第二章 硅的基本特性

A
成 ABC ABC 三层一个周
期。 得到面心立方堆积。
C
B
12
6
3
54
配位数 12 。 ( 同层 6， 上下层各 3 )
A C B A
此种立方紧密堆积的前视图
硅晶体为双层立方密积结构
• 硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双 层密排面AA′BB′CC′
7 解理面
• （111）面为解理面，即为天然易破裂面。 实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面 的晶向。
金刚石结构
cc 金刚石结构是由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/4的 长度套构而成,其布拉维晶格为面心立方。
金刚石结构属面心立方，每个结晶学原胞包含4个格点。
4 硅晶向、晶面和堆积模型
晶向
硅的几种常用晶向的原子分布图
5 硅晶面
立方晶系的几种主要晶面
Байду номын сангаас 6 晶体的密堆积结构
等径刚性球模型来讨论堆积方式: 在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球相
晶胞在空间无限重复就形成了晶格。
晶胞是一个平行六面体， 其特征可用六个常数 （晶胞参数）来描述：
边长：a，b，c
夹角：，，
c


a
b
3 硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞
晶格常数： α=5.4305Å 原子密度： 8/a3=5*1022 cm-3 原子半径： rSi=√3a/8=1.17Å 空间利用率：
固体物理学原胞的体积
(b)面心立方
ak
a1
a2 a j a3
( ) a1 = a j + k 2 ( ) a a2 = i + k
2
( ) a3 = a i + j 2
ai
平均每个布拉维原胞包含4个格点。
( ) 固体物理学原胞的体积 Ω = a1 a2 a3 = 1 a3 4
(c)体心立方
本征载流子浓度 （cm-3）
1.45×1010
本征电阻率（Ω·cm）2.3×105
3900 1900
2.4×1018 47
GaAs 1238 1.43 直接
8600 250
9.0×106 108
为什么选择硅？
硅的丰裕度 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 更宽的工作温度范围 氧化硅的自然形成
1.1 硅晶体结构的特点
第一章 晶体硅的基本特性
1.1 硅晶体结构的特点 1.2 硅的掺杂
硅 GaAs
硅、锗、砷化镓特性比较
性质
Si
Ge
熔点(˚C) 禁带宽度（eV） 禁带类型
1412 1.12 间接
937 0.67 间接
晶格电子迁移率 （cm2/V·s）
1350
晶 格 空 穴 迁 移 率 480 （cm2/V·s）
12
A
6
3
54
B
A
于是每两层形成一个周期，
B
即 AB AB 堆积方式，形成六
A
方紧密堆积。
配位数 12 。 ( 同层 6，上下层各 3 )
第三层的另一种排列 方式，是将球对准第一层 的 2，4，6 位，不同于 AB 两层的位置，这是 C 层。
12
6
3
54
12
6
3
54
12
6
3
54
第四层再排 A，于是形
1. 晶格 组成晶体的粒子有规则地排列在空间的
一定的点上，这些点的总和——晶格（或点阵）
Z
Y
（a）平面格子
O
X
(b)空间格子
晶格结点在空间的排列方式不同，晶格就有不同 的形状。最简单的是立方晶格，它有三种类型：
(a)简立方
a1 = ai a2 = a j a3 = ak
每个布拉维原胞包含1个格点。
切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层。
第二层 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是一样的 )
12
6
3
54
12
6
3
54
，
AB
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧 密的堆积方式。
第一种是将球对准第一层的球。 下图是此种六方 紧密堆积的前视图
p型杂质
小结
• 本章主要掌握硅的晶体结构特点 • 硅晶体掺杂的基本概念
ak
a1
a2 aj
ai
a3
( ) a1 = a − i + j + k 2 ( ) a a2 = i − j + k
2
( ) a3 = a i + j − k 2
平均每个布拉维原胞包含2个格点。
( ) 固体物理学原胞的体积 Ω = a1 a2 a3 = 1 a3 2
2. 晶胞
在晶格中，能表现出其结构一切特征的最 小部分称为晶胞。
– （100）面与（111）面相交成矩形，（100） 面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；
– （111）面和其它（111）面相交呈三角形， 因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角 形，呈60°角。
1.2 硅的掺杂
施主杂质、施主能级(举例Si中掺P，Si:P)
电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺
施主的意义所在
n型杂质
受主杂质、受主能级(举例Si中掺B，Si:B)
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体
电离结果：价带中的 空穴数增加了，这也 是掺受主的意义所在
把被受主杂质束缚的空穴的 能量状态称为受主能级。受
主能级靠近价带顶部
空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电 离时是中性的称为束缚态或中性态；电离后成为负电中心， 称为受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所 需要的能量称为受主电离能。
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体
把被施主杂质束缚的电子的 能量状态称为施主能级。施
主能级靠近导带底部
施主杂质释放电子的过程称为施主电离。施主杂质未电离时 是中性的称为束缚态或中性态；电离后成为正电中心，称为 施主离化态。使电子挣脱施主杂质束缚成为导带电子所需要 的能量称为施主电离能。