半导体物理基础知识

1.3固体的能带理论
导 带
Ec
E9
禁 带
E9
Ev
价 带 绝缘体 半导体 导体
图1.3-3
1.4半导体的导电特性
半导体之所以得到广泛的应用， 半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝 缘体所没有的独特性能。 缘体所没有的独特性能。 1.4.1导电能力随温度灵敏变化 导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（ ，（导体温度每升高一 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一 电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或 ）。而半导体则不一样 度，电组率大约升高 ）。而半导体则不一样， 降低1度 其电阻就变化百分之几，甚至几十， 降低 度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度 电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（ 时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则 ℃ 成为绝缘体。 成为绝缘体。 1.4.2导电能力随光照显著改变 导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强， 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强， 没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。 没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。 1.4.3杂质的显著影响 杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质， 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上 百万的增加。这是最特殊的独特性能。 百万的增加。这是最特殊的独特性能。 1.4.4其他特性 其他特性 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。
1.5半导体的纯度
半导体有如此之多的独特性能， 半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身 纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“ ”来表示。 纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。 比如硅材料的纯度达到6个 ” 比如硅材料的纯度达到 个“9”，就是说硅的纯度达到 99.9999%，其余 为杂质总含量。 ，其余0.0001%（即10-6 ）为杂质总含量。半导体 （ 材料中的杂质含量，通常还以“ 来表示。 材料中的杂质含量，通常还以“PPb” 与“PPm”来表示。一 来表示 就是十亿分之一（ 个PPb就是十亿分之一（10-9 ） 就是十亿分之一 ），几种纯度表示法 一个“ 就是百万分之一（ 一个“PPm”就是百万分之一（10-6 ），几种纯度表示法 就是百万分之一 的相互关系如表1.2所列 所列。 的相互关系如表 所列。
半导体物理基础知识
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力， 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 给出以电阻率来区分导体， 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 给出以电阻率来区分导体 大致范围。 大致范围。
E5 E4 E3(8) E2(8) E1(2) 图1.3-1
1.Biblioteka Baidu固体的能带理论
晶体由大量原子组成， 晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原 子的作用。 子的作用。还将受到相邻原子的作用 。相邻原子上的电子轨 道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭， 道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从 一个原子转移到相邻的原子上去。 一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子 而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化” 而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。 电子在原子之间的转移不是任意的， 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相 同的轨道之间发生转移。 同的轨道之间发生转移。图1.3-2表示出这种共有化轨道的能 表示出这种共有化轨道的能 级图。 级图。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 个价电子和它相邻的4个原子组成 对共有电子对。 的4个价电子和它相邻的 个原子组成 对共有电子对。这种共有 个价电子和它相邻的 个原子组成4对共有电子对 电子对就称为“共价键” 如图1.2-2所示。 所示。 电子对就称为“共价键”。如图 所示
图1.2-6
1.2半导体材料硅的晶体结构
比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。 而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。 而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿 着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的 而构成的。 着晶胞体对角线方向平移 而构成的。我们来看面心立方晶格 中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个 中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在 几个 面上原子排列的情况，如图1.2-7所示。 所示。 晶 面上原子排列的情况，如图 所示 金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原 金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的 晶面也是原 子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强， 子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶 面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质： 面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质： (a)由于 由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外 密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱， 由于 密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱 力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂 晶面劈裂， 力作用下，晶体很容易沿着 晶面劈裂 的晶面称为晶体的解理面。 的晶面称为晶体的解理面。 (b)由于 由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢， 密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢， 由于 密排面结合牢固 面原子排列密度比(111)面低。所以 面低。 面比(111)面的腐 而(100)面原子排列密度比 面原子排列密度比 面低 所以(100)面比 面比 面的腐 蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度， 蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比 面腐蚀速度比 (111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的 面大的多， 面大的多 因此， 面硅片采用这种各向异性腐蚀的 结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥 结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为 面的四面方锥 形成绒面状的硅表面。 体，形成绒面状的硅表面。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原 子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点， 子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点， 而非晶体没有确定熔点， 而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围 内逐渐软化。 内逐渐软化。 1.2.3单晶和多晶 单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地 排列在一起的固体称为多晶。 排列在一起的固体称为多晶。
正四面实体结构 图1.2-4
金钢石结构
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.6晶面和晶向 晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平 面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。 面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。 是几种常用到的晶面和晶向。 图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。 是几种常用到的晶面和晶向
表1.2
几个“9” 6 9
PPb(十亿分之一) PPm(百万分之一) 103 1 1 10-3
1.6半导体的导电原理
1.6.1半导体中的“电子”和“空穴”，本征半导体 半导体中的“电子” 半导体中的 空穴” 纯净的半导体，在不受外界作用时， 纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能 力很差。而在一定的温度或光照等作用下， 力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中 的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为 一个自由电子。同时形成一个电子空位， 一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为 空穴” 从能带图上看， “空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃 迁到导带，从而在价带中留下了空穴， 迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对 电子和空穴。如图1.6-1所示。通常将这种只含有 所示。 电子和空穴。如图 所示 电子空穴对”的半导体称为本征半导体。 本征” “电子空穴对”的半导体称为本征半导体。“本征” 指只涉及半导体本身的特性。 指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子 和空穴的移动来导电的，因此， 和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称 为载流子。 为载流子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
(100)
(110)
(111)
图1.2-7
1.3固体的能带理论
1.3.1能带的形成 能带的形成 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小， 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小， 外层电子（价电子）能量较大。 表示所谓能级图。 外层电子（价电子）能量较大。图1.3-1表示所谓能级图。 表示所谓能级图
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子， 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶 最小的晶格叫晶胞。 表示一些重要的晶胞。 格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的晶胞。 表示一些重要的晶胞
(a)简单立方 简单立方 （Po） ）
能带 禁带 能带 禁带 能带 图1.3-2
1.3固体的能带理论
从图中可见， 从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低 到高的许多组。分别和各原子能级相对应， 到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组 都包含着大量的能量很接近的能级。 都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集 的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。 的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能 带之间的间隙叫做禁带。 带之间的间隙叫做禁带。 未被电子填满的能带称为导带， 未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满 的能带称为满带。导体、半导体， 的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质 的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。 图 的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。(图 1.3-3)
(100晶面 晶面) 晶面
(110晶面 晶面) 晶面 图1.2-5
(111晶面 晶面) 晶面
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.7原子密排面和解理面： 原子密排面和解理面： 原子密排面和解理面 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的， 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一 些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图1.2-6所示， 所示， 些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图 所示 按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。 按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。
(b)体心立方 体心立方 （Na、W） 、 ）
(c)面心立方 面心立方 （Al、Au） 、 ）
图1.2-3
1.2半导体材料硅的晶体结构
金刚石结构是一种复式格子， 金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角 线方向上移1/4互相套构而成 见图1.2-4）。 互相套构而成（ 线方向上移 互相套构而成（见图 ）。 为了简便明了，以后分析问题时只要采用图 为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2所示的平面 所示的平面 结构示意图即可。 结构示意图即可。
第三层4个电子 第三层 个电子 第二层8个电子 第二层8个电子 第一层2个电子 第一层 个电子 最外层5个电子 最外层 个电子 最外层3个电子 最外层 个电子
Si +14
P +15
B
si
P
B
图1.2-1
1.2半导体材料硅的晶体结构
原子最外层的电子称为价电子， 原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称 它为几族元素。 它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正离子， 若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原 子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。 子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变 成离子的过程称为电离。 成离子的过程称为电离。
表1-1
物体 电阻率 · CM
导体 <10e-4
半导体 10e-3~10e9
绝缘体 >10e9
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.1几种常见元素的原子结构 几种常见元素的原子结构 硅太阳电池生产中常用的硅（ ）， ），磷 ），硼 硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼 ）， （B）元素的原子结构模型如图 ）元素的原子结构模型如图1.2-1所示 所示