《半导体物理学》PPT课件.ppt

上海交通大学夜大学电子科学与技术专业 半导体物理学SemiconductorPhysics Sopleasuretomeetyouinclassroomtoday Ihopewewillbehappytoco operateonournewsubjectofSemiconductorPhysicsinthissemester 电话 36033332 HM 上海交通大学微纳科学技术研究院 陆鸣 E mail luminghg luming42 luminhsjtu 教学目标 通过半导体中电子运动规律及其性质的学习 引导学生了解半导体物理的基本分析方法 从半导体中载流子的运动规律出发 掌握半导体的基本导电理论 为学习 半导体器件基础 和从事电子科学技术相关的专业工作打好基础 教学内容及基本要求 课程包含半导体晶体 平衡状态下半导体体材特性 非平衡状态下半导体体材特性 平衡和偏置状态下PN结特性 PN结伏 安特性 半导体表面和MIS结构及金属 半导体接触和异质结七章 通过学习要求学生对半导体物理的基本分析方法有较深刻了解 能从半导体中载流子运动的规律出发 分析处理半导体的基本导电理论 特别是PN结理论 同时对半导体表面 金属 半导体接触等相关问题有较好理解 陆鸣 半导体物理学 教材与参考书 刘恩科等 半导体物理学 第6版 国防工业出版社 第一章半导体晶体 Chapter1SemiconductorCrystal 半导体器件 或微电子器件 本质上是材料取向的 Materials oriented 即器件的特性基本上由半导体材料的性质决定 半导体材料 正如半导体的词义所示 是一种电导率 electricalconductivity 介于导体 conductor 与绝缘体 insulator 之间的材料 晶体的基本概念 处于凝固状态下的物体 我们称之为固体 固体按结构可分为两类 一类是晶体 crystal 另一类是非晶体 non crystal 晶体又分单晶体 monocrystal 和多晶体 polycrystal 一般所说的晶体 主要是指单晶体 半导体器件和集成电路采用的半导体材料都是接近完美的单晶材料 完美单晶半导体的研究 当然是材料学家或者结晶学家的职责 不过一些基本概念我们也应该知道 人们在生产和生活实践中早就发现自然界中有许多晶莹透明 表面光洁 线条笔直 对称排布 美丽完整 具有多面体外形的固体 并把这类外形规则的固体称为晶体 经对晶体内部结构的研究发现与其他物质不同 其内部原子非常有规则地按一定的周期方式排列 周而复始 贯彻始终 形成整齐而固定的阵列 晶体是由原子或分子按照一定的周期性规律 在空间重复排列而成的固体物质 晶体的分布非常广 自然界中的固体物质绝大多致是晶体 气体 液体和非晶物质在一定条件下 也可转变成晶体 晶体和人类的关系十分密切 地球表面的岩石和泥砂全由各种各样晶体堆积形成 这些物质中 晶体颗粒大小十分悬殊 有些只有几毫克 有些可达几十吨 日常生活中接触和使用的金属器材都由金属晶体聚集而成 现代科学技术提供的许多家用电器 核心部件均由晶体加工生产而成 如石英钟 荧光粉 晶体管 磁芯等 晶体所以具有这样广泛的功能 在于它内部原子排列的周期性 以及在该基础上进行改造的可能性 晶体的周期性结构 使晶体具有下列共同性质 1 均匀性 uniformity 晶体的宏观性质相同 即有相同的化学组成 密度等 2 对称性 symmetry 外形和内部结构具备特有的对称性 晶体的对称性和晶体的性质关系非常密切 3 各向异性 anisotropy 晶体中 不同方向上的物理性质 如电导率 热胀系数 折光率和机械强度等有显著差异 此乃晶体内部不同方向上原子或分子的周期性排列不同所决定 4 多面体晶体 polygonalcrystal 晶体在生长过程中 相交晶面自发地形成晶棱 晶棱会聚成为顶点 从而呈现多面体外形 晶体的这种性质也决定于晶体内部结构的周期性 理想环境中生长的晶体可长成凸多面体 凸多面体的晶面数 F 晶棱数 E 和顶点数 V 符合如下公式 四面体有4个面 6条棱 4个顶点 立方体有6个面 12条棱 8个顶点 八面体有8个面 12条棱 6个顶点等 5 存在熔点 meltingpoin 晶体内部原子的周期性结构与周期性结合能相同 当温度升高 热振动加剧各个周期都处于吸热熔化过程中 到达恒定不变温度时才熔解 称为熔点 6 x射线衍射 xdiffraction 晶体结构的周期大小和x射线的波长相当 能使x射线产生衍射现象 晶体的x射线衍射数据 成为了解晶体内部结构的重要依据 归纳起来 晶体的主耍特征是内部原子 离子或分子 的排列具有规则性 regularity 和周期性 periodicity 晶体又分单晶体 monocrystal 和多晶体 polycrystal 一般所说的晶体 主要是指单晶体 半导体器件和集成电路采用的半导体材料都是接近完美的单晶材料 整块材料中内部原子都是有规则 周期地重复排列起来的晶体称为单晶体 多晶体则由大量微小晶粒 线度在0 01毫米以下 组成 多晶体内 每个小晶粒中的原子排列是规则和周期的 但各晶粒之间 原子排列的取向并不相同 金属大都属于多晶体 固体除晶体外 还有非晶体 非晶体中的原子排列都是无规则的 非晶体有时也称过冷液体 subcooledliquids 玻璃 塑料等都是非晶体 固体物理学是研究晶体中原子和电子运动规律及其性质的学科 半导体物理学是固体物理学的分支 研究半导体晶体中原子和电子的运动规律及其性质 晶体性质主要决定于它们的化学组成和内部结构 晶体组成的化学成分不同其性质当然不同 晶体化学成分相同 但内部结构不同 性质也不相同 晶体内部 原子在三维空间按照周期性规律重复排列 每个重复单元满足 化学组成相同 空间结构相同 排列取向相同 周围环境相同 这种组成晶体重复排列的基本单位称为结构基元 Strucuralmotif 图示分别给出按一维 二维和三维周期排列的结构基元实例 许多单质晶体在某一方向上的原子常按这种方式排列 这种结构中 一个原于组成一个结构基元 此为层型石墨分子中某些方向上碳原子的排列情况 结构基元由两个原子组成 此为硒晶体中链型硒分子按螺旋型周期排列的情况 三个原子组成一个结构基元 此为仲展的聚乙烯链的结构恃况 结构基元为 CH2 CH2 此为等径原子最密堆积层的二维图像 虚线所示平行四边形为结构基元 它包括一个原子 此为硼酸晶体内的二维层型结构 两个硼酸分子组成一个结构基元 此为金刚石结构的三维图像 相邻两个碳原子组成一个结构基元 取顶角上和面心上原子作点阵点 内部的4个原子不是点阵点 金刚石结构中 每个碳原子都按正四面体型式和周围原子构成共价键 但仔细观察可以发现相邻碳原子周围的4个键空间取向不同 周围环境不同 故不能以每个碳原子作为一个结构基元 NaCl晶体由氯和钠两种元素的原子组成 形成NaCl晶体时 每个Na 离子的近邻是C1 离子 C1 离子的近邻是Na 离子 Na Cl 0 a b c NaCl晶体的空间晶格 依靠带正电离子和带负电离子间的静电吸引形成的结构称为离子键 ionicbond 由离子键构成的晶体称为离子晶体 ioncrystal NaCl是典型的离子晶体 整个NaCl晶体可以看成是由一个基本的结构单元沿三个不同方向 各自按一定间距 周期地重复堆积的结果 x y z 显然 不同晶体的基本结构单元是不同的 上述四个相同条件则是判断结构基元由哪些原子组成的标准 而且必须四个条件同时都能满足 基本结构单元可以是一个原子 也可是若干个原子组成的集团 NaCl晶体的基本结构单元 由一个Na 离子和一个C1 离子组成 为简单描述晶体内部结构周期性 可用一个点来表示每个最小的重复单元 每个基本结构单元的代表点 必须选在各单元中的同类原子上 如NaCI中的Na或Cl 也可以选在在基本结构单元的 重心 centreofgravity 上 这些代表点空间分布的周期性与晶体中原子排列的周期性完全一致 注意到代表点不考虑结构基元包含的具体内容和具体结构 集中反映的仅仅是晶体的周期重复方式 故是晶体中结构基元的一种几何抽象 这些从晶体中无数个结构基元抽象出来的代表点在三维空间按一定周期重复形成一个点阵 称为空间格点 SpaceLattice 或布拉伐格子 BraviasLattice 布拉伐格点是晶体基本结构单元的代表点 格点是原子集团的代表 格点代表的原子集团 彼此之间有相同的结构 即同时满足四个相同条件 需要特别注意的是 应把布拉伐格子同晶体结构区分开来 晶体结构是指晶体中的原子排列 而布拉伐格子则是指晶体基本结构单元代表点在空间的分布 根据晶体结构 结构基元和格点点阵间的关系 可以简单地将晶体结构用下式表示 晶体结构 点阵 结构基元 任何晶体 只要知道它的布拉伐格子 那么 该晶体原子排列的周期性也就充分地反映出来了 因布拉伐格点的排列情况与实际原子的排列相同 两者的周期性完全一致 那么一定晶体的基本结构单元包括多少个原子呢 如果把化学成分不同或者所处环境不同的原子看成类型不同的原子 显然存在下面的关系 NaCl晶体是由两种化学成分不同的原子组成的 每个基元应包含一个Na 离子和一个C1 离子 表明上面的等式是成立的 一般由一或数个分子组成的分子晶体 其结构基元分子中的原子种类越多 结构基元包含的原子数目也多 蛋白质晶体结构基元常由上千个原子组成 描述晶体内部结构周期性的另一种方法是把晶体划分成一些周期性的重复区域 单胞 UnitCell 或原胞 PrimitiveCell 单胞与原胞 单胞是以格点为顶点 以三个独立方向上的周期为边长构成的平行六面体 它是晶体中的一个小体积 一个周期性重复的区域 单胞是晶体内部结构的缩影 单胞的重复堆积 可以得到整个晶体 原胞也是单胞 只不过是体积最小的单胞 每个原胞只能包含一个基元 即一个布拉伐格点 且该布拉伐格点只能在原胞的顶角上 体心 bodycenter 和面心 facecenter 不能有布拉伐格点 由于原胞是体积最小的周期性重复区域 所以用它们来描述晶体内部结构的周期性 一定最充分 最细致 但很多情况下 原胞的形状不便反映晶体中原子排列的对称性 为既能描述原子排列的周期性 又可反映它们的对称性 习惯上都采用体积较大的单胞 NaCl晶体的单胞通常选择图示立方体 现在计算单胞中含多少个布拉伐格点 立方体共有六个面 每个面心格点被两个立方体平分 因而平均来说 它面心格点对一个立方体的贡献是1 2 立方体八个顶角上有八个格点 每个顶角格点被八个立方体平分 所以顶角格点对每个立方体的贡献是1 8 由此可知 一个单胞中布拉伐格点的平均数为 就是说 面心立方体单胞 包含四个布拉伐格点 相应地 该单胞中包含有四个基元 即四个Na 离子 四个C1 离子 这样的单胞显然不是体积最小的单胞 体积最小的单胞 即原胞 应该只包含一个布拉伐格点 即只有一个Na 离子和一个C1 离子 原胞中 因为格点都在顶角上 所以每个原胞中平均只包含 个格点 容易计算 面心立方格子的原胞体积为立方单胞体积的1 4 基矢 BasicSector 为便于数学上进行分析 晶体内部结构的周期性也可用一组基本平移矢量 简称基矢量或基矢 来描述 基矢量是沿单胞三个边长方向 长度等于单胞边长的独立矢量 或者说是支撑起单胞的三个独立矢量常用a b c表示 a b c 原基矢量是支挥起原胞的三个独立矢量 通常表为a1 a2 a3 a1 a2 a3 选沿立方体三条边方向上的单位矢量i j k 以晶格常数a表示边长 则面心立方晶格的基矢量a b c可表示为 a c b i j k 面心立方格子的原基矢量a1 a2 a3 则为 a ai b aj c ak a3 a1 a2 利用原基矢量表示布拉伐格点的位置非常简便 任选一格点作坐标原点 以一组原基矢量为坐标轴构成参考坐标系 由于每个布拉伐格点都处在原胞的顶角上 因此 所有布拉伐格点的径向矢量 即晶格矢量R都可表为 a1 a2 R 描述晶体内部结构周期性的上述方法 彼此是相关的 知道一种方法 便可以导出其它方法 应指出的是 一定的晶体 其内部结构的周期性是一定的 即布拉伐格子是一定的 不过单胞 原胞 基矢量和原基矢量的选择却不是唯一的 引入上述这些概念后 晶体内部结构的周期性 可以这样来描述 各个原胞中的点 原子排列情况是相同的 任意两个原胞中相应点的径向矢量 仅差一个晶格矢量R 所以 晶体中任意一点r和另一点r1若 式中m1 m2 m3为任意整数 则这两点上晶体原子的分布情况完全相同 晶体的微观物理性质也完全一样 再强调一次 布拉伐格子不是晶体 布拉伐格子只是用一个点表示的晶体中的周期性重复单元 三维空间中布拉伐格子的分布方式只有14种类型 也就是说 三维晶体的布拉伐格子类型只有14种 14种不同类型的布拉伐格子 1 简单三斜 2 简单单斜 3 底心单斜 4 简单正交 5 底心正交 6 体心正交 7 面心正交 8 简单正方 9 体心正方 10 简单立方 11 体心立方 12 面心立方 13 三角 14 六角 表中 按单胞形式将14种布拉伐格子分成七大晶系 所谓单胞形式指的是晶系的划分均以支撑起单胞的三个基矢量a b c的相对长度和它们的夹角作标志 因习惯选取的单胞形式直接反映了布拉伐格子点群的对称性 故晶系划分的依据 实际上是布拉伐格子的点群对称性 对称性相同 属于同一晶系 不相同则属于不同晶系 三斜晶系 布拉伐格子 简单三斜 单胞基矢量的特征a b c 单斜晶系 单胞基矢量的特征a b c 90 简单单斜 底心单斜 正交晶系 单胞基矢量的特征a b c 90 正方晶系四角 单胞基矢量的特征a b c 90 立方晶系 单胞基矢量的特征a b c 90 三角晶系 单胞基矢量的特征a b c 120 90 六角晶系 单胞基矢量的特征a b c 90 120 金刚石结构 金刚石结构是碳原子组成的一种晶体结构 把金刚石晶体划分成正立方体形式的单胞 则除了在立方体顶角和面心上有碳原子外 在4个体对角线约1 4处也有碳原子存在 立方体底面上原子排列的投影图 凡原子排列情况和金刚石相同的晶体均属于金刚石结构 元素半导体硅和锗都是金刚石结构 结构上 金刚石结构由两套面心立方格子组成 一套格子的原子是另一套格子上原子的近邻 两套格子上原子与近邻原子形成共价键 只是方位不相同 金刚石结构中 每个原子有四个分布在以该原子为中心的正四面体四个顶角上的近邻原子 碳 硅和锗都是第IV族元素 每个原子有四个价电子 近邻原子的价电子形成共价键 每个共价键包含两个自旋相反的电子结成一对 这些共价键把原子联系起来构成整个晶体 几种金刚石结构晶体的晶格常数 晶体中 规则 周期地在空间重复排列起来的原子将组成一系列直线以及平面 晶列与晶面 晶体中原子排列成的平面称晶面 晶体中 原子排列成的直线称晶列 立方体晶格的三个常见晶面 密勒指数 MillerIndices 通过液相还是汽相生长晶体时 生成的原子相对于可选的有效位置 呈现在某种优先位置上定位的趋向 便形成了宏观上的晶面 英国的矿物学家WilliamH Miller开发了一套今天仍被普遍使用的识别晶面的体系 选面心立方体单胞三个相互正交的棱边作坐标轴 构成一个参照系统 在这个参照系统中 任何平面都可以按其与坐标轴的截