chapter1半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷全解

半導(dǎo)體物理

SEMICONDUCTORPHYSICS

西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院第一章半導(dǎo)體晶體構(gòu)造和缺陷1.1半導(dǎo)體的晶體構(gòu)造1.2晶體的晶向與晶面1.3半導(dǎo)體中的缺陷緒論什么是半導(dǎo)體按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電力氣區(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此外，半導(dǎo)體還具有一些重要特性，主要包括：溫度上升使半導(dǎo)體導(dǎo)電力氣增加，電阻率下降如室溫四周的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應(yīng)地降低50%左右微量雜質(zhì)含量可以顯著轉(zhuǎn)變半導(dǎo)體的導(dǎo)電力氣以純硅中每100萬個硅原子摻進(jìn)一個Ⅴ族雜質(zhì)〔比方磷〕為例，這時硅的純度仍高達(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)波長的光照可以轉(zhuǎn)變半導(dǎo)體的導(dǎo)電力氣如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十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)電力氣還隨電場、磁場等的作用而轉(zhuǎn)變本課程的內(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)體的晶體構(gòu)造和缺陷，定義了晶向和晶面爭論了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶構(gòu)造，介紹了雜質(zhì)半導(dǎo)體及其雜質(zhì)能級在對半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計的根底上分析了影響因素，爭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動和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進(jìn)展了爭論，介紹了載流子的集中運動，建立了連續(xù)性方程簡要介紹了半導(dǎo)體外表的相關(guān)學(xué)問1.1半導(dǎo)體的晶體構(gòu)造一、晶體的根本學(xué)問長期以來將固體分為：晶體和非晶體。晶體的根本特點：具有確定的外形和固定的熔點，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〕是按確定的方式有規(guī)章的排列而成——長程有序。〔如Si，Ge，GaAs〕晶體又可分為：單晶和多晶。單晶：指整個晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)章排列方式所貫穿。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?！畴S機積存成的整塊材料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。非晶〔體〕的根本特點：無規(guī)章的外形和固定的熔點，內(nèi)部構(gòu)造也不存在長程有序，但在假設(shè)干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在構(gòu)造上的有序排列——短程有序〔如非晶硅：a-Si〕

圖1.1非晶、多晶和單晶示意圖對于單晶Si或Ge，它們分別由同一種原子組成，通過二個原子間共有一對自旋相反配對的價電子把原子結(jié)合成晶體。這種依靠共有自旋相反配對的價電子所形成的原子間的結(jié)合力，稱為共價鍵。由共價鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價晶體。Si、Ge都是典型的共價晶體。二、共價鍵的形成和性質(zhì)共價鍵的性質(zhì)：飽和性和方向性飽和性：指每個原子與四周原子之間的共價鍵數(shù)目有確定的限制。Si、Ge等Ⅳ族元素有4個未配對的價電子，每個原子只能與四周4個原子共價鍵合，使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層，因此共價晶體的配位數(shù)(即晶體中一個原子最近鄰的原子數(shù))只能是4。方向性：指原子間形成共價鍵時，電子云的重疊在空間確定方向上具有最高密度，這個方向就是共價鍵方向。共價鍵方向是四周體對稱的，即共價鍵是從正四周體中心原子動身指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角為109°28′，這種正四周體稱為共價四周體。圖中原子間的二條連線表示共有一對價電子，二條線的方向表示共價鍵方向。共價四周體中假設(shè)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四周體半徑。圖1.2共價四面體三、Si、Ge晶體構(gòu)造圖1.3(a)畫出了由四個共價四周體所組成的一個Si、Ge晶體構(gòu)造的晶胞，統(tǒng)稱為金剛石構(gòu)造晶胞整個Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成它是一個正立方體，立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子，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原子，金剛石構(gòu)造晶胞中共有8個原子金剛石構(gòu)造晶胞也可以看作是兩個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正立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子的構(gòu)造，如圖1.3(b)所示圖1.3(a)金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞(b)面心立方四、GaAs晶體構(gòu)造具有類似于金剛石構(gòu)造的硫化鋅(ZnS)晶體構(gòu)造，或稱為閃鋅礦構(gòu)造。GaAs晶體中每個Ga原子和As原子共有一對價電子，形成四個共價鍵，組成共價四周體。閃鋅礦構(gòu)造和金剛石構(gòu)造的不同之處在于套構(gòu)成晶胞的兩個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)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，格點的總體稱為點陣。對半導(dǎo)體Si、Ge和GaAs等具有金剛石或閃鋅礦構(gòu)造的立方晶系，通常取某個格點為原點，再取立方晶胞的三個相互垂直的邊OA,OB,OC為三個坐標(biāo)軸，稱為晶軸，見圖1.5。圖1.5立方晶系的晶軸通過晶格中任意兩格點可以作一條直線，而且通過其它格點還可以作出很多條與它彼此平行的直線，而晶格中的全部格點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晶列的取向稱為晶向。為表示晶向，從一個格點O沿某個晶向到另一格點P作位移矢量R，如圖1.7，則R=l1a+l2b+l3c假設(shè)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]，用來表示某個晶向。圖1.7晶向的表示晶列指數(shù)就是某個晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)整數(shù)。假設(shè)mnp中有負(fù)數(shù)，負(fù)號寫在該指數(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]六個同類晶向；<111>代表了立方晶胞全部空間對角線的8個晶向；而<110>表示立方晶胞全部12個面對角線的晶向晶格中的全部格點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)并用來表示某一個晶面截距為負(fù)時，在指數(shù)上方加一短橫。假設(shè)晶面和某個晶軸平行，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1.3半導(dǎo)體中的缺陷弗侖克爾缺陷：確定溫度下，格點原子在平衡位置四周振動，其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量，抑制四周原子化學(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消逝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，所以常常是外表四周的原子A和B依靠熱運動能量運動到外面新的一層格點位置上，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，而外表則產(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。肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點缺陷。雖然這兩種點缺陷同時存在，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中主要的點缺陷是空位(a)弗侖克爾缺陷(b)肖特基缺陷圖1.11點缺陷化合物半導(dǎo)體GaAs中，假設(shè)成份偏離正?；瘜W(xué)比，也會消逝間隙原子和空位。假設(shè)Ga成份偏多會造成Ga間隙原子和As空位；As成份偏多會造成As間隙原子和Ga空位?；瘜W(xué)比偏離還可能形成所謂反構(gòu)造缺陷，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，稱為反構(gòu)造缺陷。此外高能粒子轟擊半導(dǎo)體時，也會使原子脫離正常格點位置，形成間隙原子、空位以及空位聚積成的空位團等。位錯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)的很多步驟都在高溫下進(jìn)展，因而在晶體中會產(chǎn)生確定應(yīng)力。在應(yīng)力作用下晶體的一局部原子相對于另一局部原子會沿著某一晶面發(fā)生移動，如圖1.12(a)所示。這種相對移動稱為滑移，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試驗說明滑移運動所需應(yīng)力并不很大，由于參與滑移的全部原子并非整體同時進(jìn)展相對移動，而是左端原子先發(fā)生移動推動相鄰原子使其發(fā)生移動，然后再逐次推動右端的原子，最終是上下兩局部原子整體相對滑移了一個原子間距b，見圖1.12(b)。這時雖然在晶體兩側(cè)外表產(chǎn)生小臺階，但由于內(nèi)部原子都相對移動了一個原子間距，因此晶體內(nèi)部原子相互排列位置并沒有發(fā)生畸變。在上述逐級滑移中會由于應(yīng)力變小而使滑移中途中止，就消逝了圖1.13(a)所示的狀況。假設(shè)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)原子都完成了一個原子間距的移動，而右側(cè)原子都沒有移動，其結(jié)果是似乎有一個多余的半晶面AEFD插在晶體中，見圖1.13(b)。在AD線四周晶格產(chǎn)生畸變，而距AD線較遠(yuǎn)處似乎沒有影響，原子照舊規(guī)章排列，這種缺陷稱為位錯，它是一種發(fā)生在AD線四周的線缺陷，AD線稱為位錯線。圖1.13中滑移方向BA與位錯線AD垂直，稱為棱位錯。由于它有一個多余的半晶面AEFD像刀一樣插入晶體，也稱刃形位錯(a)(b)