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1、,1.1 半导体的晶格结构 1.2 半导体的导电性 1.3 半导体中的电子状态和能带 1.4 半导体中的杂质与缺陷 1.5 载流子的运动 1.6 非平衡载流子 1.7 习题,【5A版】半导体器件物理详尽版课程, 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 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合,半导体的晶格结构,1.1,电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8m），绝缘体（电阻率大于106m）。,半导体,五种常见的晶格结构,简单立方结构 体心立方结构 面心立方结构 金刚石结构 闪锌矿结构,晶体,自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为
2、晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。,釙(Po),晶体的原子按一定规律在空间周期性排列，称为晶格。,体心立方结构,钠（Na） 钼（Mo） 钨（W）,面心立方结构,铝（Al） 铜（Cu） 金（Au） 银（Ag）,金刚石结构,硅（Si） 锗（Ge）,由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。,大量的硅（Si）、锗（Ge）原子靠共价键结合组合成晶体，每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构， 。这四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中心原子的四个价电子分别组成电子对，作为两个原子所共有的价电子对。
3、,闪锌矿结构,砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS),元素半导体,化合物半导体,硅（Si） 锗（Ge）,族元素如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和族元素如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)合成的-族化合物都是半导体材料,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。,例1-1,解,练习,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，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。,解,例1-2,硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43。请计算出每立方厘米体积中硅原子
4、数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为28.09g/mol）,解,晶体的各向异性,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、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。,在ACCA平面内有六个原子，在ADDA平面内有五个原子，且这两个平面内原子的间距不同。,晶面指数（密勒指数）,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： （1）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； （2）取截距的倒数，然后约简为
5、三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。,如图，晶面ACCA在坐标轴上的 截距为1，1， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示为（110）， 此晶面的晶向（晶列指数）即为110； 晶面ABBA用密勒指数表示为（ ）； 晶面DAC用密勒指数表示为（ ）。,100,111,试求ADDA的密勒指数。,练习,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,晶面指数（密勒指数）,任何三个原子组成
6、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。,1.2,半导体的电性能,温度与半导体,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（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。 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、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。,热敏电阻,杂质与半导体,杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。
7、 例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14107m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20m。 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了半导体的这一特性。,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。 例如，硫化镉（CdS）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，阻值在受光照以后改变了几百倍。 成为自动化控制中的一个重要元件。,光敏电阻,其他因素与半导体,除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。,硅 （Si）,在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要的半
8、导体材料，但自60年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。 现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。 到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。,1.3,半导体中的电子状态和能带,单个原子的电子,电子,静电引力（库仑力），使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。 量子力学 虽然在空间的所有范围内都有电子出现的几率，但对单个原子中的电子而言，其几率的最大值则局限在离
9、原子核中心很小的范围内（玻尔半径数量级）。 轨道 电子云在空间分布几率最大值，即轨道上，电子出现的几率最大。,电子受到原子核和其他电子的共同作用。,-,E1,E2,E3,原子核,能级,晶体中的电子,当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。 电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。,制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。 单晶体是由原子按一定周期重复排列而成，且排列相
10、当紧密，相邻原子间距只有零点几个纳米的数量级。,共有化运动,由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。,在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动； 但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。,半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。,当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。,能级,能带,允带, 禁带, 满带,
11、空带,允许电子存在的一系列准连续的能量状态,禁止电子存在的一系列能量状态,被电子填充满的一系列准连续的能量状态 满带不导电,没有电子填充的一系列准连续的能量状态 空带也不导电,图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）,导带,价带,有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。,由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。,禁带宽度/Eg,导带和价带之间的能级宽度， 单位是能量单位：eV（电子伏特）,图1-6 导体、绝缘体、半导体的能带示意图,能带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电,禁带很宽，价带电子常温下不能被激发到空的导带,禁
12、带比较窄，常温下，部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能带电,36eV,硅1.12eV 锗0.67 eV 砷化镓 1.42 eV,空穴,价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。 价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带正电荷的“准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。 所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。,图中“ ”表示价带内的电子 ;图中“ ”表示价带内
13、的空穴。,既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？,思考,图1-7 一定温度下半导体的能带示意图,导带底EC,价带顶EV,禁带宽度 Eg,本征激发,导带电子的最低能量,价带电子的最高能量,Eg=Ec-Ev,由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带电子的过程 。,准连续 准粒子 准自由,注意三个“准”,整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。 简述空穴的概念。,练习,1.4,半导体中的杂质和缺陷,理想的半导体晶体,实际应用中的 半导体材料,十分纯净 不含任何杂质 晶格中的原子严格按周期排列的,原
14、子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动 并不是纯净的，而是含有若干杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其他化学元素的原子 晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷,极其微量的杂质和缺陷， 能够对半导体材料的物理性质 和化学性质产生决定性的影响,在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。 （缺陷的一种）,例1,例2,理论分析认为,由于杂质和缺陷的存在，会
15、使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。,杂质来源,一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。,金刚石结构的特点,原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。,杂质的填充方式,一）杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充； 二）杂质原子取代晶格 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。,间隙式杂质,替位式杂质,两种杂质的特点,间隙式杂质 原子半径一般比较小，如
16、锂离子（Li+）的半径为0.68 ，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质 原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是族元素，与、族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。,杂质浓度,单位体积中的杂质原子数，单位cm-3,施主杂质和施主能级,硅中掺入磷（P）为例，研究族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。,多余的电子束缚在正电中心周围，但
