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高等半导体物理与器件第一章固体晶格结构 0 课程讲授者 张旭琳办公室 南区电子大楼912联系电话 0E mail 1 课程概论 课程名称 高等半导体物理与器件学分 3时间 春季学期 2 教材与参考资料 半导体物理与器件 第四版 美 DANeamen著 赵毅强 姚素英 史再峰等译 电子工业出版社 2013年 半导体器件物理 第3版 美 施敏 伍国珏著 耿莉 张瑞智译 西安交通大学出版社 2008年 3 第一章固体晶体结构第二章量子力学初步第三章固体量子理论初步第四章平衡半导体第五章载流子输运现象第六章半导体中的非平衡过剩载流子第七章pn结第八章pn结二极管第九章金属半导体和半导体异质结第十章金属 氧化物 半导体场效应晶体管基础第十一章金属 氧化物 半导体场效应晶体管 概念深入第十二章双极晶体管第十三章结型场效应晶体管第十四章光器件第十五章半导体功率器件 课程内容 半导体物理 半导体器件基础 固体物理 量子理论 专用半导体器件 4 第一章固体晶格结构 1 1半导体材料 1 2固体类型 1 3空间晶格 1 4金刚石结构 1 5原子价键 1 6固体中的缺陷和杂质 1 7半导体材料的生长小结 5 1 1半导体材料 半导体 semiconductor 导电性介于导体与绝缘体的物质 6 元素半导体与化合物半导体 7 1 2固体类型 有序化区域 原子或分子有规则或周期性几何排列的空间范畴 非晶 无定形 基本无序 几个原子或分子的尺度 即纳米量级 一般只有十几埃至几十埃的范围 多晶 长程无序 短程有序 成百上千个原子的尺度 每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级 单晶 长程有序 通常包含整块晶体 一般在毫米量级以上 8 1 3空间晶格 单晶 一典型结构或原子团在三维的每一个方向按某种间隔规则重复排列 晶格 原子的周期性排列 将构成晶体的粒子抽象为一个点 这样得到的空间点阵成为晶格 用称为格点的点来描述原子排列 9 晶胞 单胞 以格点为顶点 以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体 是可以复制出整个晶体的一小部分晶体 通常能够反映出整块晶体所具有的对称性 原胞 可以复制得到整个晶格的最小单元 晶格 原胞的选取都不是唯一的 1 3 1原胞和晶胞 单晶晶格二维表示 10 晶胞和晶格的关系用矢量 表示 三个矢量可不必互相垂直 长度可以不相等 基矢长度称为晶格常数 每个等效格点可用下述矢量表示其中 p q s为整数 广义原胞 11 立方晶系基本的晶体结构 常见的三个基本的立方结构 1 简单立方结构 sc 2 体心立方结构 bcc 3 面心立方结构 fcc 1 3 2基本的晶体结构 12 简立方结构SimpleCubic每个顶角有一个原子 体心立方结构BodyCenteredCubic除顶角外在立方体中心还有有一个原子 13 面心立方结构FaceCenteredCubic简立方的六个面的中心各有一个原子 例1 1 求体心立方单晶材料的原子体密度 其晶格常数a 5 解 原子体密度 8 1 8 1 5 10 8 3 1 6 1022个原子 cm3实际密度是晶体类型和晶体结构的函数 14 晶面 晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上 这样的平面称为晶面 1 3 3晶面和米勒指数 15 由于不同平面的原子空间不同 因此 沿不同平面的晶体特性并不同 电学及其他器件特性与晶体方向有重要关联 米勒指数 用以描述晶面的一组整数 可由下列步骤确定 找出平面在三坐标轴上的截距p q s 以晶格常数为单位 取这三个截距倒数 将其化简成为最简单的整数比 h k l为互质的整数 以 hkl 来标志该晶面 称为米勒指数 例1 2 描述右图所示的平面 图中只标出了三个轴上的格点 16 等效晶面立方晶体有6个不同侧面 由于晶格对称性 晶体在这些晶面的性质完全相同 统称等效晶面 写成 100 对角面共有6个 统称这些对角面时 写成 110 顶对角面共有8个 统称这些顶对角面时 写成 111 原子面密度 cm2 单晶半导体有限大 存在某些表面 晶格中特定晶面的函数 17 例1 3 计算一个晶体中特定平面的原子面密度 如图 a 所示的体心立方结构 和如图 b 所示的 110 平面 a1 5 解 每个晶面的原子个数为1 4 4 1 2原子面密度 面密度 2个原子 a1 a1 2 5 66 1014个原子 cm2 18 晶向晶体的一个基本特点是具有方向性 沿晶体的不同方面晶体的性质不同 晶格的格点 可以看成分列在一系列相互平行的直线系上 这些直线系称为晶列 同一个格子可形成方向不同的晶列 每个晶列定义一个方向 该方向称为晶向 晶向用晶向指数标记 1 3 4晶向 19 晶向指数的确定 如果沿着某一晶向 从一个原子到最近的原子的位移矢量为 则该晶向就用l1 l2 l3来标志 写成 l1l2l3 标志晶向的这组数称为晶向指数 20 1 4金刚石结构 金刚石结构 硅 锗 属面心立方晶体家族 由两个面心立方结构套构形成 此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的1 4 此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结构上相同 但以晶格观点看却不同 21 铅锌矿 闪锌矿 结构 GaAs 与金刚石晶格结构类似 只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同 其中一个副晶格为III族原子 Ga 另一个副晶格为V族原子 As 22 1 5原子价键 原子或分子结合形成晶体 最终达到平衡时系统的能量必须达到最低 1 离子晶体 离子键 例如NaCl晶体等 2 共价晶体 共价键 例如Si Ge以及GaAs晶体等 3 金属晶体 金属键 例如Li Na K Be Mg以及Fe Cu Au Ag等 4 分子晶体 范德华键 例如惰性元素氖 氩 氪 氙等在低温下则形成分子晶体 HF分子之间在低温下也通过范德华键形成分子晶体 23 硅材料中共价键形成示意图 硅原子的价电子 硅原子中的共价键 24 1 6固体中的缺陷与杂质 点缺陷 替位 填隙 空位和弗兰克尔缺陷 线缺陷 亦称位错 刃形和螺旋 面缺陷 孪晶和晶粒间界 体缺陷 杂质或掺杂原子的析出现象 这些缺陷的产生是由在主晶格中的固溶度引起的 理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质 且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置 实际的晶体材料并非如此理想和完美无缺 存在原子的热振动 固体中的缺陷 25 1 点缺陷 26 2 线缺陷 27 3 面缺陷 反映孪晶 旋转孪晶 小角度晶界 28 晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质 来源 有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污 也有可能来源于人为的引入 用以控制其电学及其它特性 杂质在半导体中存在方式 间隙式和替位式 间隙式杂质 位于本体原子晶格间隙中 这类杂质原子半径较小 如H Li 固体中的杂质 29 替位式杂质 取代本体原子位置 处于晶格点上 这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子 如 族在Si Ge 族 中的情况 族在 化合物中 30 杂质原子激活 人为引入的杂质原子 只有处于替位式时 才能激活 起到改变和控制半导体材料导电性的作用 例如 族元素原子掺入Si Ge中 多以替位式存在 晶体中引入杂质的方法称为掺杂 掺杂方法分为 1 高温扩散掺杂 2 离子注入掺杂 31 1 7半导体材料的生长 半导体是最纯的材料之一 如硅的纯度已达到百亿分之一 生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种 1 熔融体中生长 Czochralski方法 CZ法 籽晶直拉法 进一步采用区熔再结晶方法提纯 32 实际拉制出的12英寸硅单晶锭 1m 直径300mm 重140kg 将硅单晶锭切割成硅晶园片的切片机 工作人员利用卡塞 Cassette 装载的300mm硅晶园片 33 2 外延层生长法外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类 1 同质外延 2 异质外延 常用的外延方法有 1 化学气相淀积法 CVD 也称为气相外延法 VPE 2 液相外延法 LPE 温度低于CZ法 常用于化合物半导体材料的外延 3 分子束外延法 MBE 高真空 400至800 可精确