第三章 元素半导体
半导体物理_第三章
其中NC称为导带的有效态密度函数，若取 mn*=m0，则当T=300K时， NC=2.5X1019cm-3， 对于大多数半导体材料来说，室温下NC确实是在 1019cm-3的数量级。
其中NV称为价带的有效态密度函数，若取mp*=m0，则 当T=300K时， NV=2.5X1019cm-3 。
这个积分函数随着变量ηF的变化关系如下图。
费米－狄拉克积分函数随着归一化费米能级的变化：
ηF>0时，意味着费米能级已经进入到导带中。
与此类似，热平衡状态下的空穴浓度也可以表 示为：
η’F>0，意味着费米能级已经进入到价带中。
4. 简并半导体与非简并半导体 在前面关于非本征半导体材料的讨论中， 实际上假设了半导体材料中的掺杂浓度通常都 是远远低于其本体原子密度的,通常把这种类 型的半导体材料称为非简并半导体。此时，在 N型半导体材料中，施主能态之间不存在相互 作用，同样，在P型半导体材料中，受主能态 之间也不存在相互作用，
而当半导体材 料中掺入受主 杂质后，空穴 浓度将大于电 子浓度，其费 米能级的位置 也将由禁带中 心附近向价带 顶部下移
在前面导出的有关本征半导体材料在热平 衡状态下的载流子浓度公式同样也适用于非本 征的半导体材料，只是这时半导体材料中费米 能级EF的位置随着掺杂情况的不同而发生相应 的改变。因此电子和空穴的浓度也将会发生相 应的变化，且二者一般不再相等。即：
其中gV(E)是价带中的量子态密度， 1−fF(E) 反映的是价带中的量子态未被电子填充的几率。 p(E)的单位也是cm-3eV-1。价带中总的空穴浓度 p则由上式对整个价带的能量区间进行积分即可 求得，p的单位是cm-3，即单位体积内的空穴数 量。
费米能级EF的位置的确定
第三章 元素半导体材料
µp(cm /V.S)
2
2
15000
15000
10000
10000
5000
5000
22
100 150 200 250 300
0 100 150 200 250 300
0
T(K)
T(K)
23
24
3.3 金刚石 纯净的金刚石化学性质稳定，耐酸、耐腐蚀， 纯净的金刚石化学性质稳定，耐酸、耐腐蚀，高温下也不与浓氢氟 发生反应；只在Na 酸、硝酸和HClO3发生反应；只在 2CO3、NaNO3、KNO3的溶体中或 硝酸和 和浓硫酸混合液一起煮沸时才可被腐蚀。 与K2Cr2O7和浓硫酸混合液一起煮沸时才可被腐蚀。
6
5
1 Eg (T ) = (0.182 + 8.28 ×10 −9 T 2 )
4
Eg(eV)
3
2
1
0 100
200
300
400
500
600
700
Temperature(K)
25
26
3.4 硒和碲 3.4.1 硒 硒在地壳中的丰度为5× 硒在地壳中的丰度为 ×10-6%（质量比）； （质量比）； 它有六个稳定的同位素： 它有六个稳定的同位素： Se74(0.89%) 、 Se76(9.36%) 、 Se77(7.63%) 、 Se78(23.77%) 、 Se80(49.61%) 、 Se82(8.74%)
Eg − kT ni = np = N C NV e 1 2
6
(2)电阻率 (2)电阻率
Si的本征电阻率
ρ = (neµ n + peµ p )−1 = [ni e(µ n + µ p )]−1
半导体物理1-8章重点总结
半导体重点总结（1-7章）绪论1. 制作pn 结的基本步骤。
（重点，要求能够画图和看图标出步骤）第一章． 固体晶体结构1. 半导体基本上可以分为两类：位于元素周期表IV 元素半导体材料和化合物半导体材料。
大部分化合物半导体材料是III 族和V 族化合形成的。
2. 元素半导体，如：Si 、Ge ； 双元素化合物半导体，如：GaAs （III 族和V 族元素化合而成）、InP 、ZnS 。
类似的也有三元素化合物半导体。
3. 固体类型：（a ）无定形（b ）多晶（c ）单晶 图见P6 多晶：由两个以上的同种或异种单晶组成的结晶物质。
多晶没有单晶所特有的各向异性特征 准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性。
似晶非晶。
4. 原胞和晶胞：原胞是可以通过重复形成晶格的最小晶胞。
晶胞就是可以复制出整个晶体 的小部分晶体。
5. （a ）简立方 1 个原子（b ）体心立方 2 个原子（c ）面心立方 4 个原子计算方法：顶点的一个原子同时被8个晶胞共享，因此对于所求晶胞而言只占有了该原子的1/8；边上、面心和体心原子分别同时被4,2,1个晶胞共享，对于所求晶胞而言分别占有了该原子的1/4,1/2,1/2.如此计算。
例如（c ）图中8*1/8+6*1/2=1+3=4. 6. 晶格常数：所取的立方体晶胞的边长。
单位为A ,1A=10^-8cm. 7. 原子体密度：原子个数/体积。
比如上图（c ）假设晶格常数为5A 。
求原子体密度。
8．密勒指数（取面与x,y,z 平面截距的倒数）：密勒指数描述晶面的方向，任何平行平面都有相同的密勒指数。
9. 特定原子面密度：原子数/截面面积。
计算方法：计算原子面密度时求原子个数的方法与求体密度时的方法类似，但是应当根据面的原子共用情况来计算。
其中有一种较为简便的算法：计算该面截下该原子的截面的角度除处以360，即为该面实际占有该原子的比例。
举例1：计算下图（a ）中所显示面所拥有的原子个数和原子面密度：该面截取了顶角四个原子和体心一个原子，顶角每个原子与面的截面角度为90度，90/360=1/4,体心原子与面的截面角度为360度，360/360=1，所以原子总数,1+1+1/4*4=2()223384 3.210510cm ρ-==⨯⨯个原子/举例2：第一次作业中有一道小题是计算硅晶体在晶面（1,1,1）的面密度，晶格常数为a ，如下图可以知道如图所示的等边三角形的边长为√2*a,三个角顶点截面角度为60度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/6,三个面心点截面角度为180度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/2.所以该面拥有原子数为3*1/6+3*1/2=1/2+3/2=2.等边三角形面积为√3/2*a^2,所以可以算出面密度为4/(√3a^2).10. 晶向：与晶面垂直的矢量（在非简立方体晶格中不一定成立）。
半导体材料有哪些元素
半导体材料有哪些元素半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。
半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。
如二极管就是采用半导体制作的器件。
半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。
今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
具有半导体特性的元素，如硅、锗、硼、硒、碲、碳、碘等组成的材料。
其导电能力介乎导体和绝缘体之间。
主要采用直拉法、区熔法或外延法制备。
工业上应用最多的是硅、锗、硒。
用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。
其他硼、碳（金刚石、石墨）、碲、碘及红磷、灰砷、灰锑、灰铅、硫也是半导体，但都尚未得到应用。
在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体，其中C表示金刚石。
C、P、Se 具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低，Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
第三章 半导体晶体定向
（2）晶体定向是研究晶体各种物理性质方向性的基础。
3、晶向指数和晶面指数 （1）定义：在晶体中存在着一系列的原子列或原子平面， 晶体中原子组成的平面叫晶面，原子列表示的方向称 为晶向。 为了便于表示各种晶向和晶面，需要确定一种统一的 标号，称为晶向指数和晶面指数，国际上通用的是密 勒（Miller）指数。
3、通过晶体反射光像的对称性以及光图中心的偏离角， 来确定晶体的生长方向及晶体的晶向偏离角。如图所示
腐蚀面 腐蚀坑底面
A
图3-2-1 入射光通过光屏中心孔 照射到样品经反射后在光屏上产 生的光像
图 3-2-2 入射光被腐蚀坑底主晶 面所反射
二、测试仪的特点
1、光点定向设备简单，准确度也比较高。 2、光源已用激光源直接代替透镜系统，可以获得高亮度和高准 确度的照明光束。
5、晶带定理及应用
（1）晶带定理：
C1
相交于同一直线(或平行于同一 直线)的所有晶面的组合称为晶 带，该直线称为晶带轴，同一 晶带轴中的所有晶面的共同特 点是，所有晶面的法线都与晶 带轴垂直(如图1-23所示)。
C2
设有一晶带其晶带轴为[uvw]晶向，该晶带中任一晶面为 (hkl)，则由矢量代数可以证明晶带轴[uvw]与该晶带的任一 晶面(hkl)之间均具有下列关系： hu+kv+lw =0
C
晶面DOF： (111 )
晶面ABCD： (001 )
G
H E F
晶面AIHO：(210)
O
例2：在立方晶系中画出（210）（ 1 2 1） 晶面。
Z
o Y
X
如图所示，立方晶系中的晶面与晶向：（指数相同的 晶面和晶向相互垂直）
半导体材料（复习资料）
半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。
第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。
硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。
2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。
注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。
2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。
第一章 半导体材料绪论
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导 体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流 的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为 “霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重 要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命 名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池， 这是最早的直流电源。从此，人类对电的研 究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究 领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了 金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的 “半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用 了“Semiconductor”（半导体）一词。
半导体物理学知识重点总结
本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！== 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ ==关于空气污染的资料篇一：关于环境污染的资料关于环境污染的资料说到环境污染，同学们或多或少都有切身体会，或者在电视上看到过污染的情况。
比方说汽车从我们身边开过，会扬起灰尘，汽车还排放尾气，这就是一种空气污染。
还有许多工厂都要排放废水，工厂生产需要使用干净的水，这些干净的水经过各种各样的生产工艺，水里边加进了许多污染物质，变成了废水，工厂再把这些废水排放到环境里去，就会污染河流、水渠、湖泊、水库，甚至是大海，这就是水污染。
我们生活中也产生许多废渣，我们叫它生活垃圾。
环境污染最大的危害是造成环境质量下降，从而影响我们的生活和身体健康，也影响经济发展。
现在，我国的城市空气质量良好的约占三分之一，受到轻度污染和重度污染的各占三分之一。
现代环境污染首先是伴随着工业发展而产生的，我们把它叫做工业污染。
我们把产生工业污染的工厂叫做工业污染源。
现在我国每年工业污染源排放到空气中的二氧化硫有1570万吨（201X年），工业粉尘841万吨，烟尘217万吨。
每年排放工业废水200亿吨。
每年排放工业固体废物8.9亿吨。
随着人口的增多，城市化水平的提高和生活水平的提高，生活污染也越来越严重，现在我国每年产生的城市生活污水有227亿吨，已经超过了工业废水的排放量。
生活二氧化硫排放量381万吨，烟尘217万吨。
由于现代农业的发展，化肥和农药大量使用，产生了农业污染，农业污染最可怕的是农产品有害物质含量超标。
因为农产品大量的是食品。
这几年在我国就出现了几起有毒大米、有毒猪肉、有毒食油的典型案件。
当然农业污染最普遍的是使食品中的有害物质含量增加。
这些有害物质我们食用后短时间内可能不会有什么感觉，如果时间长了，就会在身体内富集，危害我们的健康。
最可怕的还有这些有害物质会在自然界中通过食物链造成富集，长时期地积累在植物中和生物体内，最终影响到我们人类的身体健康。
半导体器件物理(第三章 半导体的表面特性)
信息电荷
电子-空穴对
P-Si
光照
CCD 结构单元是由一系列紧密排列的 MOS 电容所构成的， 如图所示。景物的影像光照产生电子 -空穴对，对应地在VG端施 加一正脉冲，从而产生一势阱。此时，空穴因带正电荷而被排斥 走，电子带负电荷而被吸引进势阱中，这些电子被称为信息电 荷，它反映了光照的强弱，并暂时被储存在所谓的电子势阱中。
VG
栅电极 栅介质(SiO2)
理想MOS结构的条件： ① Si-SiO2系统中不存在前述的 三种性质的电荷及界面态； ②金属栅与衬底半导体材料之 间的功函数相等。
p Si
对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态： a.VG=0V 平带状态； b.VG<0V 多子积累状态； c.VG>0V 耗尽状态； d.VG>>0V 反型或强反型状态。
定义式为： W E0 EF
金属或半导体材料 真空 电子 真空能级E0
W
EF
电子
Si 材料在不同掺杂浓度下的功函数WS
N型
ND/cm-3 WS/eV
（单位：eV）
P型 1015
4.31
1014
4.37
1016
4.25
NA/cm-3 WS/eV
1014
4.87
1015
4.93
1016
4.99
3.3 MOS结构的阈值电压
P Si
QSC
定义：当P型Si半导体表面达到强反 型，且反型层电子浓度等于衬底空 穴（多子）浓度时，这时所施加的 栅极电压VG称作MOS结构的阈值电 压，也称开启电压，用VT表示。
VT表达式为（P-Si衬底）：
(4 ε S qN A φ FP )1/ 2 VT 2 φ FP COX
第三章导电材料
第三章 导电材料
三、导体材料的种类 导体材料按照化学成分主要有以下三种： （1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在
107~108S/m之间，常用的有银、铜和铝等。 （2）合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜，
第三章 导电材料
一、导电材料的分类 导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料
两大类。 电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率
≥105 S/m ，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温 度时），半导体的电导率为10-7~104 S/m 。当材料的电导率 小于10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝 缘体。
镍铬合金等。 （3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。
如石墨在基晶方向为2.5×106S/m。
第三章 导电材料
四、导体材料的应用 导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、 兵器、汽车、仪表仪器、核工业和船舶等行业中有 着广泛的应用。 金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、 导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电 池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、 释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属 填充材料和金属复合材料。
H g B a 2 C a 2C u 3 O8
HgBa2CuO4+
T l 2 B a 2 C a2 C u 3O 1 0
T l 0 . 5P b 0 .5 S r 2C a 2 C u3 O 9
T l 2 B a 2 C uO 6
B i 1 . 6P b 0 .6 S r 2C a 2 S b0 . 1C u 3 Oy
元素半导体
随着IC集成度不断提高，A 越来越大，缺陷的不利影响越
来越突出。
31
半导体材料
1 元素半导体
Si的微电子工艺的发展一直沿着“性能越来越好（ 工作频率、速度越来
越高）、晶片直径和芯片面积不断增大、器件特征尺寸越来越小、集成度 越来越高，单个器件的成本越来越低”（此即熟知的摩尔定律的“路径”
26
26
3）光导纤维通信
用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路 里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。 光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256 路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。
27
27
使用Si中
1 元素半导体
1.2 Si的能带
最低导带C2极小沿6个<100> 轴、在布里渊区中
心(k=0)与边缘之间距离约80%处，等能面不是球
面而是椭球面；在给定极小处，能带曲率在不同 方向是不同的。第3个导带C3的极小在k=0处，距
价带V2顶的距离(能隙)为2.5eV ；在一定条件下
也可观察到这个带的直接跃迁。Si的价带在k=0 处有单一极大值，上面两个价带V1、V2的极大值 是简并的，其等能面是翘曲的球面。 V1为重空穴 带、 V2是轻空穴带。第三个(分裂)价带极大值在 V1、V2极大值下方0.04eV 处，这个带是球形的， 其曲率介于重空穴带和轻空穴带的曲率之间 。
种“陷光”结构（使光在表面多次反射）可使其对光吸收由70
％提高到91％以上。
15
半导体材料
1 元素半导体
光学高 温计常 用波长，
价带到导 带C3跃迁
监测Si 熔体的 温度
【半导体物理与器件】【尼曼】【课后小结与重要术语解释】汇总
第一章、固体晶体结构1.小结1.硅是最普遍的半导体材料2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。
晶胞是晶体中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。
三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。
3.硅具有金刚石晶体结构。
原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。
二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。
4.引用米勒系数来描述晶面。
这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。
密勒系数也可以用来描述晶向。
5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。
少量可控的替位杂质有益于改变半导体的特性。
6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。
体生长生成了基础半导体材料，即衬底。
外延生长可以用来控制半导体的表面特性。
大多数半导体器件是在外延层上制作的。
2.重要术语解释1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。
2.共价键：共享价电子的原子间键合。
3.金刚石晶格：硅的原子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个四面体组态。
4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。
5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。
6.外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。
7.离子注入：一种半导体掺杂工艺。
8.晶格：晶体中原子的周期性排列9.密勒系数：用以描述晶面的一组整数。
10.原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。
11.衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他原材料。
12.三元半导体：三元素化合物半导体，如AlGaAs。
13.晶胞：可以重构出整个晶体的一小部分晶体。
14.铅锌矿晶格：与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一种。
第二章、量子力学初步3.小结1.我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。
了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。
2.波粒二象性原理是量子力学的重要部分。
粒子可以有波动态，波也可以具有粒子态。
半导体材料导论
1.2半导体材料的类别
对半导体材料可从不同的角度进行分类例如：
根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、 化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。 在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段，
载流子浓度：金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（2-1）式看，只 能是载流子浓度的差别。 在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的金属铜的载流子浓度
为8.5×1022/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106~1020/cm3范围内，与金属相
差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。 而绝缘体因其载流子浓度接近于零，所以不导电。 既然金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加载流子，也无法束缚住载流
利用晶体结构理论解释具体的各向异性： 表2.5 金刚石型结构的晶面特征
以金刚石结构为例，将其晶面 的一些特征列入表2.5 中。 我们可以看出{111}的面间距是大小交替地存在。在间距大的面上的键密度又最小，而{110}次之， 因此它们之间的结合力最弱，最容易由此断开，这种断裂现象称为解理。 在半导体器件工艺中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。 硅、锗的解理面为{111}及{110}。
电场方向 导带
禁带
价带
图3.1 本征导电原理示意图
其中：A为比例常数；ΔE为禁带宽(eV)，k为波尔兹 曼常数；T为热力学温度（K）。
在室温下几种半导体材料的本征性质如表3.1所示。其中，本征电阻率是指当材料很纯时， 仅由本征激发时所形成的电阻率。
半导体物理总结-讲义
n = NCe
− ( EC − E f ) kT
p = NV e
− ( E f − EV ) kT
其中
ni = NV N C e
− E g 2 kT
热平衡时
np = ni2
3.3.2 非本征费米能级
费米能级的变化 •随掺杂浓度在禁带中上下变化 •随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加 •随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加 •随温度变化，费米能级表现出不同的变化趋势
存在半满的能带 电子占据能带或是 全满或是全空
第二章 半导体中的基本性质
§ 2.4 半导体的输运和导电机制
2.4.1 半导体中电子的状态 2.4.2 有效质量近似 2.4.3 半导体导电的能带论解释半导体的导电 2.4.4 半导体的导电载流子
有效质量近似及其意义 有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响 2.4.1. 半导体中的导电载流子 半导体的导带和电子载流子 半导体的价带和空穴载流子
4.1.1 载流子的热运动和散射机制 4.1.2 电场作用下的定向漂移运动和漂移电流 4.1.3 半导体的电导和电阻率 4.1.4 载流子迁移率 4.1.5 载流子的速度饱和
§ 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流
4.1.1 载流子的热运动（Thermal motion）和散射机制 在热平衡条件下，半导体中导带中的电子或价带中的空穴将 做随机的热运动。按照统计物理规律，其热能（Thermal Energy）～3/2kT，电子的动能满足：
晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有 关，本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质 2.2.1 固体的结合和化学键 2.2.2 Si原子结构和Si晶体的共价键结合 2.2.3 Si晶体的四面体结构
3 元素半导体材料解析
24
C的危害
C形态：替位。四价，非电活性杂质，不影响单晶硅的 载流子浓度。 直拉硅中的C浓度：5*1015cm-3. C来源：直拉硅中C来源于多晶硅、保护气体、石英与
石墨件的反应等。
（1） 超过固溶度时形成的C沉淀会降低击穿电压，增
加漏电流；
（2） C会促进氧沉淀和新施主的形成； （3） C会抑制热施主的形成。
第三章 元素半导体
贾彩虹
物理与电子学院
1
前课回顾
2.1 半导体的晶体结构
自由电子和晶体中电子色散关系
2.2 半导体的能带结构
直接带隙,间接带隙
2.3 半导体的杂质和缺陷
N型,P型半导体
2.4 半导体的电学性质
电阻率，电导率，迁移率
2.5 半导体的光学性质
直接跃迁,间接跃迁
2
元素半导体材料
7
尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了活
泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中
分离出来的途径。 1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.) 用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热， 首次制得较纯的粉状单质硅。 1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物 氯化物熔盐电解法制得晶体硅。
1. 对杂质扩散起掩蔽作用；
2. 对器件的表面保护和钝化作用 3. 用于器件的绝缘隔离层 4. 用作MOS器件的绝缘栅材料等
12
3.1.2 硅的晶体结构和能带结构
109º 28´
金刚石结构
13
能带结构
能带结构类型: 间接带隙结构
重空穴 轻空穴 判断哪是轻空穴，哪是重空穴。
14
有效质量
半导体物理期末考复习材料解读
第一章 半导体中的电子状态1.元素半导体 硅 和 锗 都是 金刚石 结构 。
2.结构上，金刚石结构由 两套面心立方格子 沿其立方体对角线位移 1/4 的长度套构而成的，3.在四面体结构的共价晶体中，四个共价键是 sp3杂化 。
4.第III 族元素铝、镓、铟和第V 族元素磷、砷、锑组成的 III-V 族化合物 。
也是正四面体结构，四个共价键也是sp3杂化，但具有一定程度的离子性。
是 闪锌矿 结构。
5. ZnS 、GeS 、ZnSe 和GeSe 等 Ⅱ-Ⅵ族化合物 都可以 闪锌矿型 和 纤锌矿型 两种方式结晶，也是以 正四面体结构 为基础构成的，四个混合共价键也是 sp3 杂化，也有一定程度的离子性。
6. Ge 、Si 的禁带宽度具有 负温度系数 。
禁带宽度E g 随温度增加而减小( 负温度系数特性 )7.半导体与导体的最大差别： 半导体的电子和空穴均参与导电 。
半导体与绝缘体的最大差别： 在通常温度下，半导体已具有一定的导电能力 。
8．有效质量的意义半导体中的电子在外场作用下运动时，外力并不是电子受力的总和，电子一方面受到外电场力的作用，另一方面还和内部的原子、电子相互作用着。
电子的加速度应该是 半导体内部势场 和 外电场作用 的综合效果。
为了简化问题，借助有效质量来描述电子加速时内部受到的阻力。
引入有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用。
使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。
有效质量可以通过实验直接测得。
有效质量的大小取决于 晶体内电子与电子周围环境 的作用。
电子有效质量的意义是什么？它与能带有什么关系？答：有效质量概括了晶体中电子的质量以及内部周期势场对电子的作用，引入有效质量后，晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动来描述。
有效质量与电子所处的状态有关，与能带结构有关：（1）、有效质量反比于能谱曲线的曲率：（2）、有效质量是k 的函数，在能带底附近为正值，能带顶附近为负值。
元素半导体和化合物半导体
元素半导体和化合物半导体引言：半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性介于金属和非金属之间。
半导体材料广泛应用于电子技术领域，如集成电路、太阳能电池等。
根据构成半导体的化学元素类型，半导体可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
本文将分别介绍这两类半导体的特点和应用。
一、元素半导体：元素半导体是由一种纯粹的化学元素构成的半导体材料，常见的元素半导体有硅(Si)和锗(Ge)。
这两种元素半导体具有以下特点：1. 硅和锗的晶体结构：硅和锗都属于周期表中的第四族元素，它们的晶体结构是钻石型结构，即每个原子与四个邻近原子通过共价键相连，形成三维网格。
2. 硅和锗的能带结构：元素半导体的能带结构决定了其导电性质。
在绝对零度时，硅和锗的价带都是完全填满的，而导带是空的。
这意味着在零度下，硅和锗是绝缘体。
3. 杂质掺杂：为了改变硅和锗的导电性质，常常将适量的其他元素引入其中，这个过程称为掺杂。
常见的掺杂元素有磷(P)和硼(B)。
掺杂磷或硼后，硅和锗的导电性发生了显著改变，成为了半导体。
4. p型和n型半导体：在掺杂过程中，掺入五价元素（如磷）的区域称为n型区，其中导电主要由自由电子负责；而掺入三价元素（如硼）的区域称为p型区，其中导电主要由空穴负责。
p型和n 型区域相接形成的结构称为p-n结，是半导体器件的基础。
5. 元素半导体的应用：元素半导体是现代电子技术的基础材料，被广泛应用于集成电路、太阳能电池、传感器等领域。
其中，硅是最主要的元素半导体材料，其在集成电路领域占据统治地位。
二、化合物半导体：化合物半导体是由两种或多种不同元素组成的半导体材料，常见的化合物半导体有砷化镓(GaAs)、磷化氮(GaN)等。
化合物半导体相较于元素半导体，具有以下特点：1. 晶体结构：化合物半导体的晶体结构较为复杂，常见的有锌刚石型、岩盐型、闪锌矿型等。
不同的晶体结构决定了化合物半导体的电子能带结构和导电性质。
2. 带隙宽度：化合物半导体的带隙宽度通常比元素半导体大，这使得化合物半导体在能带结构和导电性质上与元素半导体有所不同。
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(a)空位
(b)异类原子
(c)间隙原子
图2-1 晶体中的点缺陷
点缺陷
32 10/22/2019 9:17:44 AM
—— 包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子
形成:
原子热振动 部分原子获得足够高的能量
克服约束，迁移到新的位置 形成
空位、间隙原子 引起
原子脱离格点后，并不以填隙的方式存在于晶体的内部，而是运动到晶体的表面，这时 在晶体中只留下一个空位。
杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）
点缺陷的运动
点缺陷的运动方式： (1) 空位运动。 (2) 间隙原子迁移。 (3) 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。 (4) 逸出晶体到表面，或移到晶界，点缺陷消失。 离开平衡位置的原子有三个去处: (1)形成Schottky空位 (2)形成Frankely缺陷 (3)跑到其它空位上使空位消失或移位。
r
接受电子后，位错便带负电，为保持电中
性，周围将形成带正电的圆筒状区。
螺位错没有未饱和的悬挂键，故对晶体的
电学性质影响不明显。
⑤ 在位错线周围的畸变区每个原子具有较大的平均能量 。畸变区是一个狭长的管道。
螺型位错（SCREW ISLOCATION）
螺型位错示意图
螺位错
8
76 3
45
2
1
原 子 面 部 分 错 动 一 个 形成 不吻合过 称作
原子间距
渡区
螺位错
形成 纯剪切应 力区
畸变区
混合位错
刃型位错分量 ＋ 螺型位错分量
局部点阵畸变
类型
弗兰克(Franke)缺陷——原子迁移到间隙中—形成空位-间隙对
在温度作用下，晶体点阵上的原子有可能脱离原来的位置而跑到临近的点阵空隙中，当 这种原子将多余的动能失去之后，就被束缚在那里而使晶体中出现了空位和间隙原子对。 这种成对产生的点缺陷称为弗伦克尔缺陷。
肖脱基(Schottky)缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位
过渡金属的危害
在硅中形成深能级中心或沉淀而影响器件的电 学性能；
减少少子扩散长度从而降低寿命；
形成金属复合体，影响器件和材料的性能
3.1.5 硅、锗中的缺陷
理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的 原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。
然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规 则和完整，而是或多或少地存在离开理想的区域 ，出现不完整性。通常把这种偏离完整性的区域 称为晶体缺陷（crystal defect; crystalline perfection)。
第三章 元素半导体
3.1 硅 3.2 锗 3.3 硒 3.4金刚石 3.3 硼、磷、硒和碲等
周期表中与半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
3.1 硅
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃 及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
晶体中电子的E(K)与K的关系
-2p/a -p/a
(k )2
E
E
2m
Resulted from r-
Eg
k
0
p/a 2p/a
Resulted from r+
本征载流子浓度
n0
p0
Nc NV
exp(-
Eg k0T
)
4(
2p k0
h2
)3
(mn*m*p
)3
2T
3
exp(-
Eg k0T
)
1. 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
位错的类型：
刃型位错 （edge dislocation） 螺型位错（screw dislocation）
(a)
(A)刃位错
(b)
(B)螺位错
晶体局部滑移造成的刃型位错
刃型位错立体示意图
刃型位错的分类
刃型位错特征
① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位 错用“⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只 是相对而言。判断用右手定则：食指指向位错线方向， 中指指向柏氏矢量方向，拇指指向多余半原子面方向。
14Si
32Ge
晶体硅
晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃， 沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽， 有半导体性质。
硅
化学性质稳定
常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
①Si+2F2=SiF4 ②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑
③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑
高温下，较活泼
△
Si + O2
SiO2
表面易纯化，形成本征二氧化硅层
二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用： 1. 对杂质扩散起掩蔽作用； 2. 对器件的表面保护和钝化作用 3. 用于器件的绝缘隔离层 4. 用作MOS器件的绝缘栅材料等
3.1.2 硅的晶体结构
金刚石结构
正四面体
109º28´
硅、锗中的缺陷
★根据缺陷产生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。
★按其延展的尺度可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺 陷、微缺陷，这些都属于结构缺陷。
★原生缺陷：晶体生长过程中生成的缺陷称为原生缺陷。
★二次缺陷：晶体加工过程中和器件制备过程中新生成的 晶体缺陷称为二次缺陷，也称为再生缺陷。 在加工晶 体过程中，晶体要经受切割，磨片，抛光，能束辐照， 掺杂和高温热处理等各种过程，即使在原生缺陷极少的 晶体中也将产生大量的二次缺陷；一些原生缺陷，在加 工过程中也经常发生变化，导致二次缺陷产生。 所以 在制备器件的晶片中，大量的缺陷都是二次缺陷。
2. 对于一个给定的半导体材料，乘积只取决于温度 T，与所含杂质无关
SI的本征载流子浓度
温度T=300 K，Eg=1.12 eV
ni 1.07 1010 cm-3
电导率和电阻率
电导率
nqn pq p
电阻率
r 1
掺杂浓度
轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；
C的危害
C会降低击穿电压，增加漏电流； C会促进氧沉淀和新施主的形成； C会抑制热施主的形成
H的作用
H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现； H在硅中形成H-O复合体 H能促进氧的扩散和热施主的形成； H会钝化杂质和缺陷的电活性； H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能
ห้องสมุดไป่ตู้
SIO2 室温时，硅晶体总是一层SIO2层（约2.0－3.0NM），650℃时开
始更完全的氧化硅的这种表明自钝化，易形成本征SIO2层，是使硅成为当今 最重要的固态器件材料的独特性能之一。
水晶
光导纤维
玛瑙
石英坩埚
3.1.1 硅的化学性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有 无定形和晶体两种同素异形体，属于元 素周期表上IVA族的类金属元素。
3.1.3 电学性质
本征载流子浓度 1. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发
下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流 子浓度。
2. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
3. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键 束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载 流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降 低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。
位错对半导体材料和器件的影响
位错对半导体材料性能的影响： ★位错对载流子浓度的影响 ★位错对迁移率的影响 ★位错对载流子寿命的影响 ★位错对材料扩散及腐蚀性能的影响 位错对器件性能的影响： ★位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化 ★位错的存在易造成P-N结贯通 ★位错易引起晶体管的噪声增加
刃型位错形成圆筒状空间电荷区模型
1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.)用金 属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，首 次制得较纯的粉状单质硅。
1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯 化物熔盐电解法制得晶体硅。
地壳中各元素的含量
硅的分布
硅在自然界分布极广，地壳中约含27％ 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
点缺陷对结构和性能的影响
点缺陷引起晶格畸变，能量升高，结构不稳定，易发生转变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质：如电阻，光性能等； ①电容——产生空位，导致晶体体积增加。 ②热容——引起附加热容。 ③电阻率——导致晶体的电阻率增大。 如扩散系数、内耗、介电常数等，在碱金属的卤化物晶体中，由于杂质或过多的金属 离子等点缺陷对可见光的选择性吸收，会使晶体呈现色彩，这种点缺陷便称色心。 (2)力学性能：采用高温急冷（如淬火），高能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷。 (3)影响固态相变,化学热处理(渗碳，渗氮)等。
氧原子
[SiO2]四面体
能带结构
间接带隙结构
Si的能带结构如所示，给出了带隙下方最高 能量(价带顶)及带隙上方最高能量(导带底)(沿 [100]和[111)方向)与简约波矢κ的关系。最低导 带C2极小沿6个〈100〉轴、在布里渊区中心(κ ＝0)与边缘之间距离约80％处，等能面不是球
面而是椭球面；在给定极小处，能带曲率在不 同方向是不同的。第3个导带C3的极小在κ＝0 处，距价带V2顶的距离(能隙)为2．5eV；在一 定条件下也可观察到这个带的直接跃迁。Si的 价带在κ＝0处有单一极大值，上面两个价带V1、 V2的极大值是简并的，其等能面是翘曲的球面。 V1为重空穴带、V2为轻空穴带。第三个（分裂） 价带极大值在V1、V2极大值下方0.04 eV处，这 个带是球形的，其曲率介于重空穴带和轻空穴 带的曲率之间。