章PN结（4学时）第八章pn结二极管（7学时）第九章金属半导体和半导体异质结（5学时）总计：64学时半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构4本课程的目标通过本课程的学习，学生将全面了解光电工程专业领域半导体物理与器件方面基础知识与基本技能、应用领域及研究热点、学科方向与发展趋势等内容，为学生进入相关研究领域或相关的交叉学科，打下一个初步的基础。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构5考核与记分方式平时成绩占30％，期末考试占70％。考试采用闭卷形式。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构6课程意义半导体器件在人们生活中的重要作用信息领域：计算机及网络设备（CPU、Memory、Chips）通信（移动电话）能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环保、自动化军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、电喷、照明）、空调、彩电半导体微电子IC电子计算信息技术传统行业半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构7这门课的主要内容固体的晶格机构固体量子理论初步平衡半导体载流子输运现象半导体中的非平衡过剩载流子pn结Pn结二极管金属半导体和半导体异质结双极晶体管金属－氧化物－半导体场效应晶体管基础小尺寸MOS器件物理半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构8第一章绪论——固体的晶格结构§1.1半导体材料典型半导体及分类§1.2固体类型三种固体形态§1.3晶体的空间点阵结构晶体学基本概念和基本晶格结构§1.4晶体中原子之间的价键离子、原子、金属及分子晶体§1.5晶体中的缺陷与杂质缺陷类型和杂质类型§1.6半导体单晶材料的生长单晶材料及外延生长§1.7小结半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构9§1.1半导体材料物质从导电性上分类可以分为：绝缘体、半导体和导体。半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构10半导体的基本特性•电阻率介于10e-3∼10e6Ω.cm，可变化区间大，介于金属（10e-6Ω.cm）和绝缘体（10e12Ω.cm）之间•纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数•不同掺杂类型的半导体做成pn结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应•具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导•半导体中存在着电子与空穴两种载流子半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构11§1.1半导体材料元素半导体与化合物半导体半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构12§1.1半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素对称III-V族和II-VI化合物半导体氮化物？氧化物？I-VII半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构13§1.2固体类型固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的形状和体积。按其内部原子的排列情况可分为以下三种主要的结构类型，即单晶、多晶和非晶。固体材料的三种主要结构类型及其特征：（1）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；（2）多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；（3）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构14§1.2固体类型单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）单晶有周期性非晶无周期性多晶短区域内周期性半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构15§1.3晶体的空间点阵结构固体最终形成使系统的能量最小的结构保持电中性（静电能最小）使离子间的强烈排斥最小使原子尽可能的靠近满足键的方向性由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构16§1.3晶体的空间点阵结构晶格的周期性晶格的周期性使晶格可用原胞和晶胞来复制。晶胞和原胞均是晶格的周期性单元。原胞：一个晶格最小的周期性单元•原胞的选取不是唯一的;•三维晶格的原胞通常是一个平行六面体半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构17§1.3晶体的空间点阵结构晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体。它是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从而得到整个晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性相同点可以复制整个晶体的重复单元不同点：原胞只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞晶胞还要强调晶格中原子分布的对称性。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构18§1.3晶体的空间点阵结构基矢：晶胞的三个相互独立的边矢量。如：简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：123aaiaajaak半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构19§1.3晶体的空间点阵结构立方晶系基本的晶体结构：常见的三个基本的立方结构及其晶格常数，分别是简单立方、体心立方和面心立方，立方体的边长即为晶格常数。（1）简单立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC）半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构20§1.3晶体的空间点阵结构简单立方结构SimpleCubic半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构21§1.3晶体的空间点阵结构体心立方结构Body-Centered-Cubic半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构22§1.3晶体的空间点阵结构面心立方结构Face-Centered-Cubic半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构23半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构24例题求原子体密度.E1.14atoms/unitcellDensity=4/(4.75x10-8)3=3.73x1022cm−3E1.23x1022=1/a3⇒a=3.22A°r=a/2⇒r=1.61A°半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构25§1.3晶体的空间点阵结构晶向指数晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方面晶体的性质不同。晶格的格点，可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。◆同一个格子可以形成方向不同的晶列◆每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向◆晶向用晶向指数标记半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构26§1.3晶体的空间点阵结构◆晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近的原子的位移矢量为：，则该晶向就用l1、l2、l3来标志，写成[l1l2l3]。标志晶向的这组数称为晶向指数。以简立方晶格为例112233lalala半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构27§1.3晶体的空间点阵结构立方边，面对角线，体对角线都不止一个，它们的晶向指数确定方法和以上一样，涉及到负值的指数，按惯例，负值的指数用头顶上加一横来表示：用l1l2l3表示时代表所有的等效晶向。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构28§1.3晶体的空间点阵结构晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面，半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构29§1.3晶体的空间点阵结构晶面指数具体讨论晶体时，常常要谈及某些具体晶面，因此需要有一定的办法标志不同的晶面，常用的是所谓密勒指数。密勒指数可以这样确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1、sa2、ta3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。111::::hklrst半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构30§1.3晶体的空间点阵结构简立方格子中的重要晶面侧面（100）、对角面（110）、顶对角面（111）半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构31§1.3晶体的空间点阵结构等效晶面立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成{100}；对角面共有12个，统称这些对角面时，写成{110}；顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成{111}；半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构32例题确定特定平面原子面密度E1.3d=a/22/1=4.83/22/1⇒d=A°3.42E1.4(a)SurfaceDensity=2/(4.75x10-8)2=8.86x1014cm-2(b)SurfaceDensity=2/(4.75x10-8)222/1=6.27x1014cm2半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构33§1.3晶体的空间点阵结构金刚石结构与闪锌矿结构：图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构套构形成。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构34例题E1.58atomsperunitcellDensity=8/(5.43x10-8)3=5x1022cm−3半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构35当Si原子形成晶体时，原来在s轨道上的二个价电子，有一个被激发到了p轨道，形成s、px、py、pz四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合”起来重新组成四个等价轨道，这种轨道称为SP3杂化轨道，这样这四个电子，在四个新的等价轨道上，都成为未配对电子，而且它们的电子云分布基本上是单侧地伸向四面体的四个顶角，当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体顶心这种角度进行(109°28‘)。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构36当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体顶心这种角度进行(109°28‘)。在III－Ⅴ族AIIIBⅤ)和Ⅱ－Ⅵ族(AⅡBⅥ)化合物半导体中，每对A,B原子，亦完成SP3杂化，然后，每个A原子与四周4个B原子形成正四面体，每个B原子同样同四周4个A原子形成正四面体,如GaAs。半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构37半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构38半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构39如果构成晶体的正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，此时称之为金刚石结构,不同时为闪锌矿结构；半导体物理与器件第一章绪论——固体的晶格结构40金刚石结构与闪锌矿结构的物理化学性质解理面金刚石结构的解