半导体物理课件

1、半导体晶格结构及表面结构庞智勇山东大学物理学院本幻灯片参照刘恩科等所编教材半导体物理学编写主要内容：1.1 半导体的晶格结构及主要测定方法1.2 半导体的表面结构及主要的实验方法半导体物理 Semiconductor Physics半导体的晶格结构半导体物理 Semiconductor Physics金刚石结构闪锌矿结构纤锌矿结构半导体物理 Semiconductor Physics硅、锗、金刚石等具有金刚石结构结构特点：每个原子周围都有四个最近邻原子，组成一个正四面体结构。金刚石结构Diamond structure半导体物理 Semiconductor Physics金刚石结构晶胞：一种由

2、相同原子构成的复式晶格，它由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成半导体物理 Semiconductor Physics由III族元素铝、镓、铟和V族元素磷、砷、锑合成的III-V族化合物半导体材料，绝大多数具有闪锌矿结构，如GaAs、InSb、GaP等由II族元素锌、镉、汞和VI族元素硫、硒、碲合成的II-VI族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金属*外都是半导体材料，大部分也都具有闪锌矿结构，但是有些也可具有六角晶系纤锌矿结构，如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe等闪锌矿结构与金刚石结构类似，不同在于其晶格由两种不同原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移四分之一长

3、度套构而成。闪锌矿结构Zinc blende structure*半金属(semi-metal)与半金属(half-metal)半导体物理 Semiconductor Physics半金属 semi-metals 性质介于金属和非金属之间的元素。半金属元素在元素周期表中处于金属向非金属过渡位置，通常包括硼、硅、砷、碲、硒、钋和砹，锗、锑也可归入半金属。若沿元素周期表A族的硼和铝之间到 A 族的碲和钋之间画一锯齿形斜线，则贴近这条斜线的元素（除铝外）都是半金属。半金属性脆，呈金属光泽，负电性在1.82.4之间，大于金属，小于非金属。半金属与非金属作用时常作为电子给予体，而与金属作用时常作为电子接

4、受体。其氧化物与水作用生成弱酸性或弱碱性的溶液。半金属大多是半导体，具有导电性，电阻率介于金属（10-5欧姆厘米以下）和非金属（1010欧姆厘米以上）之间，导电性对温度的依从关系通常与金属相反，如果加热半金属，其电导率随温度的升高而上升。半金属大都具有多种不同物理、化学性质的同素异形体，广泛用作半导体材料。半金属semi-metals半金属这个名词起源于中世纪的欧洲，用来称呼铋，因为它缺少正常金属的延展性，只算得上“半”金属。目前则指导电电子浓度远低于正常金属的一类金属。如砷、锑、铋、石墨等。除上述元素外，化合物也可以是半金属，如 Mg2Pb。另有一些化合物，如HgTe、HgSe等禁带宽度等于

5、零，有时称作零禁带半导体，实质上也是半金属。 半金属能带的特点 它的导带与价带之间有一小部分重叠。不需要热激发，价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部。因此在绝对零度时，导带中就已有一定的电子浓度，价带中也有相等的空穴浓度。这是半金属与半导体的根本区别。但因重叠较小，它和典型的金属也有所区别。半金属(half-metal)半导体物理 Semiconductor Physics 半金属是一种具有特殊电子结构的固体材料，费米面附近传导电子的自旋方向都相同，极化率为100。 半金属(half-metal)和传统的半金属(semi-metal)是两个完全不同的概念，为避免混淆后者可称为类金属。典型的类

6、金属有铋(bismuth)和石墨等半导体物理 Semiconductor Physics纤锌矿结构和闪锌矿结构相接近，它也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性。硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe、硫化镉CdS、硒化镉CdSe等可以闪锌矿和纤锌矿两种方式结晶。纤锌矿结构Wurtzite structure半导体的结合性质半导体物理 Semiconductor Physics共价结合与离子结合共价四面体结构混合键共价结合与离子结合半导体物理 Semiconductor Physics固体中存在的四种基本结合形式：共价结合、离子结合、金属性结合与范德瓦尔斯结合晶体的结合性质

7、与组成晶体的原子得失价电子的能力密切相关。电负性（负电性）综合了原子得失电子的能力，首先由莱纳斯鲍林于1932年提出。它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性。元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强。半导体物理 Semiconductor Physics对同一周期元素，由左至右电负性逐渐增大；对同一族元素，由上至下电负性逐渐减小。电负性小的元素易给出电子，通常以金属形式存在；电负性较大的元素，通常以共价键结合，具有半导体或绝缘体性质就化合物而言，由电负性很强和电负性很弱的两种元素形成的晶体是典型的离子晶体；电负性相近的两种

8、元素倾向于形成共价键半导体通常以共价结合为基础，但是在化合物半导体中通常含有不同程度的离子结合成分在共价化合物中，每个原子所形成的共价键数目并不简单地由每个原子的价电子数决定，而是决定于平均价电子数。例如GaAs中，Ga和As分别具有3个和5个价电子，平均价电子数为4，所以能形成4个共价键共价四面体结构半导体物理 Semiconductor Physics原子在化合成分子的过程中，根据原子的成键要求，在周围原子影响下，将原有的原子轨道进一步线性组合成新的原子轨道。这种在一个原子中不同原子轨道的线性组合，称为原子轨道的杂化。杂化后的原子轨道称为杂化轨道。杂化时，轨道的数目不变，轨道在空间的分布方

9、向和分布情况发生改变。 在四面体结构的共价晶体中，以Si、Ge为例，最外面的价电子壳层有1个s态轨道和3个p态轨道。处在p态中的电子形成的共价键应是互相垂直的，但实际形成的4个共价键之间具有相同的夹角10928。这是因为四个共价键实际上是以s态和p态波函数的线性组合为基础，发生了所谓的轨道杂化。以上述sp3杂化轨道为基础形成共价键。Linus Carl Pauling （1901-1994）美国著名化学家，量子化学的先驱者之一。1954年诺贝尔化学奖，1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖，其后他主要的行动为支持维C在医学的功用。鲍林被认为是20世纪对化学科学影响最大的人之一，他

10、所撰写的化学键的本质被认为是化学史上最重要的著作之一，他提出的电负性、共振论、价键理论、杂化轨道、蛋白质折叠等概念和理论在当今的化学界都有着非常基础和广泛的使用。 混合键半导体物理 Semiconductor Physics共价性的A8-NBN类型的化合物与IV族元素半导体类似，共价键也是以sp3杂化轨道为基础的，但是与IV族元素半导体相比有一个重要区别，这就是在共价性化合物晶体中，结合的性质具有不同程度的离子性，常称这类半导体为极性半导体。在共价化合物中，电负性弱的原子平均来说带有正电，而电负性强的原子则平均来说带有负电。正负电荷之间的库仑相互作用对于结合能有一定的贡献，这种情形与离子结合相

11、似，这就是所谓的离子性。由于这种离子性，由电负性差别较大的两元素形成的化合物（离子性较强）常倾向于形成纤锌矿结构；在共价结合占优势的情况下，倾向于形成闪锌矿结构。离子性的大小对晶体的许多性质产生影响，如力学的解理面方向等，有一些离子性强的化合物半导体，只能呈现n型或p型，成为单极性半导体。 晶格结构的测定方法 - X射线衍射法(X-ray diffraction, XRD)半导体物理 Semiconductor Physics1895年伦琴（德国，W.K.Rontgen）发现X射线德国科学家劳埃（M.Laue）提出了用晶体作为天然立体光栅用于X射线衍射的想法， 1912年劳埃和他的学生W.Fr

12、iedrich和P.Knipping用CuSO45H2O晶体观察到了X射线衍射图。1913-1914年，英国科学家W.H.Bragg和W.L.Bragg确定了X射线晶体结构分析方法并首次测定了NaCl的晶体结构。M.LaueW.H.BraggW.L.Bragg实验原理半导体物理 Semiconductor Physics有两个基本的方程：Laue方程和Bragg方程。Laue方程以直线点阵为出发点， Bragg方程以平面点阵为出发点，两者是等效的。下面为Bragg方程： 布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线

13、状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一角符合布喇格条件的反射面得到反射,测出后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。半导体物理 Semiconductor Physics根据Bragg条件：2dsin=n可采用改变或来实现改变或不同。有如下方法：衍射方法 适用试样1.劳埃法变 不变单晶（ 连续X线）2.转晶法不变 变 单晶（单色X光）3.粉末法不变 变 多晶粉末（照相法） （单色X光）（多晶不同（衍射仪法）晶面取向） 单一物相的鉴定或验证 物相定性分析 物相分析 混合物相的鉴定（物相鉴定） 物相定量分析 衍射花样的指数标定 点

14、阵常数（晶胞参数）测定 晶体结构分析 晶体对称性（空间群）的测定 等效点系的测定 晶体定向 非晶体结构分析 晶粒度测定 结晶度测定, 晶体密度测定 取向度测定 宏观应力分析半导体物理 Semiconductor PhysicsX射线衍射分析的应用半导体物理 Semiconductor Physics物理学院化学院环境学院半导体物理 Semiconductor Physics半导体表面半导体表面的研究是当前半导体物理中极为活跃的一个分支，由于半导体器件的体积越做越小，靠近半导体表面附近的物理性质有越来越重要的实际价值。按表面层的厚度区分，半导体表面可以分为外表面层（表面几个原子层，几个至几十个厚

15、度）和内表面层（表面几十至几千原子层，相当于几十至几千个厚度）按表面界接情况区分，可以分为清洁表面、界面和表面吸附。清洁表面和真空接界，其实验研究只是在最近一二十年高真空技术发展的情况下才得以实现；界面指表面和另一种物质（比如和SiO2等）绝缘层接界，或和金属接界形成一个Schottky结，或者两种不同的半导体接界形成一个异质结或者超晶格结构。界面的研究与半导体器件的研制有直接的关系；表面吸附则研究半导体表面吸附气体原子的有关机理。半导体表面研究主要是表面晶格结构和表面电子态。半导体物理 Semiconductor Physics表面晶格结构表面结构与体结构不同，不具有三维周期性。如果表面是某

16、个原子平面，则具有沿平面方向的二维周期性。研究三维周期性的方法可对应地应用于讨论二维周期性。二维周期性具有下列平移对称操作： T = n1a1 + n2a2,其中，ai(i = 1, 2)为基矢，ni为任意整数，T的全体构成二维布喇菲点阵。仿照三维情况，可引入二维布喇菲格子的倒格基矢，二维倒格矢为三维倒格矢在二维基矢所组成的平面上的投影。半导体物理 Semiconductor Physics二维周期性a1a2a金刚石结构（100）面的二维布喇菲正格子金刚石结构（111）面的二维布喇菲正格子a1a2表面晶格结构低能电子衍射实验表面，实际表面层原子的位置有一定的驰豫。其二维周期性基矢不同于晶体内的

17、a1 ，a2，而是a1 ，a2 。这称为表面重构（surface reconstruction）。记作： a1= G11 a1 + G12 a2 a2= G21 a1 + G22 a2但实际情况往往较为简单，即a1由p a1旋转一角度L而成， a2由q a2旋转同一角度L而成。这样的表面重构记作 RhklpqLD 其中R为晶体的化学符号，hkl为晶面密勒指数，D为表面吸附元素化学符号。如果旋转角为零，或没有化学吸附，后两者可不写，这称作Wood记号。半导体物理 Semiconductor Physics表面重构例如：Si(111)77表示Si(111)晶面上的再构，再构的基矢与衬底(111)面

18、基矢平行，前者长度为后者的7倍。 Si(111) - 30-Pb表示Si(111)面上铅原子的吸时结构，铅原子二维点阵的格子为衬底格子长度的 倍，转动了约30角。表面的实验研究方法半导体物理 Semiconductor Physics用于表面研究的实验方法日新月异，其仪器设备多为大型昂贵且需要在高真空中进行。大概有以下几类比较重要的方法： 一、 用于研究表面原子几何结构的方法。包括电子显微镜(electron microscopy, EM)及其派生物扫描电镜（scanning electron microscopy, SEM) 、透射电镜（transmission electron micro

19、scopy, TEM) ，扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)、低能电子衍射(low energy electron diffraction, LEED)等 二、用于研究表面电子结构的方法。主要是光电子谱(photoelectron spectroscopy, PS)及其衍生的真空紫外光电子谱（ultraviolet PS, UPS)、X射线光电子谱（X-ray PS，XPS）；离子中和谱（ion neutralization spectroscopy, INS)等。 三、用于研究表面化学组分的方法。主要有二次离子质谱（secondary ion ma

20、ss spectroscopy, SIMS)；Auger电子能谱（Auger electron spectroscopy, AES)半导体物理 Semiconductor Physics 低能电子衍射是研究清洁表面原子几何结构最重要的实验技术之一。 低能电子（30-500eV）的穿透能力很小，他在表面的头几层晶格就受到强烈的散射，因此适合于表面研究。入射到表面的电子源是单色性和平行性都好的相干源，电子的波长小于或接近于晶格常数3-5 。电子被表面晶格原子相干散射而产生一定的Bragg衍射图形，根据图形可判断晶格的二维周期结构。低能电子衍射（LEED）半导体物理 Semiconductor Ph

21、ysics光电子谱是一项重要的固体表面及体内电子能级分析实验技术，对有机、无机化合物电子结构分析（态密度、价带、导带）等都十分有用。根据光的不同波长范围，派生出X射线光电子谱XPS和紫外光电子谱UPS（近年来采用同步加速器作为光源，可产生红外至X线范围连续可调的光子源）。光电子谱采用一定能量的光子入射到样品，样品处于某初态Ei的电子吸收光子后逸出体外，且具有一定的动能Ek，实验测量光电子数目随光电子能量的分布曲线，通过分析不同情形下曲线信息，得到样品体内及表面的电子结构信息光电子谱半导体物理 Semiconductor Physics俄歇电子能谱AES用于研究表面化学组分其原理如右，其中E1是

22、原子内壳层电子能量，用入射的电子或X线光子把E1的电子打出后留下一个空穴，此时固体中的其它能级E2可能发生Auger碰撞，一个电子落入E1的空穴，同时释放的能量将另一电子激发到体外，后者称为Auger电子。通过测量Auger电子的能量可以推算E1和E2能级的能量差。固体内不同原子对应不同的Auger电子能谱，因此可以识别原子的种类和浓度。又因为只有表面层几十个埃以内产生的Auger电子可能真正逸出体外，其它的在体内被非弹性散射掉，因此AES探测深度为几十埃。与二次离子质谱SIMS相比，Auger分析可以不破坏样品将Auger能谱与离子刻蚀联合用于表面，可以进行杂质浓度的深度分布测量，而且具有很高的分辨率。Auger电子能谱(AES)E1E2Auger 过程中的电子跃迁图Auger 电子体外零点能半导体物理 Semiconductor Physics其入射的是慢速He+等离子，而出射的是电子。 He+吸附表面电子而中和，同时放出能量被处于某个表面态的电子吸附而逸出表面，通