半导体物理与器件第一章

1、半导体物理与器件第一章第1页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构2教材与参考书推荐教材电子工业出版社出版的半导体物理与器件，作者Donald A.Neamen。2参考书：刘恩科 半导体物理学，西安交通大学出版社，2003顾祖毅，田立林等半导体物理学， 电子工业出版社，1995半导体器件 物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译 第2页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构3学时分配本课程的讲授内容 第一章 固体的晶体结构（2学时） 第三章 固体量子理论初步 （6学时） 第四章 平衡状态下的半导

2、体（7学时） 第五章 载流子输运与过剩载流子现象（7学时） 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子 （9学时） 第七章 PN结 （4学时） 第八章 pn结二极管 （7学时） 第九章 金属半导体和半导体异质结 （5学时） 第十章 双极晶体管（10学时） 第十一章 金属/氧化物/半导体场效应晶体管基础（10学时） 第十二章 小尺寸MOS器件物理（5学时）总计：72学时第3页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构4 本课程的目标 通过本课程的学习，学生将全面了解电子科学与技术与微电子学专业的基础知识与基本技能、应用领域及研究热点、学科方向与发展趋势等内容，为学

3、生进入相关研究领域或相关的交叉学科，打下一个初步的基础。第4页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构5 考核与记分方式平时成绩占20，期末考试占80。考试采用闭卷形式。第5页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构6课程意义半导体器件在人们生活中的重要作用信息领域：计算机及网络设备（CPU、Memory、Chips）通信（移动电话）能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环保、自动化军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、电喷、照明）

4、、空调、彩电半导体微电子IC电子计算信息技术传统行业现代文明第6页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构7这门课的主要内容半导体物理固体的晶格机构固体量子理论初步平衡半导体载流子输运现象半导体中的非平衡过剩载流子pn结Pn结二极管金属半导体和半导体异质结半导体器件双极晶体管 金属氧化物半导体场效应晶体管基础 小尺寸MOS器件物理 第7页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构8第一章 绪论固体的晶格结构1.1 半导体材料典型半导体及分类1.2 固体类型三种固体形态1.3 晶体的空间点阵结构晶体学基本概念和基本

5、晶格结构1.4 晶体中原子之间的价键离子、原子、金属及分子晶体1.5 晶体中的缺陷与杂质缺陷类型和杂质类型1.6 半导体单晶材料的生长单晶材料及外延生长1.7 小结第8页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构91.1 半导体材料半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质第9页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构10半导体的基本特性电阻率介于10e-310e6.cm，可变化区间大，介于金属（10e-6.cm）和绝缘体（10e12.cm）之间纯净半导体负温度系数，掺杂半导

6、体在一定温度区域出现正温度系数不同掺杂类型的半导体做成pn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，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子第10页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构111.1 半导体材料元素半导体与化合物半导体第11页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构121.1 半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素对称III-V族和II-VI化合物半导体氮化物？氧化物？I-VII第

7、12页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构131.2 固体类型固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的形状和体积。按其内部原子的排列情况可分为以下三种主要的结构类型，即单晶、多晶和非晶。固体材料的三种主要结构类型及其特征：（1）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；（2）多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；（3）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）第13页

8、，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构141.2 固体类型单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）单晶有周期性非晶有周期性多晶短区域内周期性第14页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构151.3 晶体的空间点阵结构固体最终形成使系统的能量最小的结

9、构保持电中性（静电能最小）使离子间的强烈排斥最小使原子尽可能的靠近满足键的方向性由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格第15页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构161.3 晶体的空间点阵结构晶格的周期性晶格的周期性通常用原胞和基矢来描述。原胞：一个晶格最小的周期性单元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第16页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构171.3 晶体的空间点阵结构晶胞：也

10、称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体。它是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从而得到整个晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性相同点用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元不同点：固体物理学：原胞只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞 结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性。第17页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构181.3 晶体的空间点阵结构基矢：晶胞的三个相互独立的边矢量。如：简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：第18页，共59

11、页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构191.3 晶体的空间点阵结构立方晶系基本的晶体结构：常见的三个基本的立方结构及其晶格常数，分别是简单立方、体心立方和面心立方，立方体的边长即为晶格常数。（1）简单立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC）第19页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构201.3 晶体的空间点阵结构简单立方结构Simple Cubic第20页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构211.3 晶体的空间点阵结构体心立方结构B

12、ody-Centered-Cubic第21页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构221.3 晶体的空间点阵结构面心立方结构Face-Centered-Cubic第22页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构231.3 晶体的空间点阵结构晶向指数晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方面晶体的性质不同。晶格的格点，可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。同一个格子可以形成方向不同的晶列每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向晶向用晶向指数标记第23页，共59页，2022年，5月20

13、日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构241.3 晶体的空间点阵结构晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近的原子的位移矢量为： ，则该晶向就用l1、l2、l3来标志，写成l1 l2 l3。标志晶向的这组数称为晶向指数。以简立方晶格为例第24页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构251.3 晶体的空间点阵结构立方边，面对角线， 体对角线都不止一个，它们的晶向指数确定方法和以上一样，涉及到负值的指数，按惯例，负值的指数用头顶上加一横来表示：用表示时代表所有的等效晶向。第25页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期

14、二第一章 绪论固体的晶格结构261.3 晶体的空间点阵结构晶面：晶格的格点还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，第26页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构271.3 晶体的空间点阵结构晶面指数具体讨论晶体时，常常要谈及某些具体晶面，因此需要有一定的办法标志不同的晶面，常用的是所谓密勒指数。密勒指数可以这样确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1、sa2、ta3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（

15、hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。第27页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构281.3 晶体的空间点阵结构简立方格子中的重要晶面侧面（100）、对角面（110）、顶对角面（111）第28页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构291.3 晶体的空间点阵结构等效晶面立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成100；对角面共有12个，统称这些对角面时，写成110；顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成111；第29页，共59页，202

16、2年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构301.3 晶体的空间点阵结构 金刚石结构与闪锌矿结构：图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构套构形成。第30页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构31当Si原子形成晶体时，原来在s 轨道上的二个价电子，有一个被激发到了p 轨道，形成s、px 、py 、pz四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合”起来重新组成四个等价轨道，这种轨道称为SP3杂化轨道，这样这四个电子，在四个新的等价轨道上， 都成为未配对电子，而且它们的电子云分布基本上是单侧地伸向四面体的四

17、个顶角，当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体顶心这种角度进行(10928)。第31页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构32当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体顶心这种角度进行(10928)。在III族AIIIB)和族(AB)化合物半导体中，每对A,B原子， 亦完成SP3杂化，然后，每个A原子与四周4个B原子形成正四面体，每个B原子同样同四周4个A原子形成正四面体,如GaAs。从正四面体搭接方式看正四面体搭接时可以有两种形式，称为重合组态和交错组态。第32页，共59页，2022年，5月20日，17点3

18、8分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构33闪锌矿结构是以交错组态的搭接方式构成的，如果搭接成晶体的正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，搭接方式一定为闪锌矿结构，此时称之为金刚石结构；第33页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构34金刚石结构与闪锌矿结构的物理化学性质 解理面金刚石结构的解理面为111面。因为111 面双厚子层与双原子层之间键的面密度最低，面间距最大，因而最容易断开；如Si、Ge等元素半导体材料。任何两个近邻原子的连线都沿一个111方 向。处于四面体顶点两个原子的连线都沿一个110方向。四面体不共顶点的两个棱的中心连线都沿一个1

19、00方向。第34页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构35闪锌矿的解理为110面相比之下，每个110面都是由等量的A、B原子组成，面与面间没有附加的库仑作用，而且面间的键面密度较小，所以相比之下，比111面更容易打开，因而成为解理面； 如GaAs、InP等化合物半导体材料。因为组成闪锌矿的双厚子层为不同的原子层，由于原子的电负性不同，电子云会偏向电负性大的那一层原子，这样分别由两种不同原子构成的面所形成的双原子层就成为了一个电偶极层，偶极层之间的库仑作用使得双原子层间的结合加强。第35页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章

20、 绪论固体的晶格结构36化学腐蚀速度 对于金刚石结构，其化学腐蚀速度沿111、100、110依次变快。对于闪锌矿结构,111面的两端由不同原子构成，导致两端面性质不同，导致在此方向的两端面腐蚀速度不同。如GaAs，As面比Ga面更容易腐蚀；一般将电负性强的一面(As 面) 称为( )面，电负性弱的一面(Ga面)称为(111)面。第36页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构371.4 晶体中原子之间的价键原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达到最低。1. 离子晶体：离子键（Ionic bonding），例如NaCl晶 体等；2. 共价

21、晶体：共价键（Covalent bonding），例如 Si、Ge以及GaAs晶体等；3. 金属晶体：金属键（Metallic bonding），例如 Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、Cu、Au、Ag等；4. 分子晶体：范德华键（Van der Waals bonding）， 例如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成分 子晶体，HF分子之间在低温下也通过范德华键形成 分子晶体。第37页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构38硅材料中共价键形成示意图第38页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构391

22、.5 晶体中的缺陷与杂质理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美无缺，存在晶格的热振动。一、点缺陷分为空位，间隙原子及杂质空位与间隙原子由于晶格热振动，而且振动能量存在涨落总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，脱离格点的位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺陷；或移动到晶体表面，形成肖特基缺陷；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的间隙原子。第39页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构40反结构缺陷对于化合物

23、半导体存在一种反结构缺陷，即应该是A原子的格点上为B原子所占据，应为B原子的格点为A原子所据。第40页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构41杂质晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质。来源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污，也有可能来源于人为的引入，用以控制其电学及其它特性。杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式。间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如H、Li第41页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构42替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电

24、子壳层结构接近本体原子，如、族在Si、Ge(族)中的情况；、族在化合物中。第42页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构43杂质原子激活：人为引入的杂质原子， 只有处于替位式时，才能激活，起到改变和控制半导体材料导电性的作用。例如, 族元素原子掺入Si、Ge中，多以替位式存在。第43页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构44晶体中引入杂质的方法称为掺杂（Doping），掺杂的方法可分为：（1）高温扩散掺杂（high temperature diffusion）（2）离子注入掺杂（Ion implantat

25、ion）；当杂质存在浓度梯度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温度，晶格尺寸密切有关。实验证明，扩散流密度J与杂质浓度梯度N/x成正比，有比例系数D称为扩散系数，分析表明：W为杂质原子移动一个晶格位置需要的能量，与晶格常数有关。可以看到，扩散系数和温度T呈指数关系，因而通常扩散工艺总是在高温下进行(700-1200)，以节约扩散时间。第44页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构45二、线缺陷指位错，分为两类，刃位错和螺位错刃位错、螺位错与混合位错刃位错第45页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构4

26、6螺位错第46页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构47三、面缺陷主要指层错层错第47页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构481.6 半导体单晶材料的生长硅单晶材料可以说是目前纯度最高的一种材料，其纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：1. 熔体生长法：又称为切克劳斯基（Czochralski）生长方法，或CZ法。籽晶直拉法。进一步采用区熔再结晶方法提纯：第48页，共59页，2022年，5月20日，17点38分，星期二第一章 绪论固体的晶格结构49籽晶直拉法示意图第49页，共59页，2022年，