半导体物理与器件（第2版） 课件 1-1.1

半导体物理与器件半导体物理与器件考核与计分方式

平时成绩（包括作业情况和课堂提问及随堂测试等）占40％，期末考试占60％。期中考试-学习通，

期末考试为院考，采用闭卷形式。

教材与参考书推荐教材

《半导体物理与器件》，西电出版社

参考书：

《半导体物理与器件》，DonaldA.Neamen，赵毅强等译，电子工业出版社出版（第三版、第四版）《半导体物理学》，刘恩科，西安交通大学出版社 《半导体器件物理与工艺》(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译这门课的主要内容

半导体物理晶体中的电子运动状态平衡半导体中的载流子浓度载流子输运现象过剩载流子

半导体器件pn结及pn结二极管金属半导体接触和半导体异质结MOSFET器件半导体中的光器件

学时分配本课程的讲授内容

第一章晶体中的电子运动状态（12学时）第二章平衡半导体中的载流子浓度（12学时）第三章载流子输运（8学时）第四章过剩载流子（10学时）第五章PN结（14学时）第六章金属半导体接触和异质结（8学时）总计：64学时本课程的目标

本课程是电子科学与技术与光电信息科学与工程专业的理论基础课。通过本课程的学习，学生将掌握半导体基本物理概念、现象、物理过程及其规律。掌握pn结、金属半导体结和异质结为代表的半导体器件基础。为学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。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）、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半导体的主要应用领域1、IC2、LED照明3、光电器件半导体－一个充满前途的领域！半导体产业的重要性中国芯第一章晶体的电子运动状态§1.1.1

半导体材料 典型半导体及分类，三种固体形态§1.1.2固体晶格 晶体学基本概念和基本晶格结构§1.1.3金刚石结构§1.1.4固体中的缺陷与杂质 空位和间隙原子第一节固体的晶格结构第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）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半导体的基本特性1、电阻率介于10-3∼106Ω.cm，可变化区间大，2、其电阻率介于金属（10-6Ω.cm）和绝缘体（1012Ω.cm）之间3、

温度对半导体导电性的影响

半导体的基本特性4、光照对半导体的影响5、1.1.1半导体材料元素半导体与化合物半导体元素半导体三五族化合物半导体二六族化合物半导体三元化合物半导体SiGaAsZnSeAlxGa1-xAsGeGaP、InPAlAs、AlP1.1.1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第四族元素及以四族元素对称III-V族II-VI元素第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）结构决定性质1.1.1物质的分类固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的形状和体积。根据在固体内部原子排列的不同，固体可分为：1、单晶2、多晶3、无定型原子在三维空间有规则地排列着，形成一种周期性结构。单晶固体的任何一个部分完全可以由其他部分的原子排列所代替。（长程有序）硅的溶点:1420oC,锗的熔点:941oC各向异性晶体内存在很多小区域，每个小区域都有完好的结构，而且有不同于其相邻区域（短程有序，长程无序）原子的排列不存在长程有序。1.1.1物质的分类无定型：其薄膜晶体管可做液晶显示（LCD）的开关元件多晶：多晶硅栅可用来制作金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）单晶：目前，绝大多数的半导体器件的制作采用单晶半导体来制作晶体的微观特征---平移对称性周期是单调、不变的，每隔一定距离，有完全相同的原子排列出现第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）结构决定性质2、半导体是单晶3、如何描述晶体的周期性1.1.2固体晶格

不同晶体的空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子或粒子组抽象为一个点(格点化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同)，这样得到的结构称为空间点阵(晶格)准备工作1.1.2固体晶格1.1.2固体晶格1.1.2固体晶格

基元（格点对应的组合）和晶体结构的关系

每个阵点上放置一个基元，即为晶体结构；每个基元的组成、位形和取向都是全同的；基元中的原子数目，可以少到一个原子，如许多金属和惰性气体晶体；也可以有很多个（超过1000个）；在描述晶体结构的周期性时，点阵足矣。1.1.1固体晶格1.1.2固体晶格1、基矢：晶格的三个相互独立的边矢量(选择任一格点为原点)。格矢：晶格中任一格点对应的矢量

确定了所有格点的格矢，就确定了整个晶格的格点分布情况1.1.2固体晶格2、晶胞：对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的小单元晶胞无需是唯一的1.1.2固体晶格1、晶胞不唯一，2、三维晶格的晶胞通常是一个平行六面体1.1.2固体晶格1.1.2固体晶格晶胞：也称为单胞，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。原胞：一个晶格最小的周期性单元可以复制整个晶体的重复单元原胞其为晶格的最小重复单元。

晶胞还要强调晶格中原子分布的对称性。相同点不同点晶胞与原胞第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）结构决定性质2、半导体是单晶3、如何描述晶体的周期性

格矢

晶胞/原胞

简单立方

体心立方

面心立方1.1.2固体晶格

（1）简单立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC）立方晶系1.1.2固体晶格

（1）简单立方结构（SimpleCubic）SC立方晶系1.1.2固体晶格

（2）体心立方结构（

BodyCenteredCubic

）BCC立方晶系1.1.2固体晶格

（3）面心立方结构（

FaceCenteredCubic

）FCC立方晶系练习若将原子看成硬球，其半径为最近邻原子距离的一半，定义原子占有率（原子所占体积与晶胞体积之比），简单立方晶格占有率为多少？体心立方晶格呢？面心立方呢？练习已知某晶体的晶胞如下图所示，求1）晶胞中包含的原子数；2）该结构属于我们熟知的哪种结构？例题例1.1若晶格常数为a，计算简立方、体心立方和面心立方的原子体密度？简立方：8×1/8=1体心立方：8×1/8+1=2面心立方：8×1/8+6×1/2=4简立方、体心立方和面心立方的原子体密度分别为1/a3,2/a3,4/a3，当晶格常数等于4.25埃时4atoms/unitcellDensity=4/(4.25x10-8)3=5.21x1022cm−3单晶的生长-籽晶直拉法单晶的生长-籽晶直拉法

长1米，直径300毫米，重140千克

12英寸硅单晶锭参数:

单晶的生长-籽晶直拉法第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）结构决定性质2、半导体是单晶3、如何描述晶体的周期性

格矢

晶胞/原胞

简单立方

体心立方

面心立方

晶面

晶向晶面晶面：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.晶面指数a1a2a3晶面指数米勒指数（Miller）a1a2a3晶面指数在晶格中，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（hkl）来标志该晶面，称为米勒指数。晶面指数1、选择某一个格点为原点，按照基矢建立坐标系，坐标单位为基矢长度。2、确定该面与三个坐标轴的截距。3、对三个截距分别取倒数。4、对三个倒数分别乘以最小公倍数，即把三个分数化成三个互质整数。5、把三个数按顺序排列，用圆括号括起来就是米勒指数。晶面指数1、建立坐标系2、确定该面与三个坐标轴的截距

3,2,13、对三个截距分别取倒数

4、乘以分母最小公倍数6后化成三个整数5、晶面指数a1a2a3(10156)晶面指数a1a2a3(010)晶面指数例1.2

试证明平行平面的米勒指数是相同的。证：设任意两平行平面在坐标轴的截距分别为m、n、p和sm、sn、sp，其中m、n、p、s均为整数则有

(1）两个平面截距的倒数分别为1/m、1/n、1/p

和1/sm、1/sn、1/sp（2）分别乘以分母的最小公倍数

np、mp、mn

和np、mp、mn（3）用圆括号将（2）中的三个数括起来

(npmpmn)和(npmpmn)所以，两平行平面面的米勒指数是相同的。立方晶系中的重要晶面

侧面（100）、对角面（110）、顶对角面（111）例题

要求确定特定平面原子面密度SurfaceDensity=1/(4.25x10-8)2=0.555x1015

cm-2

等效晶面由于立方晶格的对称性，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}；晶向指数1、晶列是晶体中一系列相互平行的直线系；2、同一个格子可形成方向不同的晶列；3、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晶向指数如果沿着某一晶向，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

l2l3]。标志晶向的这组数称为晶向指数。等效晶向由于立方晶格的对称性，晶体在这些晶列的性质完全相同，统称这些等效晶向，写成<100>；<110><111><100><110><111>第一节固体的晶格结构-研究思路1、什么是半导体？（典型特征，半导体材料）结构决定性质2、半导体是单晶3、如何描述晶体的周期性

格矢

晶胞/原胞

简单立方

体心立方

面心立方

晶面

晶向金刚石结构金刚石结构与闪锌矿结构金刚石结构与闪锌矿结构如果构成晶体的正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，此时称之为金刚石结构，不同时为闪锌矿结构；金刚石结构与闪锌矿结构闪锌矿结构属于立方晶系吗，是我们熟悉的哪种结构？晶体中的原子价键1.离子晶体：离子键（Ionicbonding），例如NaCl晶

体等；

2.共价晶体：共价键（Covalentbonding），例如

Si、Ge以及GaAs晶体等；

3.金属晶体：金属键（Metallicbonding），例如

Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、Cu、Au、Ag等；

4.分子晶体：范德华键（VanderWaalsbonding），

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。原则：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。

离子晶体NaCl共价