第2章 热平衡时的能带和载流子浓度01

1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度1 本章内容本章内容 半导体材料半导体材料 基本晶体结构基本晶体结构 共价键共价键 能带能带 本征载流子浓度本征载流子浓度 施主和受主施主和受主半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度2固态材料（固态材料（导电性导电性）：绝缘体、半导体、导体。）：绝缘体、半导体、导体。绝缘体：绝缘体：电导率很低，约介于电导率很低，约介于10-18S/cm10-8S/cm，如熔融石英及玻璃；，如熔融石英及玻璃；导导 体：体：电导率较高

2、，介于电导率较高，介于104S/cm106S/cm，如铝、银等金属；，如铝、银等金属；半导体：半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。电导率则介于绝缘体及导体之间。181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英1810161014101210101081061041021012104106108101810161

3、01410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英2.1 半导体材料半导体材料半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度3p 半导体的特点：半导体的特点：易受易受温度、光照、磁场及微量杂质原温度、光照、磁场及微量杂质原 子子的影响。的影响。 正是半导体的这种正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性对电导率的高灵敏度特性使半导使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一

4、。体成为各种电子应用中最重要的材料之一。p 半导体材料的类型：半导体材料的类型：l 元素半导体：元素半导体：硅硅(Si)、锗、锗(Ge)l 化合物半导体：化合物半导体：砷化镓砷化镓(GaAs)、磷化铟、磷化铟(InP)等等半导体材料半导体材料半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度4硅、锗硅、锗：单一原：单一原子组成的元素半子组成的元素半导体，周期表第导体，周期表第IV族元素。族元素。20世纪世纪50年代年代初期初期，锗；，锗；60年代初期以年代初期以后后，硅。，硅。周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷

5、硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅硅的优势：硅的优势：室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量丰富，仅次于氧。丰富，仅次于氧。2.1.1 元素半导体元素半导体半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度5类别：类别： 二元化合物半导体：二元化合物半导体：由两种元素组成。由两种元素组成。 三元化合物半导体：三元

6、化合物半导体：由三种元素组成。由三种元素组成。 多元化合物半导体：多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。由三种及以上元素组成。n化合物半导体的优势：化合物半导体的优势：具有与硅不同的电和光特性。具有与硅不同的电和光特性。如如GaAs等，主要用于高速光电器件。等，主要用于高速光电器件。n化合物半导体的不足：化合物半导体的不足：与元素半导体相比，制作单与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。2.1.2 化合物半导体材料化合物半导体材料半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子

7、浓度62.2 基本晶体结构基本晶体结构 单晶单晶：一典型结构或原子一典型结构或原子团团在三维空间按周期重复在三维空间按周期重复排列。排列。 晶格晶格：晶体中原子的周期：晶体中原子的周期性排列。晶格中的原子被性排列。晶格中的原子被抽象为一个点，称为抽象为一个点，称为格点格点。半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度72.2.1 单胞单胞 单胞（晶胞）单胞（晶胞）：以格点为顶点、以三个独立方向上的周期：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；可复制出整个晶体，通常用为边长所构成的平行六面体；可复制出整个晶体，通常用来代表

8、整个晶格。来代表整个晶格。 单胞和晶格的关系用单胞和晶格的关系用 、 、 三个向量表示，它们彼此间三个向量表示，它们彼此间不需正交不需正交，而且，而且长度也可不相等长度也可不相等，称为，称为晶格常数晶格常数 。 每个三维空间中的等效晶格点可表示为每个三维空间中的等效晶格点可表示为其中，其中，m、n、p是整数。是整数。abcRmanbpcacbacb单胞单胞半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度8p立方晶系基本的晶体结构：立方晶系基本的晶体结构： 简单的立方晶格简单的立方晶格 每个顶角有一个原子每个顶角有一个原子 体心立方晶格体心立方晶格

9、 除顶角外在立方体中除顶角外在立方体中心还有一个原子心还有一个原子yxzxzayzxy 面心立方晶格面心立方晶格 简立方的六个面的中简立方的六个面的中心各有一个原子心各有一个原子P21 例例1半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度9金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构 金刚石晶格结构金刚石晶格结构（硅、锗）：属面心立方晶体家族，视为两个（硅、锗）：属面心立方晶体家族，视为两个相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的体体对角线的1/4。此两个副晶格中的两组

10、原子虽在化学结构上。此两个副晶格中的两组原子虽在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。相同，但以晶格观点看却不同。 闪锌矿晶格结构闪锌矿晶格结构（GaAs）：与金刚石晶格结构类似，只是两个）：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，其中一个副晶格为格为III族原子（族原子（Ga），另一个副晶格为），另一个副晶格为V族原子（族原子（As）。）。P23 例例2半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度102.2.3 晶面及密勒指数晶面及密勒指数p晶面：晶格的格

11、点可以看成分列在平行等距的晶面：晶格的格点可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为平面系上，这样的平面称为晶面晶面。半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度11由于不同平面的原子空间不同；因此沿不同平面的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，且电特性及其他器件特性与晶体晶体特性并不同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有重要关联。方向有重要关联。密勒指数（密勒指数（Miller Indices）：界定一晶体中不同平：界定一晶体中不同平面的方法。可由下列步骤确定：面的方法。可由下列步骤确定：找出平面在三坐标轴上的

12、截距值找出平面在三坐标轴上的截距值r、s、t（以晶格常数为（以晶格常数为单位）；单位）；取这三个截距的倒数，并将其化简成最简单整数取这三个截距的倒数，并将其化简成最简单整数比，比， ；1.h、k、l为互质的整数，以（为互质的整数，以（hkl）来表示单一平面的密）来表示单一平面的密勒指数。勒指数。1 1 1:h k lrs tP23 例例3半导体器件物理半导体器件物理第第2 2章章 热平衡时的能带和载流子浓度热平衡时的能带和载流子浓度12p以下是一些其他规定：以下是一些其他规定： (hkl)：代表在：代表在x轴上截距为负的平面，如轴上截距为负的平面，如(100)。 hkl：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用用100表示表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)； hkl：代表一：代表一晶体的方向晶体的方向，如，如100表示表示x轴方向。轴方向。100方向定义为垂直于方向定义为垂直于(100)平面的方向，而平面的方向，而111则为垂直于则为垂直于(111)平面的方向。平面的方向。 ：代表等效方向的所有方向组，如：代表等效方向的所有方向组，如代表代表100、010、001、 100、010、001 。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO