半导体物理与器件

1、半导体物理与器件第1页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二1绪论什么是半导体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第2页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二2绪论 半导体具有一些重要特性，主要包括：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%，

2、但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下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，无光照时的电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十K此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变第3页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二31.1半导体材料元素半导体（Si、 Ge）化合物半导体（双元素，三元素等）第4页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二41.2固体类型 半导体的晶体结构一、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

3、）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）第5页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二51.2固体类型 半导体的晶体结构晶体又可分为：单晶和多晶。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：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。（晶界分离）第6页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二61.2固体类型 半导体的晶体结构 非晶（体）的基本特点： 无规则的外形和固定的熔点，内

4、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） 第7页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二71.2固体类型 半导体的晶体结构非晶体（无定型）多晶单晶第8页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二81.3空间晶格 晶体是由原子周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。第9页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二91.3空间晶格1.3.1 晶胞和原胞1、晶胞可以复制成整个晶体的一小部分（基本单元，可以不同）第10页，共2

5、8页，2022年，5月20日，1点54分，星期二101.3空间晶格晶胞和原胞2、原胞可以形成晶体的最小的晶胞 广义三维晶胞的表示方法：晶胞和晶格的关系第11页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二111.3空间晶格1.3.2 基本晶体结构简立方sc体心立方bcc面心立方fcc原子体密度第12页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二121.3空间晶格晶面与密勒指数1、晶面表示方法：(1)平面截距：3，2，1(2)平面截距的倒数：1/3，1/2，1(3) 倒数乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)标记，这些整数称为密勒指数。晶面可用密勒指数（截距的倒数）来表示：

6、(hkl)第13页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二131.3空间晶格晶面与密勒指数简立方晶体的三种晶面 (100) (110) (111) 第14页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二141.3空间晶格晶面与密勒指数体心立方结构(110)晶面及所截的原子原子面密度第15页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二151.3空间晶格晶面与密勒指数2、晶向通过晶体中原子中心的不同方向的原子列hkl第16页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二161.3空间晶格 1.3.4 金刚石结构金刚石结构第17页，共28页，2022年，5月2

7、0日，1点54分，星期二171.3空间晶格金刚石结构四面体结构第18页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二181.3空间晶格金刚石结构金刚石晶格第19页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二191.3空间晶格金刚石结构闪锌矿结构（GaAs）不同原子构成的四面体第20页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二201.3空间晶格金刚石结构第21页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二211.4原子价键离子键（NaCl库仑力）共价键 (H2共用电子对)金属键 (Na电子海洋)范德华键（弱HF 电偶极子存在分子或分子内非健结合的力）第22

8、页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二221.4原子价键硅原子和硅晶体第23页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二231.5固体中的缺陷和杂质晶格振动点缺陷（空位和填隙）线缺陷第24页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二241.5固体中的缺陷和杂质替位式杂质填隙式杂质第25页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二251.5固体中的缺陷和杂质掺杂 为了改变半导体的导电性而向其中加入杂质的技术高温扩散度离子注入50kev损伤与退火第26页，共28页，2022年，5月20日，1点54分，星期二261.6半导体材料的生长直拉单晶法（Czochralski方法）外延生长：在单晶衬底表面生长一层薄单晶的工艺第2