第1章半导体材料科学和集成电路,固体晶格结构

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高二物理竞赛半导体晶格结构PPT(课件)

表示。
用 a1,a2 ,a3
表示。
体积为：
Ω a1 a2 a3
结构学原胞——单胞
– 对于任何给定的晶体，可以用来描述晶体对称性、
形成其晶体结构的最小单元
原胞：不一定能描述晶
体对称性
注：（a）单胞无需是唯一的（ b）单胞无需是基本的
三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性。
a
a3 i j k 2
每个单胞包含2个原子。
原胞的体积 Ω a1 a2 a3 1 a3 2
晶系和布拉伐格子
❖ 通常描写单胞的六个物理量是三个基矢的长度和基矢之间的夹角，如图所示
❖ a，b，c，，，通常又称为晶格常数，可
以由x射线衍射确定
❖ 根据a，b，c，，，的不同，晶格可分为
(b)面心立方
ak
a1
a2
a j a3
a
a1 j k 2
a
a2 i k 2
a
a3 i j 2
ai
平均每个单胞包含4个原子。
原胞的体积
Ω a1 a2 a3 1 a3 4
(c)体心立方
ak
a1
a2 aj
ai
a3
a
a1 i j k 2
a
a2 i j k 2
（ b）单胞无需是基本的
胞的基本平移矢量，简称基矢。正交：简单，体心，面心，底心
正交：简单，体心，面心，底心
a，b，c，，，通常又称为晶格常数，可以由x射线衍射确定
a，b，c，，，通常又称为晶格常数，可以由x射线衍射确定三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性。
基矢：固体物理

《半导体物理》讲义：第一章晶体结构

第一章晶体结构固体分为晶体和非晶体。

晶体中原子排列长程有序，有固定的熔点和规则的外形；而非晶体中原子排列短程有序，没有固定的熔点和规则的外形。

玻璃是典型的非晶体，因此，非晶体也常称玻璃态物质或无定型固体。

非晶态半导体是具有半导体性质的非晶态固体材料，是半导体的重要组成部分，具有许多独特的性质，近年来引起人们的广泛关注和研究并取得了许多重要进展和成果。

但由于课时所限，非晶态半导体相关内容未列入本课程。

本课程讲的内容均是建立在原子排列长程有序的晶态半导体基础之上的。

晶态半导体也就是通常所说的半导体材料，其导电类型和电学性能可控，电导率范围介于导体和绝缘体之间（）。

无论从科学技术或是经济发展的角度来看，晶态半导体的重要性都是非常巨大的。

当今世界大部分的电子产品的核心单元都是由晶态半导体材料制造的。

常见的晶态半导体材料有硅、锗、砷化镓和氮化镓等，而硅则是在商业应用上最成功、具有影响力的半导体材料。

半导体的重要性质与其晶体结构密切相关。

在本章中，先扼要介绍一下晶体内部结构的周期性﹑对称性并引进基元﹑晶格﹑原胞、单胞、倒格子等与晶体结构相关的基本概念并给出常见半导体的晶体结构及其参数。

§1-1 晶体内部结构的周期性晶体是由大量原子、分子或原子团在空间规则排列构成的。

这些原子、分子或原子团是构成晶体的最基本单元，也称基元。

为了描述晶体中基元排列的规则性，人们引入了晶格概念：在三维空间中，由原基矢321,,a a a 的线性组合矢量332211a m a m a m R m ++= （321,,m m m 为任意整数）（1-1）的终点所指定的各点在空间的排列称为晶格，也称空间点阵、点阵或布拉伐格子。

晶格中的上述各点称格点，m R 称晶格矢量或格矢。

这样一来，晶体结构就可以在其晶格的格点上加上构成该晶体的基元表示出来。

应该注意的是一个基元可能包含不止一个原子。

原基矢是按下述原则确定的：以321,,a a a 为三个边撑起的平行六面体应为构成晶格的最小体积单元，也称原胞。

第一章第一节半导体的晶格结构和结合性质半导体课件

图1-1 (a) 和(b)；
2) 晶胞立方对称。图1-1(c) ；
面心原子B
角顶原子
体对ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线原子A
面心原子B
图1-1 (a) 键角109028'
图1-1(b)
3) 面心立方格点的原子B和体内对角线上的原子A不等效。因为围绕A和围绕B构成的四面体具有不同的方位；
4) B-面心立方格子沿体对角线平移1/4体对角线长与A一面心立
标志: 1940年 Seitz “固体的现代理论”
凝聚态物理学凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的
凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.
和固体物理相比, 凝聚态物理: (1) 研究对象日益扩大和复杂； (2) 基本概念和理论工具已大为丰富； (3) 作为固体物理学分支的金属物理, 半导体物理, 磁学, 低温物理, 电介质物理之间交叉日益密切； (4) 一些新的分支如无序系统物理学, 准晶物理学, 介观系统物理学, 团簇物理学被开拓和建立起来。
Face-center-cubic
方格子重合。两者格子不等效
----复式格子；
5) 每个晶胞中含8个原子(顶角1+面
心3+体内4) 。
图1-1(C)
(1,1,0), (0,1,0) (1,1,1/2) (0,1/2,1/2), (1,1/2,1/2) (1/2,1/2,0)
{100}面上的投影
(1/4,3/4,1/4) (1/4,1/4,3/4) (3/4,1/4,1/4) (3/4,3/4,3/4)
(二) Ⅱ-Ⅵ族半导体由Ⅱ族元素锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）和Ⅵ族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)合成的Ⅱ-Ⅵ族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金属外，都是半导体材料，他们大部分也都具有闪锌矿型结构。但是，其中有些也具有六角晶系纤锌矿型结构。三、纤锌矿型结构

半导体物理与器件习题

第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。

2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。

3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm 。

4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。

常用的掺杂方法有扩散和离子注入。

6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？ 7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。

2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。

第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念⏹ 能带（energy band ）包括允带和禁带。

⏹ 允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。

⏹ 禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。

⏹ 允带又分为空带、满带、导带、价带。

⏹ 空带（empty band ）：不被电子占据的允带。

⏹满带（filled band ）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。

导带：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。

价带: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。

2．什么是漂移电流？漂移电流：漂移是指电子在电场的作用下的定向运动，电子的定向运动所产生的电流。

3．什么是电子的有效质量？晶格中运动的电子，在外力和内力作用下有：Ｆ总＝Ｆ外＋Ｆ内=ma, m 是粒子静止的质量。

Ｆ外=m*n a, m*n 称为电子的有效质量。

4．位于能带底的电子，其有效质量为正，位于能带顶电子，其有效质量为负。

5．在室温T=300K ，Si 的禁带宽度：Eg=1.12eV Ge 的禁带宽度：Eg=0.67eV GaAs 的禁带宽度：Eg=1.43eVEg 具有负温度系数，即T 越大，Eg 越小；Eg 反应了，在相同温度下，Eg 越大，电子跃迁到导带的能力越弱。

半导体物理-第1章-半导体中的电子态

4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类似，但其正四面体的中心有一个原子，面心立方的中心没有原子。
金刚石结构的(111) 面层包含了套构的原子，形成了双原子层的A层。以双原子层的形式按ABCABC层排列
金刚石结构的[100]面的投影。0和1/2表示面心立方晶格上的原子，1/4，3/4 表示沿晶体对角线位移1/4 的另一个面心立方晶格上的原子。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对称的晶胞，可看作是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1/4对角线长度套构而成。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
(3)
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方
向与波面法线平行，即波的传播方向。得
能量：E = hν
动量：p = hk
（4）（5）
对自由电子，势能为零，故薛定谔方程为：
2
2m0
d 2 (x)
dx2
E (x)
(6)
由于无边界条件限制，故k取值可连续变化。即：与经典物理（粒子性）得出相同结论。
能带形成的另一种情况
硅、锗外壳层有4个价电子，形成晶体时，产生SP杂化轨道。原子间可能先进行轨道杂化（形成成键态和反键态），再分裂成能带。
原子能级
反成键态
成键态
半导体（硅、锗）能带的特点
存在轨道杂化，失去能带与孤立原子能级的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带。

半导体物理第1章半导体中的电子状态

作用很强，在晶体中电子在理想的周期势场内作共有化运动。
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理，原来分属于N个原子的相同的价电子能级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比相同点以正四面体结构为基础构成区别具有六方对称性，而非立方对称性共价键的离子性更强
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料结晶学原胞结构特点两类原子各自组成的面心立方晶格，沿

第1章半导体物理基础

EC EF 令：n N C exp kT
则：
EF EV p NV exp kT
EC EV kT NV EF Ei ln( ) 2 2 NC
在室温下，第二项比禁带宽度小得多。因此，本征半导体的本征费米能级Ei相当靠近禁带的中央。
图1.4.2 费密能级与杂质浓度、导电类型和环境温度的关系
平衡载流子浓度的计算
对非简并半导体
N型半导体： n0 多子：电子
完全电离：
P型半导体： p0 多子：空穴 > n0
> p0
少子：空穴
少子：电子
一般情况 ND≈1015 - 1020cm-3
一般情况 NA≈1015 - 1020cm-3
n0 N D ? ni n0 ? p0 2 n0 p0 ni
施主。由于带负电载流子增加，硅变成n型。
1.3.2
P型半导体
受主和受主能级
受主杂质：在半导体中提供空穴的杂质
• 对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族元素，如 B、Ga • NA ≡ 受主杂质浓度 [cm-3] • 一般情况下
NA >> ni
(NA： 1015 - 1020
cm-3 )
• 常温下受主杂质完全电离
空导带
Eg = 9 eV
填满的价带
半导体：
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，且易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响，其禁带宽度较小(约为1eV)，如图所示。在 T ＝0K时，所有电子都位于价带，而导带中并无电子，因此半导体在低温时是不良导体。在室温及正常气压下，硅的 Eg 值为 1.12eV ，而砷化镓为 1.42eV 。因此在室温下，热能 kT 占 Eg 的一定比例，有些电子可以从价带激发到导带。因为导带中有许多未被占据的能态，故只要小的外加能量，就可以轻易移动这些电子，产生可观的电流。

第1章半导体器件

外电场
形成的电流，故反向电流
非常小，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况
图01.07 PN结加正向电压时的导电情况
因五价杂质原子中四个价电子与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
热激发产生的自由电子
掺杂磷产生的自由电子
Si
SPi
Si
Si
Si
Si
•掺杂磷产生的自由电子数〉〉热激发产生的自由电子数
•N型半导体中自由电子数〉〉空穴数
•自由电子为 N型半导体的多数载流子（简称多），空穴为N型半导体的少数载流子（简称少子）
N型半导体简化图
多子
Si
P
Si
Si
Si
Si
空
间
电
荷
l P型半导体：
往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体, P 型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。因而也称为受主杂质。
Si
B
Si
Si
Si
Si
热激发产生的空穴
T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n= 5×1016/cm3
本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

半导体物理学第一章__半导体中的电子状态

The End of Preface
第一章半导体中的电子状态
主要内容：
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子运动－－有效质量 1.4 本征半导体的导电机构－－空穴 1.5 常见半导体的能带结构（共计八学时）
本章重点：
*重点之一:Ge、Si 和GaAs的晶体结构
晶体结构周期性的函数 uk (x) 的乘积。
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的
相应位置，电子的分布几率一样的。波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
它是按照晶格的周期 a 调幅的行波。
这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。
只有在 uk (x) 等于常数时，在周期场中运动的电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。
硅基应变异质结构材料一维量子线零维量子点基于量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代量子器件的基宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石iii族氮化物碳化硅立方氮化硼以及iivi族硫锡碲化物氧化物zno等及固溶体等特别是sicgan和金刚石薄膜等材料因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
(2)化合物半导体及固溶体半导体
SiC
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物半导体
InP、GaN、 GaAs、InSb、

半导体材料的晶格结构与生长机制研究

半导体材料的晶格结构与生长机制研究半导体材料是当代电子技术和光电子技术的基础材料之一。

在半导体器件中，晶格结构的完善和生长机制的研究对于提高材料性能和器件可靠性具有重要意义。

本文将探讨半导体材料的晶格结构特征以及生长机制的研究进展。

一、半导体材料的晶格结构晶格结构是指半导体材料中原子或离子排列的有序结构。

半导体材料的晶格结构对其电学、光学和热学等性质具有直接影响。

1. 简单周期性晶格最简单的半导体材料晶格是具有简单周期性的晶格结构，例如钻石结构的硅(Si)和锗(Ge)。

在这种晶体中，每个原子周围都有四个相邻的原子，形成均匀的三维晶格结构。

2. 复杂周期性晶格除了简单周期性晶格外，半导体材料还可能具有复杂的周期性晶格结构。

例如，锗(Ge)和锗砷化物(GaAs)等材料以面心立方(fcc)的晶格结构存在。

这种晶格结构在材料生长和器件制备中具有重要意义。

二、半导体材料的生长机制半导体材料的生长机制研究是指探究材料在生长过程中的形成机制和生长过程中的物理化学行为。

1. 熔融法生长熔融法生长是一种常用的半导体材料生长方法。

以硅(Si)材料为例，通过加热硅材料到熔点以上的温度，使其熔化并通过凝固过程形成晶体。

2. 气相沉积法气相沉积法是另一种常见的半导体材料生长方法。

通过在高温条件下，将所需的材料气体与反应气体在反应室中反应生成硅或其他半导体材料。

3. 液相外延法液相外延法是一种用于生长复杂晶体结构材料的方法。

通过将源材料与溶剂混合，在高温条件下控制溶解度，使材料从溶液中沉积出来。

4. 分子束外延法分子束外延法是一种精密的生长方法，适用于生长完整的薄膜材料。

通过将分子束照射到基底材料上，使材料按照分子束轨迹有序生长。

三、半导体材料生长机制的研究进展随着科学技术的不断发展，对半导体材料晶格结构和生长机制的研究也不断深入。

1. 原位观测技术的应用原位观测技术的出现，使得研究人员能够实时监测材料的生长过程，揭示生长机制。

半导体物理与器件教学大纲

半导体物理与器件（教学大纲）Semiconductor Physics and Devices课程编码：12330540学分：课程类别：专业基础课计划学时： 48 其中讲课： 48 实验或实践： 0 上机：0适用专业：IC设计、电信推荐教材：尼曼（Donald H.Neamen）著，赵毅强，姚素英。

解晓东译，《半导体物理与器件》（第3版），电子工业出版社，2010参考书目：D. A. Neamen，《Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles》，清华出版社，2003R. T. Pierret著，黄如等译，《半导体器件基础》，电子工业出版社，2004刘恩科、朱秉升、罗晋生等，《半导体物理学》，西安交通大学出版社，2004黄昆、谢希德，《半导体物理学》，科学出版社，1958曾谨言，《量子力学》，科学出版社，1981谢希德、方俊鑫，《固体物理学》,上海科学技术出版社，1961课程的教学目的与任务本课程是集成电路专业的重要选修课之一。

本课程较全面地论述了半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律，并在此基础上选择目前集成电路与系统的核心组成部分，如双极型晶体管（BJT）、金属－半导体场效应晶体管（MESFET）和ＭOS场效应晶体管（MOSFET）等，作为分析讨论的主要对象来介绍半导体器件基础。

学习和掌握这些半导体物理和半导体器件的基本理论和分析方法，为学习诸如《集成电路工艺》、《集成电路设计》等后续课程打下基础，也为将来从事微电子学的研究以及现代VLSI与系统设计和制造工作打下坚实的理论基础。

课程的基本要求本课程要求学生掌握半导体物理和半导体器件的基本概念和基本规律，对于基础理论，要求应用简单的模型定性说明，并能作简单的数学处理。

学习过程中，注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实践的结合。

本课程涉及的物理概念和基本原理较多，为了加深对它们的理解，在各章节里都给学生留有一些习题或思考题，这些题目有的还是基本内容的补充。

半导体材料最新ppt课件[文字可编辑]

1.2.2 化合物半导体：
?化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。 ?化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。 ?按其构成元素在元素周期表中的位置可分为III-V 族、II-IV-V族等等。 ?如果要问哪些化合物是半导体，哪些不是，有没有规律性？应该回答说，规律性是有的，但还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地判断某个化合物是否属于半导体。 ?常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替换（参照图1.1）。
1.2.3 固溶半导体
?由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 ?因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 ?另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。 ?固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 ?为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 ?固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体等（见表1.1 ）。
薄膜在半导体材料中占有重要的地位。 ?在熔体生长单晶的方法出现不久，就开始了汽相生长薄膜的工作。但直到硅晶体管的平面工艺出现以后，硅的外延生长才被提上了日程，因为这种器件要求在一个有一定的厚度的低电阻率的硅片上，有一较高电阻率单晶的薄层。 ?发展起来的化学汽相外延法，一直到今天仍旧是生产硅外延片的唯一的方法。外延技术给化合物半导体解决了一系列晶体制备的难题，包括提高纯度、降低缺陷、改善化学配比、制作固溶体或异质结等。 ?一些微波二极管、激光管、发光管、探测器等，都是在外延片上作成的。 ?除采用化汽相外延法外，又于1963年开发成功了液相外延，不久又出现了金属有机化学汽相外延等。 ?1969年在美国工作的江畸玲于奈和朱肇祥首先提出了超晶格的概念，用当时的晶体生长与外延技术是生长不出这种材料的，因为它要求材料有原子级的精度。 ?为此研究成功了分子束外延，用此方法于1972年生长出超晶格材料。从此开始了半导体的性能在微观尺度上的可剪裁阶段。

半导体物理学简明教程孟庆巨电子课件第1章晶体结构与晶体结合

《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社 5
固体半导体
半导体物理学研究的对象是固体半导体。按照构成固体的粒子在空间的排列情况，固体主要分为晶体和非晶体两类。晶体又有单晶体和多晶体之分。
在半导体物理中所涉及的晶体主要是单晶体。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社 6
第1章晶体结构与晶体结合
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 晶体结构晶列与晶面倒格子晶体结合典型半导体的晶体结构
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
1
半导体定义
半导体：常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。元素半导体：由一种元素构成的半导体。化合物半导体：做由二种或两种以上元素构成的半导体。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
13
二维晶格中的原胞的选取
问题：哪些是原胞？
答：在二维晶格中，原胞是平行四边形。平行四边形C 和 D 包含两个格点。 A 和 B 包含一个格点。因此平行四边形A和B是二维晶格的原胞。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
14
立方面心格子和立方体心格子的原胞
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
8
布拉维格子（晶格）
通过点阵中的阵点画任意三组平行直线就可以得到一个空间格子，称为布拉维格子 (Bravis lattice)或简称为晶格。在晶格的概念中，阵点称为结点或格点。空间点阵或晶格完全反映了晶体内部结构的周期性。值得注意的是，晶格和晶体结构是两个不同的概念。晶体结构是指晶体中的原子排列，而晶格则是指基元的代表点在空间的分布。

半导体物理与器件第一章1

等效晶向
所有立方边方向等效
所有面对角线方向等效
所有体对角线方向等效
用< h k l >表示时，代表所有的等效晶向
例题

某一体心立方结构的晶格常数是5Å 。计算 (1 1 0)平面的原子面密度。
面密度
2个等效原子 5.66x1014 个原子 / cm2 a a 2
(1 1 0)平面
a
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格常数为a，具有立方对称性
例题

例1.1，考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为 a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
半导体物理与器件
电子设计自动化技术研究所集成电路设计与集成系统专业陈延湖
chenyanhu@
课程学习意义重大
半导体集成电路产业应用市场巨电子计算机大，产值超3000 互联网亿美元，是信息产业的基石，属国家战略新兴产业。已设立千亿产业投资基金，个人通信手机助力产业发展。

单晶材料（完美几何外观）
多晶硅与非晶硅（片状，块状）
1.3晶体结构-空间晶格

一个典型的单元或原子团在三维的每一个方向上按某种间隔规则重复排列就形成了单晶体。为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子（单元或原子团）（基元）抽象为一个点，这个抽象出的点称为格点。构成晶体的格点集合称为空间点阵。由空间点阵构成的网络就是晶格。晶格就是为了方便描述以及研究晶体结构而抽象出来的一种几何结构模型。

半导体物理与器件(吕淑媛)课件章 (1)

第 1 章晶体中的电子运动状态
若某平面通过某轴，则在该轴的截距数目不唯一，此时，可以通过另一平行平面来确定米勒指数。同样，当某平面通过原点时，也可选择另一平行平面来确定其米勒指数。
原子的面密度是晶体的一个重要特征参数。原子面密度是单位面积内原子的个数，可以用晶胞中一个晶面内所含原子数除以晶胞中晶面的面积来计算。在计算过程中，原子的个数是以原子切面的百分比来计算的。
第 1 章晶体中的电子运动状态第 1 章晶体中的电子运动状态
1. 1 1. 2 1. 3 习题
固体的晶格结构量子力学初步晶体中电子的运动状态
第 1 章晶体中的电子运动状态
从物质形态上分，半导体属于固体。固体的结构决定了其性质，所以首先考虑固体中原子排列规律，即固体的晶格结构。其次，半导体中的电子运动状态难以用经典力学来描述，而量子力学波理论却能很好地描述半导体中电子的运动状态，所以需要对量子力学有初步了解，并学习它的分析方法。最后，用量子力学方法对晶体中的电子运动状态进行分析，得到晶体的 E－k 关系图，利用 E－k 关系图讨论电子的有效质量，并引入空穴的概念，同时也为计算晶体中电子的量子态密度打下基础。
第 1 章晶体中的电子运动状态
化合物半导体是由两种及两种以上的元素组成的。化合物包括二元(即两种元素)、三元(即三种元素)和多元化合物。二元化合物半导体可以是由三族元素与五族元素组成化合物，如 GaAs 或 GaP 。二族元素与六族元素也可以组成二元化合物半导体。三元化合物半导体由三种元素组成，如 Alx Ga 1- x As ，其中下标 x 是原子序数低的元素的组分。当然还可以制造更复杂的半导体材料。
第 1 章晶体中的电子运动状态
4. 基本晶格结构