华侨大学微电子器件与电路(IC2020)Lec1半导体物理基础I

Lecture 1 固体晶格结构
OUTLINE
-半导体材料概述
-固体类型
-空间晶格结构
-原子价键
参阅教材第1章：1.1,1.2,1.3,1.4
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半导体材料特性1
室温电阻率(纯净半导体)
半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一种材料。

电阻率小于10-6Ωcm的称为导体，EX 纯铜3X10-6/Ωcm
电阻率大于1012Ωcm称为绝缘体， EX 金刚石1016/Ωcm
电阻率位于10-3Ωcm~ 106Ωcm之间称为半导体，EX纯硅的电阻率约为105Ωcm 。

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纯净的半导体有负的电阻温度系数
金属：T ↑，ρ↑
半导体：T ↑，ρ↓
温度能使半导体导带能力增强
EX：纯硅，T上升8℃，电导率升50%
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IC2020
高的温差电动势α
温差电效应
1T 2
T 当T 1≠T 2时，半导体两端有电势差
半导体：α为几百uV/K ，可负可正
金属：α为0-10uV/K ，负
半导体-金属接触或半导体
pn结具有整流特性
半导体具有光敏特性(光电导)
合适频率的光照半导体，半导体电阻率下降.
光照、高能电子注入，电场和磁场会影响半导体的电阻率EX：硫化镉无光照下，电阻为几十MΩ，有光照为几十kΩ。

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半导体中有两种载流子-电子和空穴，而金属只有一种
载流子-电子。

杂质可以改变半导体的导电类型和电阻。

室温下纯净Si为本征半导体，
载流子浓度n i∼1010/cm3，电阻率ρ∼2.3×105Ω〃cm
掺入5×1016/cm3砷杂质的Si为n型半导体：
载流子浓度n∼5×1016/cm3，电阻率ρ∼0.1Ω〃cm
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通过在半导体中添加数量可控的杂质原子，使其电
阻率可以在几个数量级范围内变化。

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元素半导体
半导体分为两大类：
①IV族元素半导体材料
②化合物半导体材料
由一种元素构成的半导
体称为元素半导体。

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常见半导体材料元素半导体材料
Si 硅Ge 锗SiC 碳化硅GeSi 锗硅
IV族化合物半导体材料
III-V族化合物半导体II-VI族化合物半导体
AlAs 砷化铝AlP 磷化铝AlSb 锑化铝GaAs 砷化镓GaP 磷化镓Gasb 锑化镓InAs 砷化铟InP 磷化铟CdS 硫化镉
CdTe 碲化镉
HgS 硫化汞
ZnS 硫化锌
ZnTe 锑化锌
半导体器件中使用的半导体材料
硅Si：＞96%
III-V族化合物半导体材料：约3%
II-VI族化合物半导体材料：约0.1%
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IV族元素半导体
Si: 是目前应用最为广泛的半导体材料
原料丰富；
禁带宽度适中；
器件能在较高温度下使用；
高质量的氧化膜（SiO2）
Ge: 最早被提纯，最早被研究的半导体.
已能制备同位素纯的晶体（天然Ge有5种同位素）
高的空穴迁移率（Ge-pMOSFET）
Ge/Si异质结、GexSi1-x 、GOI、……
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III-V族化合物半导体1
III族元素： Al Ga In
V族元素： P As Sb
可组成9种化合物半导体，其中应用和研究比较多的有4种。

广泛应用于：发光器件，激光器，功率器件，微波
器件等。

研究和应用比较多的是GaAs,GaN.
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GaAs的应用：
高速器件(室温下电子迁移率8300cm2/Vs)
发光器件，激光器，光电探测器等(直接禁带)
gunn器件，体效应，固体微波源(电子转移效应)
太阳能电池(合适的禁带宽度和直接禁带)
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禁带宽度大（3.4eV）
极好的化学稳定性，耐高温，
高击穿电场（3.5E6V/cm）
电子饱和漂移速度高（2E7cm/s）
自发压电极化效应极强
光电器件——巨大市场潜力
蓝光LED、LD（作DVD光源）；紫外光探测器；宽带的微波大功率器件；HEMT(高电子迁移率晶体管）等。

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单晶硅和III-V族半导体材料
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半导体元素在地球上的比例
元素含量元素含量元素含量
硅0.283 锌7×10-5镉2×10-7
铝0.083 镓 1.5×10-5铟1×10-7
磷0.001 锗5×10-6汞8×10-8
硫 2.6×10-4砷 1.8×10-6硒5×10-8
碳 2.0×10-4锑2×10-7碲1×10-9
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1.1.2 固体的三种类型
无定型： 不存在长程有序
多晶：
在小区域内完全有序
单晶： 固体内的原子排
列有序
Si和SiO2界面
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1.1.3 空间晶格
一个典型的单元或原子团在三
维的每一个方向按某种间隔规则
排列修形成了单晶，晶体中的这
种原子的周期性排列就称为晶格。

用称为格点的点来描述某种特
殊的原子的排列。

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晶胞1
单晶晶格二维表示
由于晶格是一组原子的周期性重复排列，所以不必考
虑整个晶格，而是仅仅考虑基本单元。

晶胞：就是可以重现完整晶体的一个小体积元
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晶胞2
具有多种晶胞的单晶晶格的二维表示
注意：晶胞可以有多种结构，如图所示，任何一种晶
胞平移都可以构建整个二维晶格。

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晶胞VS晶格VS晶体关系
晶胞晶格晶体
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1
原胞
但是很多时候使用晶胞比使用原胞更方便，因为晶胞使用正交的边，而原胞的边可能是非正交的。

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IC2020 原胞
2 r pa qb sc
=++三维晶体中的每一个等效的格点都可以用矢量表示
矢量a 、b 、c 的大小为晶胞的晶格常数
半导体的静态是三维晶体，使用三维立方元胞来描述。

基本晶格结构-简立方结构
特点：
1.简立方晶格是一个等边立方体，每
个顶点都有一个原子。

2.简立方格子是由平行的二维晶格构
成，每个顶点的原子为临近的8个晶格所
共有，因此每个晶格只占有1/8个顶点原
子(等效1个原子)
3.只有元素钋po是这种晶格结构
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特点：
1.每个晶格包含8个1/8的顶角原子和一个体心原子，等效2个原子
2.元素Na、W等都是这种晶格结构
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特点：
1.包含8个1/8的顶角原子，6个1/2的面心原子,等
效4个原子
2.元素Al,Au等的晶格结构
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原子体密度
通过了解材料的晶格结构和晶格尺寸，就可以确定原子体密度。

体心立方单晶材料，晶格常数
为 求原子体密度。

8
510a cm -=⨯=每晶胞原子数原子密度晶胞体积
2233832#2# 1.610#/(510)
cm a cm -===⨯⨯
晶面
半导体器件所使用的单晶硅被处理成圆盘形状，称为硅片。

晶面的定向
对器件的加工过程有非常关键的作用。

半导体器件制作在表面或近表面区域，表面性质可能影响器件特性。

晶面表面或穿过晶体的平面可以用平面沿a、b、c的截距来表示。

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米勒指数
111(,,)p q s
图示平面和a 、b 、c 轴截距分别为p 、q 、s
为了描述这个平面，截距取倒数
乘以最小公倍数，得到(h,k,l)的数， 这个平面称为(h,k,l)平面， 参数h,k,l 称为米勒指数。

常用晶面
立方晶体常用晶面主要有三种
截距:(1,∞，∞) (1,1, ∞) (1,1,1)
截距倒数:(1,0,0) (1,1,0) (1,1,1)
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原子表面浓度
面心结构(110)晶面，晶格常数4.5埃
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晶向
1
除了描述晶格的晶面外，也可以描述晶体方向，晶向
可以用3个整数表示，3个整数分别是各个方向矢量的分量。

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晶向2
(100)平面[100]晶向(110)平面
[110]晶向
(111)平面
[111]晶向
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金刚石结构
(0,0,1/2)
(1/2, 1/2,1/2)
(0, 1/2,0)
(1/2,0,0)
硅是最常见的半导体材料，具有金刚石晶体结构。

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硅的原子密度
顶角8个原子：
每个原子由8个晶格共有； 面心6个原子：
每个原子由2个晶格共有； 体心4个原子：
每个原子由本晶格用于；
实际每个晶格拥有原子数：8 硅原子密度
2233838#8#510#/(5.4310)
cm a cm -==⨯⨯
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四面体结构
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硅的内部空隙
一个原子在正四面体中心，另外4个铜它共价的原子在正四面体的4个顶角上，键之间夹角109°28′。

体中心原子到顶角原子的距离是最小原子间距，最小原子间距为 3/4
a 硅原子半径定义为最小原子间距的1/2
晶格中的空隙率利用率 234/334%/8
si
r a π≈
硅的常用晶面
Unit cell:
View in <111> direction
View in <100> direction View in <110> direction
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1.1.4 硅的共价键1
4个原子分别处于正四面体的顶
角上，
任一顶角原子核中心原子各贡
献一个价电子为该两个原子共有，
共有的电子在两个原子之间形
成较大的电子云密度，
通过他们对电子实的引力靶两
个原子结合在一起，这就是共价键。

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IC2020 (1)金属键Na +Na +Na +Na +Na +Na +Cl -Cl -
(3)共价键共享电子对
Na +Cl -Cl -Na +
(2)离子键原子的相互作用倾向于形成满价壳层。

元素周期表最两端的原子倾向于失去或得到电子，从而形成离子，例如I 族原子倾向于失去电子带正电，VII 族原子倾向于获得电子带负电，这两种电荷相反的离子通过库仑力吸引形成离子键。

另一种形成满价壳层的是共价键，共价键导致电子被不同的原子共享，因此每个原子都是满价壳层结构。

金属中每个原子都有很多共享电子，固体被静电力结合在一起。

原子间的相互作用倾向于满价壳层，Si原子有4个近邻原子。

每个原子
提供一个共享电子，那么每个原子效果上就有8个最外层电子。

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思考
加上电压，形成电场，能不能形成电流？
IC2020。