第1章 能带和热平衡载流子浓度01

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1 本章内容本章内容 半导体材料半导体材料 基本晶体结构基本晶体结构 共价键共价键 能带能带 本征载流子浓度本征载流子浓度 施主和受主施主和受主第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理2固态材料（固态材料（导电性导电性）：绝缘体、半导体、导体。）：绝缘体、半导体、导体。 绝缘体：绝缘体：电导率很低，约介于电导率很低，约介于10-18S/cm10-8S/cm，如熔融石英及玻璃；，如熔融石英及玻璃； 导导 体：体：电导率较高，介于电导率较高，介于104S/cm106S/cm，如铝、银等金属；，如

2、铝、银等金属； 半导体：半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。电导率则介于绝缘体及导体之间。181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610

3、810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英1.1 半导体材料半导体材料第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理3p 半导体的特点：半导体的特点：易受易受温度、光照、磁场及微量杂质原温度、光照、磁场及微量杂质原 子子的影响。的影响。 正是半导体的这种正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性对电导率的高灵敏度特性使半导体成使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。为各种电子应用中最重要的材料之一。p 半导体材料的类型：半导体材料的类型

4、：l 元素半导体：元素半导体：硅（硅（Si）、锗（、锗（Ge）l 化合物半导体：化合物半导体：砷化镓（砷化镓（GaAs）、磷化铟（、磷化铟（InP）等）等第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理4硅、锗硅、锗：单一原子组：单一原子组成的元素半导体，周成的元素半导体，周期表第期表第IV族元素。族元素。 20世纪世纪50年代初期年代初期，锗；，锗； 60年代初期以后年代初期以后，硅。硅。周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅周期IIIII

5、IVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅硅的优势：硅的优势：室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量丰室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量丰富，仅次于氧。富，仅次于氧。1.1.1 元素半导体元素半导体第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理5类别：类别： 二元化合物半导体：二元化合物半导体：由两种元素组成。由两种元素组成。 三元化合物半导体：三元化合物半导体：由三种元素组成。由三种元素组成。 多元化合物半导体：多元化合物半导体：由三种及以上元素组

6、成。由三种及以上元素组成。n 化合物半导体的优势：化合物半导体的优势：具有与硅不同的电和光特性。具有与硅不同的电和光特性。如如GaAs等，主要用于高速光电器件。等，主要用于高速光电器件。n 化合物半导体的不足：化合物半导体的不足：与元素半导体相比，制作单晶与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。1.1.2 化合物半导体材料化合物半导体材料第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理61.2 基本晶体结构基本晶体结构 单晶单晶：原子原子在三维空间是在三维空间是周期性排列的。周期性排列

7、的。 晶格晶格：晶体中原子的周期：晶体中原子的周期性排列。晶格中的原子被性排列。晶格中的原子被抽象为一个点，称为抽象为一个点，称为格点格点。第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理71.2.1 单胞单胞 单胞单胞：以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所：以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体；通常以一个单胞来代表整个晶格，将构成的平行六面体；通常以一个单胞来代表整个晶格，将此单胞向晶体的四面八方延伸，即可得到完整的晶格。此单胞向晶体的四面八方延伸，即可得到完整的晶格。 单胞与晶格的关系可用三个向量单胞与晶格的关系可用三

8、个向量 、 、 来表示，它们来表示，它们不不需彼此正交需彼此正交，而且，而且长度上不一定相等长度上不一定相等。 三维结构晶体中，任意等价晶格点可表示为三维结构晶体中，任意等价晶格点可表示为其中，其中，m、n、p是整数。是整数。abcRmanbpcacbacb单胞单胞第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理8p立方晶系基本的晶体结构：立方晶系基本的晶体结构： 简单的立方晶格简单的立方晶格 每个顶角有一个原子每个顶角有一个原子 体心立方晶格体心立方晶格 除顶角外在立方体中除顶角外在立方体中心还有一个原子心还有一个原子yxzxzayzxy 面心立方晶格

9、面心立方晶格 简立方的六个面的中简立方的六个面的中心各有一个原子心各有一个原子P20 例例1其中，长度其中，长度a称为称为晶格常数晶格常数。第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理9金刚石晶格金刚石晶格闪锌矿晶格闪锌矿晶格 金刚石晶格结构金刚石晶格结构（硅、锗）：属面心立方晶体家族，可看作由（硅、锗）：属面心立方晶体家族，可看作由两个面心立方晶格（子晶格）相互套构形成，两个子晶格沿体两个面心立方晶格（子晶格）相互套构形成，两个子晶格沿体对角线方向偏移的距离为体对角线的对角线方向偏移的距离为体对角线的1/4。虽然分别属于两个子。虽然分别属于两个子晶

10、格的两组原子在化学上是相同的，但以晶格角度看却不同。晶格的两组原子在化学上是相同的，但以晶格角度看却不同。 闪锌矿晶格结构闪锌矿晶格结构（GaAs）：与金刚石晶格类似，只是相互套构）：与金刚石晶格类似，只是相互套构的两个面心立方子晶格中的原子分别为的两个面心立方子晶格中的原子分别为III族原子（族原子（Ga）和）和V族族原子（原子（As）。）。P21 例例21.2.2 金刚石结构金刚石结构第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理10 晶面：晶格的格点可以看成分列在平行等距的平面系上，这晶面：晶格的格点可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称

11、为样的平面称为晶面晶面。 由于不同晶面的原子间距不同；因此，晶体沿不同晶面的特由于不同晶面的原子间距不同；因此，晶体沿不同晶面的特性不同，其电特性及其他器件特性都与晶体方向有关系。性不同，其电特性及其他器件特性都与晶体方向有关系。 密勒指数（密勒指数（Miller Indices）：定义晶体中的不同晶面。可由：定义晶体中的不同晶面。可由下列步骤确定：下列步骤确定：1. 找出晶面在坐标系中三个坐标轴上的截距（以晶格常数为单位）；找出晶面在坐标系中三个坐标轴上的截距（以晶格常数为单位）；2. 取这三个截距值的倒数，并将其化为最小的整数比；取这三个截距值的倒数，并将其化为最小的整数比；3. 将此结果

12、以将此结果以“（hkl）”表示，即为这个平面的密勒指数。表示，即为这个平面的密勒指数。P22 例例31.2.3 晶面及密勒指数晶面及密勒指数第第1 1章章 能带和热平衡载流子浓度能带和热平衡载流子浓度半导体器件物理半导体器件物理11p以下是一些其他约定记号：以下是一些其他约定记号：1.(hkl)：代表在：代表在x轴上截距为负的平面，如轴上截距为负的平面，如(100)。2.hkl：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用用100表示表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)；3.hkl：代表一：代表一晶体的方向晶体的方向，如，如100表示表示x轴方向。轴方向。100方向定义为垂直于方向定义为垂直于(100)平面的方向，而平面的方向，而111则为垂直于则为垂直于(111)平面的方向。平面的方向。4.：代表等效方向的所有方向组，如：代表等效方向的所有方向组，如代表代表100、010、001、 100、010、001 。(010)aaa(001)O(100)yxza