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1、半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1 1页页2012016 6年年9 9月月1818日星期日日星期日半导体物理学一、本课程的教学计划一、本课程的教学计划二、主要参考书二、主要参考书 半导体物理学半导体物理学顾祖毅顾祖毅 半导体物理学半导体物理学刘文明刘文明三、习题课三、习题课四、考试成绩分配四、考试成绩分配 最后期末成绩最后期末成绩80%+10%作业作业+10%平时平时半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部课程地位：课程地位：本课程是电子科学与技术本科专业的专业基础课本课程是电子科学与技术本科专业的专业基础课；前续课前续课有普通物理、理论物理、固体物理有普

2、通物理、理论物理、固体物理；后续课程后续课程是半导体器件物理、集成电路设计、光电子器件和功率是半导体器件物理、集成电路设计、光电子器件和功率器件等课程，是本专业中，开始了解和掌握利用半导体晶体制器件等课程，是本专业中，开始了解和掌握利用半导体晶体制备固态器件的首门课程。备固态器件的首门课程。课程通过对半导体晶体特性的学习，掌握半导体中导电粒子（电课程通过对半导体晶体特性的学习，掌握半导体中导电粒子（电子和空穴）的状态描述，杂质对导电能力改进机理，以及载流子和空穴）的状态描述，杂质对导电能力改进机理，以及载流子在半导体中多种运动规律，进而制备最基本子在半导体中多种运动规律，进而制备最基本PNPN

3、结，结，MOSMOS结构结构，实现利用载流子传输、处理信息的基本原理。通过课程的学，实现利用载流子传输、处理信息的基本原理。通过课程的学习，除了掌握为后续课程所需的基本知识点，还要掌握半导体习，除了掌握为后续课程所需的基本知识点，还要掌握半导体中分析和处理载流子运动状态的方法和能力。中分析和处理载流子运动状态的方法和能力。 第第2 2页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 教学目的：教学目的： 总的教学目标是：使学生掌握总的教学目标是：使学生掌握“半导体物理半导体物理”中的基本中的基本概念、基本理论、基本原理和分析方法，从

4、整体上认识概念、基本理论、基本原理和分析方法，从整体上认识如何利用半导体晶体实现功能信息处理的核心理论和知如何利用半导体晶体实现功能信息处理的核心理论和知识点，并掌握半导体器件中分析载流子运动特性的方法识点，并掌握半导体器件中分析载流子运动特性的方法和理论。和理论。 第第3 3页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部对本专业毕业要求的支持度对本专业毕业要求的支持度: : 通过本课程的学习，对毕业要求能力要求指标点的支撑：毕业要求1：半导体物理属于本专业必修基础课程之一，掌握这些理论，能够培养学生解决器件在设计、制备和应用领域

5、解决遇到的较大问题能力，能够运用这些知识解决半导体材料、微电子器件或微电子电路（含集成电路）领域的基本问题。毕业要求2：能够应用半导体物理基本原理，识别、表达，并通过文献研究，分析与器件、电路（含集成电路）或简单系统相关的复杂工程问题，以获得有效结论。毕业要求4：能够基于半导体物理并采用科学方法对半导体器件、微电子电路（含集成电路）等领域的工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结果。毕业要求12：通过半导体物理学习，建立较好的基础，并逐步具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 第第4 4页页2012015 5年年9 9月月2121日星期

6、一日星期一半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部本课程主要内容：本课程主要内容： 半导体晶体结构半导体晶体结构 半导体中电子态半导体中电子态 半导体掺杂半导体掺杂 半导体中载流子浓度半导体中载流子浓度 载流子输运特性载流子输运特性 非平衡态载流子非平衡态载流子 半导体半导体PNPN结结 半导体半导体MOSMOS结构结构 金属半导体结构金属半导体结构半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第6 6页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日固体固体非晶体：玻璃，塑料等非晶体：玻璃，塑料等晶体晶体单晶体：单晶体：Si，Ge，GaAs等等多晶体：多晶硅等多

7、晶体：多晶硅等 第一章第一章 半导体的晶体结构和缺陷半导体的晶体结构和缺陷 固体物理基本概念回顾固体物理基本概念回顾固态电子器件是关心电子在固体中运动的性质；固态电子器件是关心电子在固体中运动的性质；而电子的运动一定与固体中原子的排列相关；而电子的运动一定与固体中原子的排列相关；半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第7 7页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日 单晶单晶 非晶非晶 多晶多晶 有周期性有周期性 无周期性无周期性 每个小区域有周期性每个小区域有周期性非晶（无定型材料）非晶（无定型材料）：只在几个原子或分子内有序；：只在几个原子或分子内有序；多

8、晶：多晶：在许多个原子或分子的尺度上有序；在许多个原子或分子的尺度上有序；单晶：单晶：在整个区域内原子和分子有序；在整个区域内原子和分子有序；半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部原子力显微晶体图像原子力显微晶体图像半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第9 9页页一、晶格的周期性一、晶格的周期性基元基元：每个最小的重复单元。：每个最小的重复单元。原胞原胞：一个晶格最小的周期性单元：一个晶格最小的周期性单元原胞的选取不是唯一的；原胞的选取不是唯一的；三维晶格的原胞通常是一个平行六面体。三维晶格的原胞通常是一个平行六面体。半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工

9、大信息学部 第第1010页页单胞单胞：反映晶体的周期性和对称性。：反映晶体的周期性和对称性。如如SiSi、GeGe的金刚石结构；的金刚石结构；布拉伐格子布拉伐格子：基元代表点的空间分布；：基元代表点的空间分布；面心立方、体心立方、铅锌矿结构；面心立方、体心立方、铅锌矿结构；123aaiaajaak晶格基矢：是指原胞的边矢量晶格基矢：是指原胞的边矢量 半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1111页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日二、二、晶体的对称性晶体的对称性定义：相同的性质在不同的方向或位置上有规律的重复定义：相同的性质在不同的方向或位置上有规律的

10、重复的性质叫做对称性；的性质叫做对称性；当晶体经过一个运动操作后，晶体的各种性质不发生任当晶体经过一个运动操作后，晶体的各种性质不发生任何变化；何变化； 一般该操作称为对称操作；一般该操作称为对称操作；半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1212页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日三、三、晶向晶向同一个格子可以形成方向不同一个格子可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义同的晶列，每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶了一个方向，该方向称为晶向；向；晶向指数晶向指数标记：沿某一晶向，标记：沿某一晶向，从一个原子到最近的原子位从一个原子到最近的原子位移矢量

11、为移矢量为则该晶向就用则该晶向就用l l1 1、l l2 2、l l3 3标志，标志，写成写成 l l1 1l l2 2l l3 3 ，称为晶向指，称为晶向指数。数。332211alalal半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1313页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日以简立方晶格为例，以简立方晶格为例，100100 : OA 立方边立方边111111 : OC 体对角线体对角线110110 : OB 面对角线面对角线 半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1414页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日等效晶向

12、等效晶向 由于晶格的对称性，晶体在一些方向上的性质完全由于晶格的对称性，晶体在一些方向上的性质完全相同，统称这些晶向为等效晶向。相同，统称这些晶向为等效晶向。 立方边共有立方边共有6 6个不同的晶向，写成个不同的晶向，写成100100； 面对角线共有面对角线共有1212个，写成个，写成； 体对角线共有体对角线共有8 8个，写成个，写成；半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1515页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日四、四、晶面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，这样的平面称为晶面，样的平面称为

13、晶面，半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1616页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日 晶面指数晶面指数 晶面的标志即晶面指数晶面的标志即晶面指数, ,也称谓密勒指数。也称谓密勒指数。 密勒指数的确定：晶格中选一格点为原点，并以密勒指数的确定：晶格中选一格点为原点，并以3 3个个基矢基矢a a1 1,a,a2 2,a,a3 3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与一晶面与3 3个坐标轴交点的位矢分别为个坐标轴交点的位矢分别为rara1 1,sa,sa2 2,ta,ta3 3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即则它

14、们的倒数连比可化为互质的整数，即 其中其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（为互质的整数，晶体学中以（hkl）来）来标志该晶面，称为密勒指数。标志该晶面，称为密勒指数。lkhtsr:1:1:1半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1717页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日 图中示出了简立方中某图中示出了简立方中某3 3个晶面的密勒指数：个晶面的密勒指数： 侧面：侧面： （100100） 对角面：（对角面：（110110） 顶对角面：（顶对角面：（111111）半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1818页页20112011年年

15、1010月月9 9日星期日日星期日等效晶面等效晶面由于晶格的对称性，晶体在一些晶面的性质完全相同，由于晶格的对称性，晶体在一些晶面的性质完全相同，统称等效晶面统称等效晶面立方晶体中的立方体共有立方晶体中的立方体共有6 6个不同的侧面，写成个不同的侧面，写成100;100;对角面共有对角面共有1212个，统称这些对角面时，写成个，统称这些对角面时，写成110;110;顶对角面共有顶对角面共有8 8个，统称这些顶对角面时，写个，统称这些顶对角面时，写111111；半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第1919页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日半导体物理学

16、半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2020页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2121页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2222页页20112011年年1010月月9 9日星期日日星期日电阻率介于电阻率介于1010-3-3-10-106 6.cm.cm，可变化区间大，介于金属，可变化区间大，介于金属（10106 6.cm.cm）和绝缘体（）和绝缘体（10101212.cm.cm）之间）之间不同掺杂类型的半导体做成不同掺杂类

17、型的半导体做成pnpn结后，或是金属与半导体接结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导变化，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子半导体中存在着电子与空穴两种载流子纯净半导体电阻率为负温度系数，纯净半导体电阻率为负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数1.1 1.1 半导体的基本性质半导体的基本性质一、一、半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工

18、大信息学部 第第2323页页 元素半导体元素半导体元素周期表中从金属到非金属的过渡区元素构成的半导体。元素周期表中从金属到非金属的过渡区元素构成的半导体。Si、Ge是常用的半导体材料，用于是常用的半导体材料，用于VLSIVLSI，大多数半导体器件。，大多数半导体器件。 化合物半导体化合物半导体 某些某些族化合物（族化合物（A AIIIIIIB BV V）和）和族化合物族化合物 （A AIIIIB BVIVI）具有半导体性质，具有半导体性质， ：AL，Ga，In P，As，Sb（碲）（碲） ：Zn，Cd，Hg S，Se，Te 常用的有：常用的有：GaAs ，GaP ，InP，InAs，InSb，

19、PbS, GaN 用于高速器件，高速集成电路，发光，激光，红外探测等。用于高速器件，高速集成电路，发光，激光，红外探测等。二、常见的半导体材料二、常见的半导体材料半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2424页页常见的半导体材料常见的半导体材料半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2525页页构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2626页页混合晶体构成的半导体材料混合晶体构成的半导体材料两种两种-族化合物按一比例组成族化合物按一比例组成:

20、 xA: xAC C+(1-+(1-x)Bx)BC C两种两种-族化合物按一比例组成族化合物按一比例组成: xA: xAC C+(1-+(1-x)Bx)BC C 由于可能通过选取不同比例的由于可能通过选取不同比例的x x，而改变混晶的，而改变混晶的物理参数物理参数( (禁带宽度，禁带宽度， 折射率等折射率等) )，这样人们可以根，这样人们可以根据光学或电学的需要来调节配比据光学或电学的需要来调节配比x x。 主要用在异质结，超晶格和远红外探测器主要用在异质结，超晶格和远红外探测器。半导体物理学半导体物理学北工大信息学部北工大信息学部 第第2727页页1.2 1.2 半导体的晶格结构半导体的晶格结构一、常见半导体的结构类型与共价四面体一、常见半导体的结构类型与共价四面体 六种常见结构类型六种常见结构类型 金刚石结构金刚石结构Si、Ge 闪锌矿结构闪锌矿结构GaAs、InPInP、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe、 GaP 纤锌矿结构纤锌矿结构GaN、AlN 氯化钠结构氯化钠结构PbS、Pb