半导体物理与器件(Neamen).ppt

课程主要内容 固体晶格结构 第一章量子力学 第二章 第三章半导体物理 第四章 第六章半导体器件 第七章 第十三章 1 绪论 什么是半导体按固体的导电能力区分 可以区分为导体 半导体和绝缘体表1 1导体 半导体和绝缘体的电阻率范围 2 绪论 半导体具有一些重要特性 主要包括 温度升高使半导体导电能力增强 电阻率下降如室温附近的纯硅 Si 温度每增加8 电阻率相应地降低50 左右微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力以纯硅中每100万个硅原子掺进一个 族杂质 比如磷 为例 这时硅的纯度仍高达99 9999 但电阻率在室温下却由大约214 000 cm降至0 2 cm以下适当波长的光照可以改变半导体的导电能力如在绝缘衬底上制备的硫化镉 CdS 薄膜 无光照时的电阻为几十M 当受光照后电阻值可以下降为几十K 此外 半导体的导电能力还随电场 磁场等的作用而改变 3 1 1半导体材料 元素半导体 Si Ge 化合物半导体 双元素 三元素等 4 1 2固体类型半导体的晶体结构 一 晶体的基本知识长期以来将固体分为 晶体和非晶体 晶体的基本特点 具有一定的外形和固定的熔点 组成晶体的原子 或离子 在较大的范围内 至少是微米量级 是按一定的方式有规则的排列而成 长程有序 如Si Ge GaAs 5 1 2固体类型半导体的晶体结构 晶体又可分为 单晶和多晶 单晶 指整个晶体主要由原子 或离子 的一种规则排列方式所贯穿 常用的半导体材料锗 Ge 硅 Si 砷化镓 GaAs 都是单晶 多晶 是由大量的微小单晶体 晶粒 随机堆积成的整块材料 如各种金属材料和电子陶瓷材料 晶界分离 6 1 2固体类型半导体的晶体结构 非晶 体 的基本特点 无规则的外形和固定的熔点 内部结构也不存在长程有序 但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列 短程有序 如非晶硅 a Si 7 1 2固体类型半导体的晶体结构 非晶体 无定型 多晶单晶 8 1 3空间晶格 晶体是由原子周期性重复排列构成的 整个晶体就像网格 称为晶格 组成晶体的原子 或离子 的重心位置称为格点 格点的总体称为点阵 9 1 3空间晶格1 3 1晶胞和原胞 1 晶胞 可以复制成整个晶体的一小部分 基本单元 可以不同 10 1 3空间晶格晶胞和原胞 2 原胞 可以形成晶体的最小的晶胞 广义三维晶胞的表示方法 晶胞和晶格的关系 11 1 3空间晶格1 3 2基本晶体结构 简立方sc体心立方bcc面心立方fcc 原子体密度 12 1 3空间晶格1 3 3晶面与密勒指数 1 晶面表示方法 1 平面截距 3 2 1 2 平面截距的倒数 1 3 1 2 1 3 倒数乘以最小公分母 2 3 6 平面用 236 标记 这些整数称为密勒指数 晶面可用密勒指数 截距的倒数 来表示 hkl 13 1 3空间晶格晶面与密勒指数 简立方晶体的三种晶面 100 110 111 14 1 3空间晶格晶面与密勒指数 体心立方结构 110 晶面及所截的原子 原子面密度 15 1 3空间晶格晶面与密勒指数 2 晶向 通过晶体中原子中心的不同方向的原子列 hkl 16 1 3空间晶格1 3 4金刚石结构 金刚石结构 17 1 3空间晶格金刚石结构 四面体结构 18 1 3空间晶格金刚石结构 金刚石晶格 19 1 3空间晶格金刚石结构 闪锌矿结构 GaAs 不同原子构成的四面体 20 1 3空间晶格金刚石结构 21 1 4原子价键 离子键 NaCl库仑力 共价键 H2共用电子对 金属键 Na电子海洋 范德华键 弱HF电偶极子存在分子或分子内非健结合的力 22 1 4原子价键 硅原子和硅晶体 23 1 5固体中的缺陷和杂质 晶格振动点缺陷 空位和填隙 线缺陷 24 1 5固体中的缺陷和杂质 替位式杂质填隙式杂质 25 1 5固体中的缺陷和杂质 掺杂为了改变半导体的导电性而向其中加入杂质的技术 高温扩散 度离子注入50kev损伤与退火 26 1 6半导体材料的生长 直拉单晶法 Czochralski方法 外延生长 在