半导体物理学全套ppt课件

半导体物理安徽建筑工业学院教材及参考书目n半导体物理学刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社n半导体器件物理与工艺(美)A.S.格罗夫著，齐建译n半导体物理基础黄昆、韩汝琦著 n半导体器件 物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译 n半导体物理与器件基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen著n西安电子科技大学半导体物理学精品课程 http:/:8000/n课程考核办法课程考核办法:n本课采用闭卷笔试的考核办法。总评成绩本课采用闭卷笔试的考核办法。总评成绩构成比例为：平时成绩构成比例为：平时成绩30%；期末考试期末考试70%半导体物理学固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体（主要是半导体研究在固体（主要是半导体材料上构成材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科微电子学简介微电子学简介:半导体概要半导体概要微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域：光电集成、光电集成、MEMS、生、生物芯片物芯片半导体概要半导体概要固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性半导体的基本知识半导体的基本知识导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料导体半导体绝缘体电阻率(cm)10-310-3109109 此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括：n温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8，电阻率相应地降低50%左右n微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下n适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十Kn此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变n本课程的内容安排本课程的内容安排 以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象：n介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面n讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其杂质能级n在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平衡载流子的产生与复合n对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程n简要介绍了半导体表面的相关知识内容简介n半导体的晶格结构和电子状态n杂质和缺陷能级n载流子的统计分布n载流子的散射及电导n非平衡载流子npn结n半导体表面及MIS结构第一章 半导体中的电子状态本章重点n半导体单晶材料中的电子状态及其运动规律n领会“结构决定性质”处理方法n单电子近似能带论School of Microelectronics一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体的基本特点：晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成长程有序。（如Si，Ge，GaAs）School of Microelectronics晶体又可分为：单晶和多晶。单晶和多晶。单晶：单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。多晶：多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。School of Microelectronics 非晶（体）的基本特点：非晶（体）的基本特点：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列短程有序 （如非晶硅：a-Si）School of Microelectronics图1.1 非晶、多晶和单晶示意图二、晶体结构二、晶体结构n单胞单胞n对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的School of Microelectronics晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面l晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点格点，格点的总体称为点阵点阵。l对半导体Si、Ge和GaAs等具有 金刚石或闪锌矿结构的立方晶 系，通常取某个格点为原点，再取立方晶胞的三个互相垂直 的边OA,OB,OC为三个坐标轴，称为晶轴，见图1.5。图1.5 立方晶系的晶轴School of Microelectronicsl通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，而晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列晶列。图1.6 两种不同的晶列 School of Microelectronicsl晶列的取向称为晶向晶向。l为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量R，如图1.7，则 R=l1a+l2b+l3cl若l1:l2:l3不是互质的，通过 l1:l2:l3 m:n:p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写成 mnp，用来表示某个晶向。图1.7 晶向的表示 School of Microelectronicsl晶列指数晶列指数就是某个晶向矢量在三晶轴上投影的互质整数。若mnp中有负数，负号写在该指数的上方，mnp和 表示正好相反的晶向。l同类晶向记为。例：代表了100、00、010、00、001、00六个同类晶向；代表了立方晶胞所有空间对角线的8个晶向；而表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向School of Microelectronicsl晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族晶面族，如图1.8所示。l为表示不同的晶面，在三个晶轴上取某一晶面与三晶轴的截距r、s、t，如图1.9所示。图1.8 晶面族 图1.9 晶面的截距School of Microelectronicsl将晶面与三晶轴的截距r、s、t的倒数的互质整数h、k、l称为晶面指数或密勒指数晶面指数或密勒指数，记作(hkl)并用来表示某一个晶面l截距为负时，在指数上方加一短横。l如果晶面和某个晶轴平行，截距为，相应指数为零。l同类型的晶面通常用hkl表示。图1.10 立方晶系的一些常用晶向和晶面晶格（lattice）n周期性结构：如简立方、面心立方、体心立方等。晶胞（cell）n周期性重复单元n固体物理学原胞：最小重复单元n结晶学原胞：为反映对称性选取的最小重复单元的几倍1.金刚石结构和共价键n硅、锗：共价半导体n硅、锗晶体结构：金刚石结构n对于单晶Si或Ge，它们分别由同一种原子组成，通过二个原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。n这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力，称为共共价键价键。n由共价键结合而成的晶体称为共价晶体共价晶体。Si、Ge都是典型的共价晶体。一、共价键的形成和性质一、共价键的形成和性质 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。接近绝缘体。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。共价键的性质：饱和性和方向性饱和性和方向性n饱和性：饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制。Si、Ge等族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。n方向性：方向性：指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为10928，这种正四面体称为共价四面体。图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。图1.2 共价四面体二、金刚石晶格结构 金刚石由碳原子构成，在一个面心立方原胞内还有四个原子，这四个原子分别位于四个空间对角线的 14处。一个碳原子和其它四个碳原子构成一个正四面体。如图所示。Diamond structure School of MicroelectronicsSi、Ge晶体结构晶体结构l图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞l整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成l它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子l金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的l面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子的结构，如图1.3(b)所示School of Microelectronics图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方Znic-blende structure(ZnS)立方系的硫化锌具有和金刚石类似的结构，其中硫和锌分别组成面心立方结构的子晶格而沿空间对角线位移 14 的长度套构而成。这样的结构统称闪锌矿结构。金刚石结构n每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。n共价键夹角：10928金刚石结构结晶学原胞n两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。金刚石结构固体物理学原胞n中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格）图1.2