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半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理第1章半导体特性1.1半导体的晶格结构1.2半导体的导电性1.3半导体中的电子状态和能带1.4半导体中的杂质与缺陷1.5载流子的运动1.6非平衡载流子1.7习题半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理半导体材料的晶格结构电子和空穴的概念半导体的电性能和导电机理载流子的漂移运动和扩散运动非平衡载流子的产生和复合●——本章重点半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理半导体的晶格结构1.1电阻率介于导体和绝缘体之间。导体（电阻率小于10-8Ω·m），绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。半导体五种常见的晶格结构●简单立方结构●体心立方结构●面心立方结构●金刚石结构●闪锌矿结构晶体自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。釙(Po)半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶体的原子按一定规律在空间周期性排列，称为晶格。体心立方结构钠（Na）钼（Mo）钨（W）半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理面心立方结构铝（Al）铜（Cu）金（Au）银（Ag）半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理金刚石结构硅（Si）锗（Ge）由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理大量的硅（Si）、锗（Ge）原子靠共价键结合组合成晶体，每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构，。这四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中心原子的四个价电子分别组成电子对，作为两个原子所共有的价电子对。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理闪锌矿结构砷化镓（GaAs）磷化镓(GaP)硫化锌(ZnS)硫化镉(CdS)半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理元素半导体化合物半导体硅（Si）锗（Ge）Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半导体材料半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。例1-12/3a2/3a2/3a2/3a解半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理练习假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。解半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理例1-2硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为28.09g/mol）解半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶体的各向异性沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理在ACC’A’平面内有六个原子，在ADD’A’平面内有五个原子，且这两个平面内原子的间距不同。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶面指数（密勒指数）常用密勒指数来标志晶向的不同取向。密勒指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理如图，晶面ACC’A’在坐标轴上的截距为1，1，∞，其倒数为1，1，0，此平面用密勒指数表示为（110），此晶面的晶向（晶列指数）即为[110]；晶面ABB’A’用密勒指数表示为（）；晶面D’AC用密勒指数表示为（）。100111半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理练习试求ADD’A’的密勒指数。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶列指数——晶向指数•任何两个原子之间的连线在空间有许多与它相同的平行线。•一族平行线所指的方向用晶列指数表示•晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比例取互质数•[111]、[100]、[110]半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶面指数（密勒指数）•任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面•一族平行晶面用晶面指数来表示•它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质数•(111)、(100)、(110)•相同指数的晶面和晶列互相垂直。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理1.2半导体的电性能温度与半导体半导体的电导率随温度升高而迅速增加。金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理杂质与半导体杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20Ω·m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理光照与半导体光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理其他因素与半导体除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理硅（Si）在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理1.3半导体中的电子状态和能带单个原子的电子电子静电引力（库仑力），使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。量子力学虽然在空间的所有范围内都有电子出现的几率，但对单个原子中的电子而言，其几率的最大值则局限在离原子核中心很小的范围内（玻尔半径数量级）。轨道电子云在空间分布几率最大值，即轨道上，电子出现的几率最大。电子受到原子核和其他电子的共同作用。-E1E2E3原子核能级半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由原子按一定周期重复排列而成，且排列相当紧密，相邻原子间距只有零点几个纳米的数量级。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理共有化运动由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。半导体中的电子是在周期性排列且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的平均势场中运动。这个平均势场也是周期性变化的，且周期与晶格周期相同。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。能级能带半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理●允带●禁带●满带●空带允许电子存在的一系列准连续的能量状态禁止电子存在的一系列能量状态被电子填充满的一系列准连续的能量状态满带不导电没有电子填充的一系列准连续的能量状态空带也不导电图1-5金刚石结构价电子能带图（绝对零度）半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理●导带●价带有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。●禁带宽度/Eg导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：eV（电子伏特）半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理图1-6导体、绝缘体、半导体的能带示意图能带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电禁带很宽，价带电子常温下不能被激发到空的导带禁带比较窄，常温下，部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能带电3~6eV硅1.12eV锗0.67eV砷化镓1.42eV半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理●空穴价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带正电荷的“准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。图中“●”表示价带内的电子;图中“○”表示价带内的空穴。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理思考•既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理图1-7一定温度下半导体的能带示意图●导带底EC●价带顶EV●禁带宽度Eg●本征激发导带电子的最低能量价带电子的最高能量Eg=Ec-Ev由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带电子的过程。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理注意三个“准”•准连续•准粒子•准自由半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理练习•整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。•简述空穴的概念。半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理1.4半导体中的杂质和缺陷理想的半导体晶体实际应用中的半导体材料十分纯净不含任何杂质晶格中的原子严格按周期排列的原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动并不是纯净的，而是含有若干杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其他化学元素的原子晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷半导体器件物理半导体器件物理江西科技师范大学半导体器件物理极其微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质