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1、半導體物理學緒緒 論論l什么是半導體什么是半導體按不同的標準，有不同的分類方式。按固體的導電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導體、半導體和絕緣體 表1.1 導體、半導體和絕緣體的電阻率范圍材料導體半導體絕緣體電阻率(cm) 10-310-3109109 此外，半導體還具有一些重要特性，主要包括：溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降 如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8，電阻率相應地降低50%左右微量雜質含量可以顯著改變半導體的導電能力 以純硅中每100萬個硅原子摻進一個族雜質比方磷為例，這時 硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至以下適當波長的光照可以改變半導
2、體的導電能力 如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十M，當受光照后電阻值可以下降為幾十K此外，半導體的導電能力還隨電場、磁場等的作用而改變l本課程的內容安排本課程的內容安排l 以元素半導體硅以元素半導體硅(Si)和鍺和鍺(Ge)為對為對象：象：l介紹了半導體的晶體構造和缺陷，定義了介紹了半導體的晶體構造和缺陷，定義了晶向和晶面晶向和晶面l討論了半導體中的電子狀態(tài)與能帶構造，討論了半導體中的電子狀態(tài)與能帶構造，介紹了雜質半導體及其雜質能級介紹了雜質半導體及其雜質能級l在對半導體中載流子統(tǒng)計的根底上分析了在對半導體中載流子統(tǒng)計的根底上分析了影響因素，討論了非平衡載流子的產
3、生與影響因素，討論了非平衡載流子的產生與復合復合l對半導體中載流子的漂移運動和半導體的對半導體中載流子的漂移運動和半導體的導電性進展了討論，介紹了載流子的擴散導電性進展了討論，介紹了載流子的擴散運動，建立了連續(xù)性方程運動，建立了連續(xù)性方程l簡要介紹了半導體外表的相關知識簡要介紹了半導體外表的相關知識1.1 半導體的晶體構造半導體的晶體構造一、晶體的根本知識一、晶體的根本知識長期以來將固體分為：晶體和非晶體。長期以來將固體分為：晶體和非晶體。晶體的根本特點：晶體的根本特點： 具有一定的外形和固定的熔點，組具有一定的外形和固定的熔點，組成晶體的原子或成晶體的原子或離子在較大的范圍內至少是微米量離子
4、在較大的范圍內至少是微米量級是按一定的方式級是按一定的方式有規(guī)那么的排列而成有規(guī)那么的排列而成長程有序。長程有序。如如Si，Ge，GaAs晶體又可分為：單晶和多晶。單晶：指整個晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)那么排列方式 所貫穿。常用的半導體材料鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵 (GaAs)都是單晶。多晶：是由大量的微小單晶體晶粒隨機堆積成的整塊材 料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。 非晶體的根本特點：非晶體的根本特點： 無規(guī)那么的外形和固定的熔點，內部構造也無規(guī)那么的外形和固定的熔點，內部構造也不存在長程有序，但在假設干原子間距內的較小不存在長程有序，但在假設干原子間距內的較小范圍內存在構造上
5、的有序排列范圍內存在構造上的有序排列短程有序短程有序 如非晶硅：如非晶硅：a-Si 圖1.1 非晶、多晶和單晶示意圖l對于單晶Si或Ge，它們分別由同一種原子組成，通過二個原子間共有一對自旋相反配對的價電子把原子結合成晶體。l這種依靠共有自旋相反配對的價電子所形成的原子間的結合力，稱為共價鍵共價鍵。l由共價鍵結合而成的晶體稱為共價晶體共價晶體。Si、Ge都是典型的共價晶體。二、共價鍵的形成和性質二、共價鍵的形成和性質共價鍵的性質：飽和性和方向性飽和性和方向性l飽和性：飽和性：指每個原子與周圍原子之間的共價鍵數(shù)目有一定的限制。 Si、Ge等族元素有4個未配對的價電子，每個原子只能與周圍4個原子共
6、價鍵合，使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層，因此共價晶體的配位數(shù)(即晶體中一個原子最近鄰的原子數(shù))只能是4。l方向性：方向性：指原子間形成共價鍵時，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個方向就是共價鍵方向。 共價鍵方向是四面體對稱的，即共價鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角為10928，這種正四面體稱為共價四面體。 圖中原子間的二條連線表示共有一對價電子，二條線的方向表示共價鍵方向。共價四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價四面體半徑。 圖1.2 共價四面體三、三、Si、Ge晶體構造晶體構造l圖1.3(a)畫出了
7、由四個共價四面體所組成的一個Si、Ge晶體構造的晶胞，統(tǒng)稱為金剛石構造晶胞l整個Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復排列而成l它是一個正立方體，立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子，內部四條空間對角線上距頂角原子1/4對角線長度處各有一個原子，金剛石構造晶胞中共有8個原子l金剛石構造晶胞也可以看作是兩個面心立方沿空間對角線相互平移1/4對角線長度套構而成的l面心立方是指一個正立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子的構造，如圖1.3(b)所示圖1.3 (a)金剛石結構的晶胞 (b)面心立方四、四、GaAs晶體構造晶體構造l具有類似于金剛石構造的硫化鋅(ZnS)晶體構造，或稱為閃鋅礦構造。l
8、GaAs晶體中每個Ga原子和As原子共有一對價電子，形成四個共價鍵，組成共價四面體。l閃鋅礦構造和金剛石構造l 的不同之處在于套構成晶l 胞的兩個面心立方分別是l 由兩種不同原子組成的。圖1.4 GaAs的閃鋅礦結構 1.2 晶體的晶向與晶面晶體的晶向與晶面 l晶體是由晶胞周期性重復排列構成的，整個晶體就像網格，稱為晶格，組成晶體的原子(或離子)的重心位置稱為格點，格點的總體稱為點陣。l對半導體Si、Ge和GaAs等具有l(wèi) 金剛石或閃鋅礦構造的立方晶l 系，通常取某個格點為原點，l 再取立方晶胞的三個互相垂直l 的邊OA,OB,OC為三個坐標軸，l 稱為晶軸，見圖。圖1.5 立方晶系的晶軸l通
9、過晶格中任意兩格點可以作一條直線，而且通過其它格點還可以作出很多條與它彼此平行的直線，而晶格中的所有格點全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列晶列。圖1.6 兩種不同的晶列 l晶列的取向稱為晶向。l為表示晶向，從一個格點O沿某個晶向到另一格點P作位移矢量R，如圖，那么l R=l1a+l2b+l3cl假設l1:l2:l3不是互質的，通過l l1:l2:l3 m:n:p化為互質整數(shù)，l mnp就稱為晶列指數(shù)，寫成l mnp，用來表示某個晶向。 圖1.7 晶向的表示 l晶列指數(shù)就是某個晶向矢量在三晶軸上投影的互質整數(shù)。晶列指數(shù)就是某個晶向矢量在三晶軸上投影的互質整數(shù)。l 假設假設mn
10、p中有負數(shù)，負號寫在該指數(shù)的上方，中有負數(shù)，負號寫在該指數(shù)的上方， mnp和和 l 表示正好相反的晶向。表示正好相反的晶向。l同類晶向記為同類晶向記為 。l例：例： 代表了代表了100、00、010、00、001、00六個同類晶向；六個同類晶向；代表了立方晶胞所有空間對角代表了立方晶胞所有空間對角線的線的8個晶向；而個晶向；而表示立方晶胞所有表示立方晶胞所有12個面對角線的個面對角線的晶向晶向pnml晶格中的所有格點也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族，如下圖。l為表示不同的晶面，在三個晶軸上取某一晶面與三晶軸的截距r、s、t，如下圖。 圖1.8 晶面族 圖1.
11、9 晶面的截距l(xiāng)將晶面與三晶軸的截距r、s、t的倒數(shù)的互質整數(shù)h、k、l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記作(hkl)并用來表示某一個晶面l截距為負時，在指數(shù)上方加一短橫。l如果晶面和某個晶軸平行，截距為 ，相應指數(shù)為零。l同類型的晶面通常用hkl表示。圖1.10 立方晶系的一些常用晶向和晶面1.3 半導體中的缺陷半導體中的缺陷l弗侖克爾缺陷：一定溫度下，格點原子在平衡位置附近振弗侖克爾缺陷：一定溫度下，格點原子在平衡位置附近振動，其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量，抑制周圍動，其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量，抑制周圍原子化學鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形成間隙原子化學
12、鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形成間隙原子，原先所處的位置相應成為空位。這種間隙原子和空原子，原先所處的位置相應成為空位。這種間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。l肖特基缺陷：由于原子擠入間隙位置需要較大的能量，所肖特基缺陷：由于原子擠入間隙位置需要較大的能量，所以常常是外表附近的原子以常常是外表附近的原子A和和B依靠熱運動能量運動到外依靠熱運動能量運動到外面新的一層格點位置上，而面新的一層格點位置上，而A和和B處的空位由晶體內部原處的空位由晶體內部原子逐次填充，從而在晶體內部形成空位，而外表那么產生子逐次填充，從而在晶體內部形成空位，而外表那么
13、產生新原子層，結果是晶體內部產生空位但沒有間隙原子，這新原子層，結果是晶體內部產生空位但沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。種缺陷稱為肖特基缺陷。 l肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點缺陷點缺陷。l雖然這兩種點缺陷同時存在，但由于在Si、Ge中形成間隙原子一般需要較大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性遠比弗侖克爾缺陷大，因此Si、Ge中主要的點缺陷是空位(a) 弗侖克爾缺陷 (b) 肖特基缺陷 圖1.11 點缺陷l化合物半導體GaAs中，如果成份偏離正常化學比，也會出現(xiàn)間隙原子和空位。如果Ga成份偏多會造成Ga間隙原子和As空位；As成份偏多會造成As間隙原子和Ga空位。l化學比偏離還可能形成所
14、謂反構造缺陷，如GaAs晶體中As的成份偏多，不僅形成Ga空位，而且As原子還可占據(jù)Ga空位，稱為反構造缺陷。l此外高能粒子轟擊半導體時，也會使原子脫離正常格點位置，形成間隙原子、空位以及空位聚積成的空位團等。l位錯是晶體中的另一種缺陷，它是一種線缺陷。l半導體單晶制備和器件生產的許多步驟都在高溫下進展，因而在晶體中會產生一定應力。l在應力作用下晶體的一局部原子相對于另一局部原子會沿著某一晶面發(fā)生移動，如圖1.12(a)所示。這種相對移動稱為滑移，在其上產生滑移的晶面稱為滑移面，滑移的方向稱為滑移向。 (a) (b) 圖1.12 應力作用下晶體沿某一晶面的滑移l實驗說明滑移運動所需應力并不很大
15、，因為參加滑移的所有原子并非整體同時進展相對移動，而是左端原子先發(fā)生移動推動相鄰原子使其發(fā)生移動，然后再逐次推動右端的原子，最終是上下兩局部原子整體相對滑移了一個原子間距b，見圖1.12(b)。 l這時雖然在晶體兩側外表產生小臺階，但由于內部原子都相對移動了一個原子間距，因此晶體內部原子相互排列位置并沒有發(fā)生畸變。l在上述逐級滑移中會因為應力變小而使滑移中途中止，就出現(xiàn)了圖1.13(a)所示的情況。 l如果中途應力變小使滑移中止，滑移的最前端原子面AEFD左側原子都完成了一個原子間距的移動，而右側原子都沒有移動，其結果是好似有一個多余的半晶面AEFD插在晶體中，見圖1.13(b)。 l在AD線
16、周圍晶格產生畸變，而距AD線較遠處似乎沒有影響，原子仍然規(guī)那么排列，這種缺陷稱為位錯，它是一種發(fā)生在AD線附近的線缺陷，AD線稱為位錯線。l圖中滑移方向BA與位錯線AD垂直，稱為棱位錯。因為它有一個多余的半晶面AEFD像刀一樣插入晶體，也稱刃形位錯 (a) (b) 圖1.13 刃型位錯l圖所示的稱為螺旋位錯的滑移是沿BC方向，而原子移動沿BA方向傳遞，位錯線AD和滑移方向平行。與刃型位錯不同的是，這時晶體中與位錯線AD垂直的晶面族不再是一個個平行面，而是相互連接、延續(xù)不斷并形成一個整體的螺旋面。圖1.14 螺旋位錯l半導體中往往包含很多彼此平行的位錯線，它們一般從晶體一端沿伸到另一端，與外表相交。l半導體中還存在因原子排列次序的錯亂而形成的一種面缺陷，稱為層錯。lSi晶體中常見的層錯有外延層錯和熱氧化層錯。29謝謝欣賞！謝謝大家！
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