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1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第 1 章半导体特性半导体特性 1.1 1.1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构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载流子的运动载流子的运动1.6 1.6 非平衡载流
2、子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子1.7 1.7 习题习题习题习题半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 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 本章重点本章重点本章重点本章重点半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.11.1 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电阻率介于
3、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。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于1010-8-8mm），），），），绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于10106 6mm）。）。）。）。 半导体半导体五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构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简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心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面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构 晶体晶体 自然界中存
4、在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，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）。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）。 釙釙釙釙(Po) (Po) 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的
5、原子按一晶体的原子按一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定规律在空间周定规律在空间周期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为晶格。晶格。晶格。晶格。体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（钼（钼（钼（MoMo）钨（钨（钨（钨（WW） 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（铝（AlAl）铜（铜（铜（铜（CuCu）金（金（金（金（AuAu）银（银（银（银（AgAg） 半导体器件物理半导
6、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe） 由两个面心立方结构由两个面心立方结构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。长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物
7、理大量的硅（大量的硅（大量的硅（大量的硅（SiSi）、锗）、锗）、锗）、锗（GeGe）原子靠共价键）原子靠共价键）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，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每个原子周围都有四个个原子周围都有四个个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，正四面体结构，正四面体结构， 。这。这。这。这四个原子分别处在正四个原子分别处在正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，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各
8、任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的价电子对。价电子对。价电子对。价电子对。 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构砷化镓（砷化镓（砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）磷化镓磷
9、化镓磷化镓磷化镓(GaP) (GaP) 硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnS) (ZnS) 硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS) 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）族元素族元素族元素族元素 如铝如铝如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓、镓、镓(Ga)(Ga)、铟、铟、铟、铟(In)(In)和和和和 族元族元族元族元素素素素 如磷如磷如磷如磷(P)(P)、砷、砷、砷、砷(As
10、)(As)、锑锑锑锑(Sb)(Sb)合成的合成的合成的合成的-族化族化族化族化合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 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
11、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。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。例例例例1-11-1解解解解半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习练习练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面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顶点
12、四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立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。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。解解解解半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理例例例例1-21-2硅（硅（硅（硅（SiSi）在）在）在）在300K300K时的晶格常数为时的晶格常数为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。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
13、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） 解解解解半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的各向异性晶体的各向异性 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
14、晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同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、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。度、磁化率和
15、折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理在在在在ACCAACCA平面平面平面平面内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，在在在在ADDAADDA平面平面平面平面内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，且这两个平面且这两个平面且这两个平面且这两个平面内原子的间距内原子的间距内原子的间距内原子的间距不同。不同。不同。不同。 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件
16、物理晶面指数（密勒指数）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。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：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）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；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）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；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）将此结果以）将此结果以“ “（hklhkl）” ”表示，即为此平面的密表示，即为此
