北京邮电大学微电子学基础1-2微学1晶体结构和电子状态

第一部分半导体物理第一、二章半导体的电子状态和杂质缺陷能级第三章载流子的平衡统计分布第四章弱场下的载流子输运第五章过剩载流子和载流子的复合第六章同质PN结第七章表面电场效应与MOS物理第八章金属半导体接触和异质结第一、二章半导体的晶体结构和电子状态§1-1半导体的晶体结构§1-2原子中电子的能级§1-3晶体中电子的能带§1-4半导体中杂质和缺陷的能级§1-1半导体的晶体结构物质：气态的、液态的或固态固体材料：–按照结构形式分：晶体和非晶体–按照导电能力分：导体、绝缘体和半导体半导体举例：锗、硅、砷化镓一、晶体的结构；二、半导体的特点．一、晶体的结构晶体：在晶体中原子是按一定规律整齐地排列起来的。各向异性：根据晶体中原子排列的不同型式，晶体结晶的形状也有对称性不同的几种形式，并在不同方向上表现出不同的特性，称为各向异性。多晶：一般的晶体时常包含有许多小晶粒，每个小晶粒中的原子都按同一序列排列，但晶粒与晶粒之间的排列取向则是没有规则的，这样的晶体称为多晶．铜、铁等金属。单晶：如果晶体本身只有一个晶粒，也就是说它体内的所有原子都是按同一序列排列起来的，这样的晶体称为单晶．硅单晶用来制造晶体管的硅、锗材料大多是单晶。6三种常见的立方晶格结构晶格：晶体中的原子按一定的规律，周期地排列在空间，形成一个个格点，称为晶格．不同的晶体有不同的晶格结构．立方晶体就是由这些基本结构重复排列而成。金刚石晶格结构半导体硅、锗具有金刚石晶格结构．金刚石晶格：由两个面心立方晶格，沿空间对角线错开，1/4长度，互相套合而成．其每个原子有四个最邻近的原子。晶向和晶面各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期和疏密情况是不相同的．因此沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也是不相同的．这种情况称为晶体的各向异性，晶向：100111等符号来表征晶体的一定方向，这里括号中的三个数为晶向矢量在x、y、z三个坐标轴上的投影长度。晶面：与100晶向垂直的面称为(100)晶面；例如：对金刚石结构来说，(100)晶面原子密度最小，(111)晶面原子密度最大，因此沿100与111方向，晶体有不同的特性．闪锌矿结构和氯化钠型结构III-V族化合物晶向和晶面-续1二、半导体的特性半导体的电阻率：10-3---109欧姆·厘米–导体的电阻率小于10-3欧姆·厘米–绝缘体的电阻率大于109欧姆·厘米导电能力：–随温度升高而迅速增加．–随所含的微量杂质而发生十分显著的变化。–随光照而发生显著变化．–随电场、磁场等的作用而改变．常见的半导体材料常见的半导体材料：–元素半导体硅(Si)、锗(Ge)等，III-V族化合物半导体砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，金属硫化物半导体硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)等，以及金属氧化物半导体氧化亚铜(Cu2O)等．应用：–晶体管和集成电路–其他：热敏器件、光敏器件、场效应器件、霍耳器件以及各种二极管、三极管、体效应管等，都是利用了半导体电性能容易受热、光、电、磁等外界作用而改变的特点§1-1的小结1．半导体常常是一些晶体．晶体中的原子按一定的周期有规则地排列在空间，构成一定形式的晶格．制造晶体管所用的硅、锗单晶具有金刚石结构．沿晶体的不同方向，其机械、物理特性常常不同，称为晶体的各向异性．2．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，特点是其电阻率容易随热、光、电、磁和杂质等外界作用而改变．许多半导体器件就是利用它的这些特性而制成的．3．半导体导电机构的特点，可以在能带理论的基础上得到解释．§1-2原子中电子的能级硅的原子序数是14，其原子核有14个正电荷，而核外有14个电子；锗的原子序数是32，其原子核带有32个正电荷，而核外也有32个电子．电子绕核运动一、量子化原理一、量子化原理原子中的电子绕核运动时，它的能量只能取一系列不连续的特定值．氢原子中电子：24222nmqEnh2412213.6mqEeVhm是电子的质量(m＝9.11×10-28克)，h称为普朗克常数(h＝6.63X10-27尔格·秒)，q是电子电荷的数值(q＝4.8×10-10静库)，n称为主量子数，可取1、2、3、……等正整数，1电子伏特为一个电子电荷、电位变化1伏特时所增加的能量．1电子伏特＝1.6×10-12尔格。24222nmqEnh氢原子的电子能级图能级：氢原子中电子可取的一个能量特定值，称为能级量子化：原子中电子的能量只能取一系列不连续的特定数值，通常把这一规律称为电子能量的量子化．氢原子的电子能级图二、分布几率与“测不准”关系“测不准关系”,,(1-3),xyzxPhyPhzPh,,(1-3),xyzxPhyPhzPh三、不相容原理不相容原理：“在同一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。”在一个具有多个电子的复杂原子中，这些电子不能同时都处在同一个能级中．对于原子的基态来说，它的电子必然首先填充能量最低的能级，而当能量低的能级已经填满时，就按能量由小到大的次序，分别填满其余的能级．§1-3晶体中电子的能带一、晶体中价电子的共有化运动1立方厘米的硅单晶中大约有6×1022个原子，因此排在1厘米长度上的硅原子数大约有(5×1022)1/3≈4×107个，也就是相邻两硅原子中心的距离差不多只有3埃。晶体中价电子的共有化运动内层电子的交迭程度较少，并且愈是内层，轨道的交迭就愈少，电子的共有化程度就愈差．因此，我们在考虑晶体中电子的共有化运动时，主要考虑价电子的共有化运动．二、能带的形成能带：为了容纳原来属于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子能级必须分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级，这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很近的能级所占据的能量区域称为能带，二、能带的形成（续）对于确定晶体的指定能带，其宽窄是一定的，它由晶体性质确定，与晶体大小(即晶体包含的原子数N)没有关系，N增大，能带中能级数增加只能增加能带中能级的密集程度，不改变能带宽度。内层电子共有化程度低，对应的能带窄；外层电子共有化程度高，对应的能带宽；能带之间可能发生交叠。允带和禁带电子填充能带遵守两条原理：1，泡利不相容原理，即不可能有两个电子处于完全相同的量子态。2，能量最小原理，即正常状态的电子将处于能量最小的状态。导体，半导体，绝缘体概念：满带和空带；导带和价带解释：满带的电子不导电导带底EC和价带顶EV价带：价电子填充的能带。导带：价带以上的能带基本上是空的，其中最低的一个空带为导带。Ec：导带底的能量Ev：价带顶的能量Eg：禁带宽度，即价带顶和导带底之间的能量间隔。Eg=Ec-Ev*常温下，硅的Eg＝1.120eV；锗的Eg＝0.67eV三、几种能带实例四，晶体中电子的能带1、导带电子能够导电2、满带电子不能导电要在电子原来热运动的基础上再附加定向运动的话，电子的运动状态必然要有改变．这个电子应该要过渡到与新的运动状态相应的新能级中去．要完成这一过渡除了需要有提供能量的外加作用之外，还要有空的能级．由于没有空的能级，电子增加能量的跃迁无法完成，也就无法形成电子的定向运动．3、本征半导体的导电机构把完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体．电子从晶格热运动吸收能量，从满带激发到导带的过程称为本征激发电子和空穴结论：当温度大于0°K时，由于热激发，本征半导体满带中的一部分电子被激发到了导带，同时，在满带中也出现了一些空穴.本征半导体的导带电子和满带空穴都能在外加电场的作用下产生定向运动，形成电流，因此半导体中的导带电子和价带空穴是半导体的两种载流子．空穴的运动1-3小结：导带和价带等允带和禁带满带和空带导带和价带导带底和价带顶禁带简化的能带图§1-4半导体中杂质和缺陷的能级本征半导体：纯净的，完美晶体结构的晶体硅、锗晶体中的杂质能级缺陷和位错能级1，半导体中的杂质和缺陷杂质原子进入晶体后，若位于格点间的间隙位置，则称之为填隙式杂质；若杂质原子取代了晶格原子位于格点处，则称为替位式杂质。半导体中的缺陷点缺陷线缺陷，位错面缺陷,层错2，半导体中的杂质能级和缺陷能级杂质和缺陷，会引入能级，可能在禁带中引入。由点缺陷或位错等缺陷引起，在禁带中引入的能级称为缺陷能级。由杂质原子引起，在禁带中引入的能级称为杂质能级。3，施主杂质和施主能级杂质原子的电离过程施主杂质：一个V族原子掺入硅中，可以向硅提供一个自由电子，而本身成为带正电的离子，通常称这种杂质为施主杂质。施主能级(ED)主要依靠导带电子导电的半导体叫n型半导体。4，受主杂质和受主能级空穴的电离过程受主杂质：III族杂质原子在硅中能够接受电子产生导电空穴，并成为负电中心，这类杂质原子称为受主杂质。主要依靠价带中空穴导电的半导体称为p型半导体。5，杂质的补偿半导体内同时含有施主杂质ND和受主杂质NA时，施主和受主在导电性能上有相互抵消的作用，通常称它为杂质的补偿作用。经过补偿后，半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度(ND-NA)。6，浅能级和深能级杂质浅能级深能级浅能级杂质深能级杂质同一种杂质可以在禁代中引入多个能级7，电子的有效质量晶体中的电子在综合场中运动，电子的加速度应是半导体内部势场和外力作用的综合结果。经典力学描述自由电子：F=ma晶体中的电子：F=(∑mn)a；(∑mn)代表了内部势场的作用。Mn：电子有效质量；Mp：空穴有效质量内层电子有效质量大；外层电子有效质量小，外力造成的加速度大。有效质量可以为负值。Mn，电子的有效质量∑F=F外场+F晶格∑F=MaF外场+F晶格=MaF外场=（M-F晶格/a）aF外场=mna第一二章小结半导体的晶体结构原子中电子的能级晶体中电子的能带半导体中杂质和缺陷的能级Youxiaozhiliang助教，作业1曹春艳–手机：[phone]–邮箱：[e-mail]张雅君手机：[phone]邮箱：[e-mail]作业1：第2章，习题1，习题5