半導(dǎo)體物理學(xué)

半導(dǎo)體物理學(xué)第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第一章半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷1.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)1.2晶體的晶向與晶面1.3半導(dǎo)體中的缺陷第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一緒論什么是半導(dǎo)體按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍材料導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一此外，半導(dǎo)體還具有一些重要特性，主要包括：溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應(yīng)地降低50%左右微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力以純硅中每100萬個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時(shí)硅的純度仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時(shí)的暗電阻為幾十MΩ，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場、磁場等的作用而改變第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一本課程的內(nèi)容安排

以元素半導(dǎo)體硅(Si)和鍺(Ge)為對象：介紹了半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷，定義了晶向和晶面討論了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶結(jié)構(gòu)，介紹了雜質(zhì)半導(dǎo)體及其雜質(zhì)能級(jí)在對半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上分析了影響因素，討論了非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合對半導(dǎo)體中載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進(jìn)行了討論，介紹了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，建立了連續(xù)性方程簡要介紹了半導(dǎo)體表面的相關(guān)知識(shí)第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的基本知識(shí)長期以來將固體分為：晶體和非晶體。晶體的基本特點(diǎn)：具有一定的外形和固定的熔點(diǎn)，組成晶體的原子（或離子）在較大的范圍內(nèi)（至少是微米量級(jí)）是按一定的方式有規(guī)則的排列而成——長程有序。（如Si，Ge，GaAs）第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一晶體又可分為：單晶和多晶。單晶：指整個(gè)晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)則排列方式所貫穿。常用的半導(dǎo)體材料鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵

(GaAs)都是單晶。多晶：是由大量的微小單晶體（晶粒）隨機(jī)堆積成的整塊材料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一非晶（體）的基本特點(diǎn)：

無規(guī)則的外形和固定的熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不存在長程有序，但在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列——短程有序（如非晶硅：a-Si）

第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一圖1.1非晶、多晶和單晶示意圖第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一對于單晶Si或Ge，它們分別由同一種原子組成，通過二個(gè)原子間共有一對自旋相反配對的價(jià)電子把原子結(jié)合成晶體。這種依靠共有自旋相反配對的價(jià)電子所形成的原子間的結(jié)合力，稱為共價(jià)鍵。由共價(jià)鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價(jià)晶體。Si、Ge都是典型的共價(jià)晶體。二、共價(jià)鍵的形成和性質(zhì)第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一共價(jià)鍵的性質(zhì)：飽和性和方向性飽和性：指每個(gè)原子與周圍原子之間的共價(jià)鍵數(shù)目有一定的限制。

Si、Ge等Ⅳ族元素有4個(gè)未配對的價(jià)電子，每個(gè)原子只能與周圍4個(gè)原子共價(jià)鍵合，使每個(gè)原子的最外層都成為8個(gè)電子的閉合殼層，因此共價(jià)晶體的配位數(shù)(即晶體中一個(gè)原子最近鄰的原子數(shù))只能是4。方向性：指原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個(gè)方向就是共價(jià)鍵方向。

共價(jià)鍵方向是四面體對稱的，即共價(jià)鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個(gè)頂角原子，共價(jià)鍵之間的夾角為109°28′，這種正四面體稱為共價(jià)四面體。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一圖中原子間的二條連線表示共有一對價(jià)電子，二條線的方向表示共價(jià)鍵方向。共價(jià)四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價(jià)四面體半徑。圖1.2共價(jià)四面體第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、Si、Ge晶體結(jié)構(gòu)圖1.3(a)畫出了由四個(gè)共價(jià)四面體所組成的一個(gè)Si、Ge晶體結(jié)構(gòu)的晶胞，統(tǒng)稱為金剛石結(jié)構(gòu)晶胞整個(gè)Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成它是一個(gè)正立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面心各有一個(gè)原子，內(nèi)部四條空間對角線上距頂角原子1/4對角線長度處各有一個(gè)原子，金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中共有8個(gè)原子金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看作是兩個(gè)面心立方沿空間對角線相互平移1/4對角線長度套構(gòu)而成的面心立方是指一個(gè)正立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面心各有一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)，如圖1.3(b)所示第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一圖1.3(a)金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞(b)面心立方第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一四、GaAs晶體結(jié)構(gòu)具有類似于金剛石結(jié)構(gòu)的硫化鋅(ZnS)晶體結(jié)構(gòu)，或稱為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。GaAs晶體中每個(gè)Ga原子和As原子共有一對價(jià)電子，形成四個(gè)共價(jià)鍵，組成共價(jià)四面體。閃鋅礦結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)的不同之處在于套構(gòu)成晶胞的兩個(gè)面心立方分別是由兩種不同原子組成的。圖1.4GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

1.2晶體的晶向與晶面晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的，整個(gè)晶體就像網(wǎng)格，稱為晶格，組成晶體的原子(或離子)的重心位置稱為格點(diǎn)，格點(diǎn)的總體稱為點(diǎn)陣。對半導(dǎo)體Si、Ge和GaAs等具有金剛石或閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方晶系，通常取某個(gè)格點(diǎn)為原點(diǎn)，再取立方晶胞的三個(gè)互相垂直的邊OA,OB,OC為三個(gè)坐標(biāo)軸，稱為晶軸，見圖1.5。圖1.5立方晶系的晶軸第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一通過晶格中任意兩格點(diǎn)可以作一條直線，而且通過其它格點(diǎn)還可以作出很多條與它彼此平行的直線，而晶格中的所有格點(diǎn)全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列。圖1.6兩種不同的晶列第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一晶列的取向稱為晶向。為表示晶向，從一個(gè)格點(diǎn)O沿某個(gè)晶向到另一格點(diǎn)P作位移矢量R，如圖1.7，則

R=l1a+l2b+l3c若l1:l2:l3不是互質(zhì)的，通過

l1:l2:l3

＝m:n:p化為互質(zhì)整數(shù)，

mnp就稱為晶列指數(shù)，寫成

[mnp]，用來表示某個(gè)晶向。圖1.7晶向的表示第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一晶列指數(shù)就是某個(gè)晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)整數(shù)。若mnp中有負(fù)數(shù)，負(fù)號(hào)寫在該指數(shù)的上方，[mnp]和表示正好相反的晶向。同類晶向記為<mnp>。例：<100>代表了[100]、[ī00]、[010]、[0ī0]、[001]、[00ī]六個(gè)同類晶向；<111>代表了立方晶胞所有空間對角線的8個(gè)晶向；而<110>表示立方晶胞所有12個(gè)面對角線的晶向第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一晶格中的所有格點(diǎn)也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族，如圖1.8所示。為表示不同的晶面，在三個(gè)晶軸上取某一晶面與三晶軸的截距r、s、t，如圖1.9所示。圖1.8晶面族圖1.9晶面的截距第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一將晶面與三晶軸的截距r、s、t的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)h、k、l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記作(hkl)并用來表示某一個(gè)晶面截距為負(fù)時(shí)，在指數(shù)上方加一短橫。如果晶面和某個(gè)晶軸平行，截距為∞，相應(yīng)指數(shù)為零。同類型的晶面通常用{hkl}表示。圖1.10立方晶系的一些常用晶向和晶面第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1.3半導(dǎo)體中的缺陷弗侖克爾缺陷：一定溫度下，格點(diǎn)原子在平衡位置附近振動(dòng)，其中某些原子能夠獲得較大的熱運(yùn)動(dòng)能量，克服周圍原子化學(xué)鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形成間隙原子，原先所處的位置相應(yīng)成為空位。這種間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。肖特基缺陷：由于原子擠入間隙位置需要較大的能量，所以常常是表面附近的原子A和B依靠熱運(yùn)動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)到外面新的一層格點(diǎn)位置上，而A和B處的空位由晶體內(nèi)部原子逐次填充，從而在晶體內(nèi)部形成空位，而表面則產(chǎn)生新原子層，結(jié)果是晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位但沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點(diǎn)缺陷。雖然這兩種點(diǎn)缺陷同時(shí)存在，但由于在Si、Ge中形成間隙原子一般需要較大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性遠(yuǎn)比弗侖克爾缺陷大，因此Si、Ge中主要的點(diǎn)缺陷是空位(a)弗侖克爾缺陷(b)肖特基缺陷圖1.11點(diǎn)缺陷第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一化合物半導(dǎo)體GaAs中，如果成份偏離正?；瘜W(xué)比，也會(huì)出現(xiàn)間隙原子和空位。如果Ga成份偏多會(huì)造成Ga間隙原子和As空位；As成份偏多會(huì)造成As間隙原子和Ga空位?；瘜W(xué)比偏離還可能形成所謂反結(jié)構(gòu)缺陷，如GaAs晶體中As的成份偏多，不僅形成Ga空位，而且As原子還可占據(jù)Ga空位，稱為反結(jié)構(gòu)缺陷。此外高能粒子轟擊半導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)使原子脫離正常格點(diǎn)位置，形成間隙原子、空位以及空位聚積成的空位團(tuán)等。第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一位錯(cuò)是晶體中的另一種缺陷，它是一種線缺陷。半導(dǎo)體單晶制備和器件生產(chǎn)的許多步驟都在高溫下進(jìn)行，因而在晶體中會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力。在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對于另一部分原子會(huì)沿著某一晶面發(fā)生移動(dòng)，如圖1.12(a)所示。這種相對移動(dòng)稱為滑移，在其上產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面，滑移的方向稱為滑移向。

(a)(b)圖1.12應(yīng)力作用下晶體沿某一晶面的滑移第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)表明滑移運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力并不很大，因?yàn)閰⒓踊频乃性硬⒎钦w同時(shí)進(jìn)行相對移動(dòng)，而是左端原子先發(fā)生移動(dòng)推動(dòng)相鄰原子使其發(fā)生移動(dòng)，然后再逐次推動(dòng)右端的原子，最終是上下兩部分原子整體相對滑移了一個(gè)原子間距b，見圖1.12(b)。這時(shí)雖然在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生小臺(tái)階，但由于內(nèi)部原子都相對移動(dòng)了一個(gè)原子間距，因此晶體內(nèi)部原子相互排列位置并沒有發(fā)生畸變。在上述逐級(jí)滑移中會(huì)因?yàn)閼?yīng)力變小而使滑移中途中止，就出現(xiàn)了圖1.13(a)所示的情況。如果中途應(yīng)力變小使滑移中止，滑移的最前端原子面AEFD左側(cè)原子都完成了一個(gè)原子間距的移動(dòng)，而右側(cè)原子都沒有移動(dòng)，其結(jié)果是好像有一個(gè)多余的半晶面AEFD插在晶體中，見圖1.13(b)。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一在AD線周圍晶格產(chǎn)生畸變，而距AD線較遠(yuǎn)處似乎沒有影響，原子仍然規(guī)則排列，這種缺陷稱為位錯(cuò)，它是一種發(fā)生在AD線附近的線缺陷，AD線稱為位錯(cuò)線。圖1.13中滑移方向BA與位錯(cuò)線AD垂直，稱為棱位錯(cuò)。因?yàn)樗幸粋€(gè)多余的半晶面AEFD像刀一樣插入晶體，也稱刃形位錯(cuò)

(a)(b)

圖1.13刃型位錯(cuò)第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星