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1、半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 第第 2-32-3 章章 半导体物理基础半导体物理基础 1.1 1.1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构 1.2 1.2 半导体的导电性半导体的导电性 1.3 1.3 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 1.4 1.4 半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷 1.5 1.5 载流子的运动载流子的运动 1.6 1.6 非平衡载流子非平衡载流子 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂
2、移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合 本章重点本章重点 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.1 1.1 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于1010-8 -8m m），）， 绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于1010 6 6 mm）。）。 半导体半导体 五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构 简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心立方结构 面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构 晶体晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构
3、形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。 釙釙(Po) (Po) 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 晶体的原子按一晶体的原子按一 定规律在空间周定规律在空间周 期性排列，形成期性排列，形成 格点，成为晶格格点，成为晶格 。 体心立方结构体心立方结构 钠（钠（NaNa） 钼（钼（MoMo） 钨（钨（WW） 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 面心立
4、方结构面心立方结构 铝（铝（AlAl） 铜（铜（CuCu） 金（金（AuAu） 银（银（AgAg） 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 金刚石结构金刚石结构 硅（硅（SiSi） 锗（锗（GeGe） 由两个面心立方结构由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 大量的硅（大量的硅（SiSi）、锗）、锗 （GeGe）原子靠共价键）原子靠共价键 结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每 个
5、原子周围都有四个个原子周围都有四个 最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成 正四面体结构，正四面体结构， 。这。这 四个原子分别处在正四个原子分别处在正 四面体的四个顶角上四面体的四个顶角上 ，任一顶角上的原子，任一顶角上的原子 各贡献一个价电子和各贡献一个价电子和 中心原子的四个价电中心原子的四个价电 子分别组成电子对，子分别组成电子对， 作为两个原子所共有作为两个原子所共有 的价电子对。的价电子对。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 闪锌矿结闪锌矿结构构 砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs） 磷化镓磷化镓( (GaPGaP) ) 硫化锌硫化锌(
6、(ZnSZnS) ) 硫化镉硫化镉( (CdSCdS) ) 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 元素半导体元素半导体 化合物半导体化合物半导体 硅（硅（SiSi） 锗（锗（GeGe） 族元素族元素 如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓 ( (GaGa) )、铟、铟(In)(In)和和族元族元 素素 如磷如磷(P)(P)、砷、砷(As)(As)、 锑锑( (SbSb) )合成的合成的- -族族 化合物都是半导体材料化合物都是半导体材料 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心
7、原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。 例例1-11-1 解解 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 练习练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心 原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这 些原子占此面心立方单胞的空间比率。些原子占此面心立方单胞的空间比率。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物
8、理基础半导体物理基础 半导体器件物理 例例1-21-2 硅（硅（SiSi）在）在300K300K时的晶格常数为时的晶格常数为5.435.43。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol28.09g/mol） 解解 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 晶体的各向异性 沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期 性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在 不同方向的物理特性也不同
9、不同方向的物理特性也不同 。 晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同 方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、 导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强 度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 在在ACCAACCA平面平面 内有六个原子内有六个原子 ，在，在ADDAADDA平平 面内有五个原面内有五个原 子，且这两个子，且这两个 平面内原子的平面内原子的 间距不同。间距不同。 半导体器件物理 第第1
10、 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 晶面指数（密勒指数） 常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。 密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的： （1 1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距； （2 2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比； （3 3）将此结果以）将此结果以“ “（hklhkl）” ”表示，即为此平面的
11、密勒表示，即为此平面的密勒 指数。指数。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 如图，晶面如图，晶面ACCAACCA在在 坐标轴上的坐标轴上的 截距为截距为1 1，1 1， ， 其倒数为其倒数为1 1，1 1，0 0， 此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示 为（为（110110），）， 此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指 数）即为数）即为110110； 晶面晶面ABBAABBA用密勒指用密勒指 数表示为（数表示为（ ）；）； 晶面晶面DACDAC用密勒指数用密勒指数 表示为（表示为（ ）。）。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理
12、基础半导体物理基础 半导体器件物理 晶列指数晶向指数 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数 111、100、110 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 晶面指数（密勒指数） 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面 一族平行晶面用晶面指数来表示 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互 质数 (111)、(100)、(110) 相同指数的晶面和晶列互相垂直。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基
13、础 半导体器件物理 例例1-31-3 思考题思考题 立方晶体有几个 、? 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 1.21.2半导体的电性能半导体的电性能 温度与半导体温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。 金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度 升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）； 半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度 升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，
14、且增加得很快）。 对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小， 寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、 自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。 热敏电阻热敏电阻 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 杂质与半导体杂质与半导体 杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。 例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14102.1410 7 7 mm，若，若 掺入百分之一的杂质（如磷原子），
15、其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至 20m20m。 虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原 来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用 了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。 半导体器件物理 第第1 1部分部分 半导体物理基础半导体物理基础 半导体器件物理 光照与半导体光照与半导体 光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。 例如，硫化镉（例如，硫化镉（CdSCdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧）薄膜的暗电阻为几十兆欧 ，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照 以后改变了几百倍。以后改变了几百倍。 成为自动化控制
