第2章 热平衡时的能带和载流子浓度01

半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度半导体器件物理SemiconductorPhysicsandDevices半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度1本章内容•半导体材料•基本晶体结构•共价键•能带•本征载流子浓度•施主和受主半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度2固态材料（导电性）：绝缘体、半导体、导体。绝缘体：电导率很低，约介于10-18S/cm～10-8S/cm，如熔融石英及玻璃；导体：电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属；半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率/(cm)S-1电导率/(cm)Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率/(cm)S-1电导率/(cm)Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英2.1半导体材料半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度3半导体的特点：易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。半导体材料的类型：元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等半导体材料半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度4硅、锗：单一原子组成的元素半导体，周期表第IV族元素。20世纪50年代初期，锗；60年代初期以后，硅。周期IIIIIIVVVI2BCN硼炭氮3MgAlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅周期IIIIIIVVVI2BCN硼炭氮3MgAlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅硅的优势：室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量丰富，仅次于氧。2.1.1元素半导体半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度5类别：二元化合物半导体：由两种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。化合物半导体的优势：具有与硅不同的电和光特性。如GaAs等，主要用于高速光电器件。化合物半导体的不足：与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。2.1.2化合物半导体材料半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度62.2基本晶体结构•单晶：一典型结构或原子团在三维空间按周期重复排列。•晶格：晶体中原子的周期性排列。晶格中的原子被抽象为一个点，称为格点。半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度72.2.1单胞•单胞（晶胞）：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；可复制出整个晶体，通常用来代表整个晶格。•单胞和晶格的关系用、、三个向量表示，它们彼此间不需正交，长度也可不相等，基矢长度称为晶格常数。•每个三维空间中的等效晶格点可表示为其中，m、n、p是整数。abcRmanbpcacbαβγacbαβγ单胞半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度8立方晶系基本的晶体结构：简单的立方晶格每个顶角有一个原子体心立方晶格除顶角外在立方体中心还有一个原子yxzxzayzxy面心立方晶格简立方的六个面的中心各有一个原子P18例1半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度9金刚石结构闪锌矿结构•金刚石晶格结构（硅、锗）：属面心立方晶体家族，视为两个相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的1/4。此两个副晶格中的两组原子虽在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。•闪锌矿晶格结构（GaAs）：与金刚石晶格结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为III族原子（Ga），另一个副晶格为V族原子（As）。P19例2半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度102.2.3晶面及密勒指数晶面：晶格的格点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。半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度11•由于不同平面的原子空间不同；因此沿不同平面的晶体特性并不同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有重要关联。•密勒指数（Millerindices）：界定一晶体中不同平面的方法。可由下列步骤确定：1.找出平面在三坐标轴上的截距值r、s、t（以晶格常数为单位）；2.取这三个截距的倒数，并将其化简成最简单整数比，；3.h、k、l为互质的整数，以（hkl）来表示单一平面的密勒指数。111::::hklrstP19例3半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度12以下是一些其他规定：1.(hkl)：代表在x轴上截距为负的平面，如(100)。2.{hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用{100}表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)；3.[hkl]：代表一晶体的方向，如[100]表示x轴方向。[100]方向定义为垂直于(100)平面的方向，而[111]则为垂直于(111)平面的方向。4.hkl：代表等效方向的所有方向组，如100代表[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(110)yxzaaaO(111)yxz________半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度13硅材料中共价键形成示意图硅原子的价电子硅原子中的共价键2.4共价键半导体器件物理第2章热平衡时的能带和载流子浓度14Thanksforlistening！