半導(dǎo)體物理與器件第一章

半導(dǎo)體物理與器件第一章第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)2教材與參考書推薦教材 電子工業(yè)出版社出版的《半導(dǎo)體物理與器件》，作者DonaldA.Neamen。

2參考書：

劉恩科《半導(dǎo)體物理學(xué)》，西安交通大學(xué)出版社，2003

顧祖毅，田立林等《半導(dǎo)體物理學(xué)》，電子工業(yè)出版社，1995

《半導(dǎo)體器件物理與工藝》(美)施敏(S.M.Sze)著，王陽元等譯第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)3學(xué)時分配本課程的講授內(nèi)容第一章固體的晶體結(jié)構(gòu)（2學(xué)時）第三章固體量子理論初步（6學(xué)時）第四章平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體（7學(xué)時）第五章載流子輸運與過剩載流子現(xiàn)象（7學(xué)時）第六章半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子（9學(xué)時）第七章PN結(jié)（4學(xué)時）第八章pn結(jié)二極管（7學(xué)時）第九章金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（5學(xué)時）第十章雙極晶體管（10學(xué)時）第十一章金屬/氧化物/半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)（10學(xué)時）第十二章小尺寸MOS器件物理（5學(xué)時）

總計：72學(xué)時第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)4

本課程的目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將全面了解電子科學(xué)與技術(shù)與微電子學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)知識與基本技能、應(yīng)用領(lǐng)域及研究熱點、學(xué)科方向與發(fā)展趨勢等內(nèi)容，為學(xué)生進入相關(guān)研究領(lǐng)域或相關(guān)的交叉學(xué)科，打下一個初步的基礎(chǔ)。第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)5

考核與記分方式

平時成績占20％，期末考試占80％。

考試采用閉卷形式。

第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)6課程意義半導(dǎo)體器件在人們生活中的重要作用 信息領(lǐng)域：計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（CPU、Memory、Chips）通信（移動電話） 能源領(lǐng)域：電源、機車、電機、馬達、電力輸送、節(jié)能、環(huán)保、自動化 軍事領(lǐng)域：尖端智能武器、光探測器、測距 消費類：隨身聽、音頻數(shù)字信號處理、光筆、電子表、汽車電子（電動車門、電噴、照明）、空調(diào)、彩電半導(dǎo)體微電子IC電子計算信息技術(shù)傳統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)代文明第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)7這門課的主要內(nèi)容半導(dǎo)體物理固體的晶格機構(gòu)固體量子理論初步平衡半導(dǎo)體載流子輸運現(xiàn)象半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子pn結(jié)Pn結(jié)二極管金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件雙極晶體管金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)小尺寸MOS器件物理第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)8第一章緒論

——固體的晶格結(jié)構(gòu)§1.1半導(dǎo)體材料 典型半導(dǎo)體及分類§1.2固體類型 三種固體形態(tài)§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu) 晶體學(xué)基本概念和基本晶格結(jié)構(gòu)§1.4晶體中原子之間的價鍵 離子、原子、金屬及分子晶體§1.5晶體中的缺陷與雜質(zhì) 缺陷類型和雜質(zhì)類型§1.6半導(dǎo)體單晶材料的生長 單晶材料及外延生長§1.7小結(jié)第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)9§1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體(semiconductor)，顧名思義就是指導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體的物質(zhì)第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)10半導(dǎo)體的基本特性電阻率介于10e-3～10e6Ω.cm，可變化區(qū)間大，介于金屬（10e-6Ω.cm）和絕緣體（10e12Ω.cm）之間純凈半導(dǎo)體負(fù)溫度系數(shù)，摻雜半導(dǎo)體在一定溫度區(qū)域出現(xiàn)正溫度系數(shù)不同摻雜類型的半導(dǎo)體做成pn結(jié)后，或是金屬與半導(dǎo)體接觸后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，可以有整流效應(yīng)具有光敏性，用適當(dāng)波長的光照射后，材料的電阻率會變化，即產(chǎn)生所謂光電導(dǎo)半導(dǎo)體中存在著電子與空穴兩種載流子第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)11§1.1半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體與化合物半導(dǎo)體第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)12§1.1半導(dǎo)體材料構(gòu)成半導(dǎo)體材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素對稱III-V族和II-VI化合物半導(dǎo)體氮化物？氧化物？I-VII第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)13§1.2固體類型固體：處于凝固狀態(tài)下的物體，通常具有一定的形狀

和體積。按其內(nèi)部原子的排列情況可分為以下三種主

要的結(jié)構(gòu)類型，即單晶、多晶和非晶。

固體材料的三種主要結(jié)構(gòu)類型及其特征：

（1）單晶：長程有序（整體有序，宏觀尺度，通常

包含整塊晶體材料，一般在毫米量級以上）；

（2）多晶：長程無序，短程有序（團體有序，成百

上千個原子的尺度，每個晶粒的尺寸通常是在微米的

量級）；

（3）非晶（無定形）：基本無序（局部、個體有序，僅限于微

觀尺度，通常包含幾個原子或分子的尺度，即納米量

級，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍）第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)14§1.2固體類型單晶：長程有序（整體有序，宏觀尺度，通常包含整塊晶體材料，一般在毫米量級以上）；多晶：長程無序，短程有序（團體有序，成百上千個原子的尺度，每個晶粒的尺寸通常是在微米的量級）；非晶（無定形）：基本無序（局部、個體有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾個原子或分子的尺度，即納米量級，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍）單晶有周期性非晶有周期性多晶短區(qū)域內(nèi)周期性第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)15§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)

固體最終形成使系統(tǒng)的能量最小的結(jié)構(gòu)保持電中性（靜電能最?。┦闺x子間的強烈排斥最小使原子盡可能的靠近滿足鍵的方向性

由于構(gòu)成晶體的粒子的不同性質(zhì)，使得其空間的周期性排列也不相同；為了研究晶體的結(jié)構(gòu)，將構(gòu)成晶體的粒子抽象為一個點，這樣得到的空間點陣成為晶格第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)16§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)晶格的周期性 晶格的周期性通常用原胞和基矢來描述。原胞：一個晶格最小的周期性單元原胞的選取不是唯一的;三維晶格的原胞通常是一個平行六面體第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)17§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)晶胞：也稱為單胞，通常是以格點為頂點、以三個獨立方向上的周期為邊長所構(gòu)成的平行六面體。它是晶體中的一個小的單元，可以用來不斷重復(fù)，從而得到整個晶體，通常能夠反映出整塊晶體所具有的對稱性相同點用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)單元不同點：固體物理學(xué)：原胞只強調(diào)晶格的周期性，其最小重復(fù)單元為原胞結(jié)晶學(xué)：晶胞還要強調(diào)晶格中原子分布的的對稱性。第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)18§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)基矢：晶胞的三個相互獨立的邊矢量。

如：簡立方晶格的立方單元就是最小的周期性單元，通常就選取它為原胞，晶格基矢沿三個立方邊，長短相等：第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)19§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)：

常見的三個基本的立方結(jié)構(gòu)及其晶格常數(shù)，分別是

簡單立方、體心立方和面心立方，立方體的邊長即

為晶格常數(shù)。

（1）簡單立方結(jié)構(gòu)（SC）

（2）體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）

（3）面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)20§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)簡單立方結(jié)構(gòu) SimpleCubic第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)21§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)Body-Centered-Cubic第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)22§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu) Face-Centered-Cubic第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)23§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)晶向指數(shù)

晶體的一個基本特點是具有方向性，沿晶體的不同方面晶體的性質(zhì)不同。 晶格的格點，可以看成分列在一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列?！敉粋€格子可以形成方向不同的晶列◆每一個晶列定義了一個方向，該方向稱為晶向◆晶向用晶向指數(shù)標(biāo)記第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)24§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)◆晶向指數(shù)的確定：如果沿著某一晶向，從一個原子到最近的原子的位移矢量為： ，則該晶向就用l1、l2、l3來標(biāo)志，寫成[l1

l2l3]。標(biāo)志晶向的這組數(shù)稱為晶向指數(shù)。以簡立方晶格為例第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)25§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)

立方邊，面對角線，體對角線都不止一個，它們的晶向指數(shù)確定方法和以上一樣，涉及到負(fù)值的指數(shù)，按慣例，負(fù)值的指數(shù)用頭頂上加一橫來表示： 用<l1

l2l3>表示時代表所有的等效晶向。第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)26§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)晶面：晶格的格點還可以看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面，第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)27§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)晶面指數(shù)

具體討論晶體時，常常要談及某些具體晶面，因此需要有一定的辦法標(biāo)志不同的晶面，常用的是所謂密勒指數(shù)。 密勒指數(shù)可以這樣確定：在晶格中，選一格點為原點，并以3個基矢a1、a2、a3

為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系。該晶面族中任一晶面與3個坐標(biāo)軸交點的位矢分別為ra1、sa2、ta3，則它們的倒數(shù)連比可化為互質(zhì)的整數(shù)，即

其中h、k、l為互質(zhì)的整數(shù)，晶體學(xué)中以（hkl）來標(biāo)志該晶面，稱為密勒指數(shù)。第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)28§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)簡立方格子中的重要晶面

側(cè)面（100）、對角面（110）、頂對角面（111）第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)29§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)等效晶面

立方晶體中的立方體共有6個不同的側(cè)面，由于晶格的對稱性，晶體在這些晶面的性質(zhì)完全相同，統(tǒng)稱這些等效晶面時，寫成{100}； 對角面共有12個，統(tǒng)稱這些對角面時，寫成{110}； 頂對角面共有8個，統(tǒng)稱這些頂對角面時，寫成{111}；第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)30§1.3晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)：

圖示為金剛石結(jié)構(gòu)，鍺、硅單晶材料均為金剛石結(jié)構(gòu)，它是由兩個面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)形成。第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)31當(dāng)Si原子形成晶體時，原來在s軌道上的二個價電子，有一個被激發(fā)到了p軌道，形成s、px

、py

、pz四個軌道各有一個電子，然后它們再“混合”起來重新組成四個等價軌道，這種軌道稱為SP3雜化軌道，這樣這四個電子，在四個新的等價軌道上，都成為未配對電子，而且它們的電子云分布基本上是單側(cè)地伸向四面體的四個頂角，當(dāng)原子結(jié)合成晶體時，就依照電子云重疊最多的角度，也就是四面體頂心這種角度進行(109°28‘)。第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)32當(dāng)原子結(jié)合成晶體時，就依照電子云重疊最多的角度，也就是四面體頂心這種角度進行(109°28‘)。在III－Ⅴ族AIIIBⅤ)和Ⅱ－Ⅵ族(AⅡBⅥ)化合物半導(dǎo)體中，每對A,B原子，亦完成SP3雜化，然后，每個A原子與四周4個B原子形成正四面體，每個B原子同樣同四周4個A原子形成正四面體,如GaAs。從正四面體搭接方式看正四面體搭接時可以有兩種形式，稱為重合組態(tài)和交錯組態(tài)。第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)33閃鋅礦結(jié)構(gòu)是以交錯組態(tài)的搭接方式構(gòu)成的，如果搭接成晶體的正四面體，頂、心原子相同時，即元素半導(dǎo)體，搭接方式一定為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，此時稱之為金剛石結(jié)構(gòu)；第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)34金剛石結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)性質(zhì)解理面

金剛石結(jié)構(gòu)的解理面為｛111｝面。因為｛111｝面雙厚子層與雙原子層之間鍵的面密度最低，面間距最大，因而最容易斷開；如Si、Ge等元素半導(dǎo)體材料。任何兩個近鄰原子的連線都沿一個〈111〉方向。處于四面體頂點兩個原子的連線都沿一個〈110〉方向。四面體不共頂點的兩個棱的中心連線都沿一個〈100〉方向。第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)35閃鋅礦的解理為｛110｝面相比之下，每個｛110｝面都是由等量的A、B原子組成，面與面間沒有附加的庫侖作用，而且面間的鍵面密度較小，所以相比之下，比｛111｝面更容易打開，因而成為解理面；如GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料。因為組成閃鋅礦的雙厚子層為不同的原子層，由于原子的電負(fù)性不同，電子云會偏向電負(fù)性大的那一層原子，這樣分別由兩種不同原子構(gòu)成的面所形成的雙原子層就成為了一個電偶極層，偶極層之間的庫侖作用使得雙原子層間的結(jié)合加強。第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)36化學(xué)腐蝕速度◆對于金剛石結(jié)構(gòu)，其化學(xué)腐蝕速度沿〈111〉、〈100〉、〈110〉依次變快。對于閃鋅礦結(jié)構(gòu),｛111｝面的兩端由不同原子構(gòu)成，導(dǎo)致兩端面性質(zhì)不同，導(dǎo)致在此方向的兩端面腐蝕速度不同。如GaAs，As面比Ga面更容易腐蝕；一般將電負(fù)性強的一面(As面)稱為()面，電負(fù)性弱的一面(Ga面)稱為(111)面。第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)37§1.4晶體中原子之間的價鍵原子或分子結(jié)合形成晶體，最終達到平衡時系統(tǒng)的能量必須達到最低。

1.離子晶體：離子鍵（Ionicbonding），例如NaCl晶

體等；

2.共價晶體：共價鍵（Covalentbonding），例如

Si、Ge以及GaAs晶體等；

3.金屬晶體：金屬鍵（Metallicbonding），例如

Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、Cu、Au、Ag等；

4.分子晶體：范德華鍵（VanderWaalsbonding），

例如惰性元素氖、氬、氪、氙等在低溫下則形成分

子晶體，HF分子之間在低溫下也通過范德華鍵形成

分子晶體。第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)38硅材料中共價鍵形成示意圖第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)39§1.5晶體中的缺陷與雜質(zhì)

理想單晶材料中不含任何缺陷與雜質(zhì)，且晶體中的原子都處于晶格中的平衡位置，實際的晶體材料并非如此理想和完美無缺，存在晶格的熱振動。

一、點缺陷 分為空位，間隙原子及雜質(zhì) 空位與間隙原子 由于晶格熱振動，而且振動能量存在漲落總有一部分原子的熱運動能量大到能克服其所在位置的熱能，脫離格點的位置，使格點處出現(xiàn)空位，離開正常格點位置的原子可能落入晶格間隙之中，成為自間隙原子，形成弗侖克爾缺陷；或移動到晶體表面，形成肖特基缺陷；若表面原子進入晶體內(nèi)部晶格，則形成單獨的間隙原子。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)40反結(jié)構(gòu)缺陷對于化合物半導(dǎo)體存在一種反結(jié)構(gòu)缺陷，即應(yīng)該是A原子的格點上為B原子所占據(jù)，應(yīng)為B原子的格點為A原子所據(jù)。第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)41雜質(zhì)晶體中與本體原子不同的元素的原子均稱為雜質(zhì)。◆來源：有可能是材料制備或器件制造工藝過程中的沾污，也有可能來源于人為的引入，用以控制其電學(xué)及其它特性。◆雜質(zhì)在半導(dǎo)體中存在方式：間隙式和替位式。間隙式雜質(zhì)：位于本體原子晶格間隙中，這類雜質(zhì)原子半徑較小，如H、Li第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)42替位式雜質(zhì)：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類雜質(zhì)原子價電子殼層結(jié)構(gòu)接近本體原子，如Ⅲ、Ⅴ族在Si、Ge(Ⅵ族)中的情況；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)43◆雜質(zhì)原子激活：人為引入的雜質(zhì)原子，只有處于替位式時，才能激活，起到改變和控制半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的作用。例如Ⅲ,Ⅴ族元素原子摻入Si、Ge中，多以替位式存在。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)44晶體中引入雜質(zhì)的方法稱為摻雜（Doping），摻雜的方法可分為：

（1）高溫擴散摻雜（hightemperaturediffusion）

（2）離子注入摻雜（Ionimplantation）；

當(dāng)雜質(zhì)存在濃度梯度時，雜質(zhì)要發(fā)生擴散，擴散強度與濃度梯度，溫度，晶格尺寸密切有關(guān)。實驗證明，擴散流密度J與雜質(zhì)濃度梯度?N/?x成正比，有比例系數(shù)D稱為擴散系數(shù)，分析表明：W為雜質(zhì)原子移動一個晶格位置需要的能量，與晶格常數(shù)有關(guān)?？梢钥吹剑瑪U散系數(shù)和溫度T呈指數(shù)關(guān)系，因而通常擴散工藝總是在高溫下進行(700℃-1200℃)，以節(jié)約擴散時間。第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)45二、線缺陷指位錯，分為兩類，刃位錯和螺位錯刃位錯、螺位錯與混合位錯 ◆刃位錯第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)46◆螺位錯第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)47三、面缺陷主要指層錯層錯第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)48§1.6半導(dǎo)體單晶材料的生長

硅單晶材料可以說是目前純度最高的一種材料，

其純度已達到百億分之一。生長半導(dǎo)體單晶材料的方法主要有以下幾種：

1.熔體生長法：又稱為切克勞斯基（Czochralski）生長方法，或CZ法。籽晶直拉法。

進一步采用區(qū)熔再結(jié)晶方法提純：

第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論——固體的晶格結(jié)構(gòu)49籽晶直拉法示意圖第