第二章能带和载流子浓度1

1、2.1 半导体材料2.2 基本晶体结构2.3 基本晶体生长技术2.4 共价键2.5 能带2.6 本征载流子浓度2.7 施主与受主2微电子器件原理微电子器件原理微电子工艺基础微电子工艺基础集成电路集成电路功率器件功率器件MEMS传感器传感器光电器件光电器件课程知识应用领域课程知识应用领域固体物理固体物理半导体物理与器件半导体物理与器件量子力学量子力学半导体材料半导体材料统计学物理统计学物理2.1 2.1 半导体材料半导体材料l1、从导电性划分l固体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，可分为导体、导体、绝缘体和半导体绝缘体和半导体。 （看P18图2.1）l半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子

2、(占影响.l元素半导体：硅、锗。电阻率在cmcm一、半导体材料分类一、半导体材料分类6108102106101010141018102210210:/S cm金属半导体绝缘体各种材料的电导率5锗和铜的电导率随温度的变化锗和铜的电导率随温度的变化100 300 1000 T(K) : /S cm6 纯硅的电导率很低，纯硅的电导率很低，电导率约为电导率约为1010-3-3S/cm;S/cm;室温时的载流室温时的载流子浓度约为子浓度约为2 210101010cmcm-3-3 。若在这种纯硅中掺入杂质磷，并。若在这种纯硅中掺入杂质磷，并使磷原子在纯硅中的浓度达到使磷原子在纯硅中的浓度达到2 21010

3、1616cmcm-3-3 时，硅在室温下时，硅在室温下的电导率可相应增加到的电导率可相应增加到10102 2S/cmS/cm左右，即比纯硅的电导率左右，即比纯硅的电导率增加增加5 5个数量级。硅的原子数密度为个数量级。硅的原子数密度为5 510101212cmcm-3-3 ，所以浓，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅的电度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可以精导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可以精确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半导体确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半导体的电导率，

4、甚至改变电传导的类型，使负载流子传导变为的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导变为正载流子传导正载流子传导( (或相反或相反) )。 2、电导率随掺杂的变化电导率随掺杂的变化：71 1）、）、 变化范围很宽；变化范围很宽；2 2）、）、 随温度上升明显；随温度上升明显；3 3）、）、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载流子浓度剧增），电导率急剧增加）；载流子浓度剧增），电导率急剧增加）；4 4）、）、 波长合适的光照射，光激发会使载流子波长合适的光照射，光激发会使载流子浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的光电导

5、现象）。光电导现象）。 3、半导体电导率的特征： 8半导体的电导率除了具有以上几方面特征外，半导体的电导率除了具有以上几方面特征外，许多半导体材料还有比许多半导体材料还有比金属金属更明显的更明显的温差电效应、温差电效应、磁电效应磁电效应和和压电效应压电效应。此外，半导体的此外，半导体的pnpn结、金属与半导体的接触、不同结、金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触种半导体材料的接触( (即异质结即异质结) )等由界面所表现出等由界面所表现出来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特性。半导体的一些重要特性。 这些特性是一些半导体

6、器件工作的基础。这些特性是一些半导体器件工作的基础。94 4、半导体材料的种类、半导体材料的种类： 半导体材料在元素周期表中位于周期表半导体材料在元素周期表中位于周期表（Periodic Table）第）第族（族（ column or family） 及其邻近的族。及其邻近的族。按照组成分类无机半导体10按结构分类按结构分类按功能分类11按照研究及应用时代分类按照研究及应用时代分类目前主要材料仍然是目前主要材料仍然是Si,占占80%。12元素半导体族：Zn,Cd 族：B,Al,Ga,In 族：C,Si,Ge,Sn 族：P,As,Sb 族：N,S,Se,Te 元素半导体元素半导体 131420世

7、纪50年代初期：锗（Ge）60年代初期以后：硅（Si）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：室温下有较佳的特性；生长成本低；地表储量丰富，仅次于氧。1)、元素半导体-族-族-族-族-族-族金属氧化物 SiCInP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSGaN,AlN,InN

8、GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO2）、化合物半导体 1516可分类型：二元、三元、四元化合物 GaAs 、InP、 AlxGa1-xAs、MgZnO、 Gaxln1-xAsyP1-y、CIGS、IGZO等等3）、多元素半导体 合金半导体合金半导体非晶态半导体有机半导体 175 5、半导体材料的主要性质、半导体材料的主要性质室温下室温下纯纯Si 2.14105 cm掺入掺入10-6（原子比）（原子比）P原子原子 0.2 cmTkEexp0g纯纯Si，温度每增加，温度每增加8度，电阻度，电阻率相应

9、降低率相应降低50%左右左右 霍尔效应、磁阻效应。霍尔效应、磁阻效应。 CdS光敏光敏电阻电阻6 6、主要半导体材料的发展现状：、主要半导体材料的发展现状： 增大直拉硅单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。8英寸，12英寸已实现大规模生产，18英寸也进入生产，27英寸正在研制中。SiSi单单晶晶: :GaAs和 InP单晶： 世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低位错密度生长的23英寸的导电GaAs衬底材料为主。 InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快；但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单

10、晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。20GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010英国自然杂志报告说，美国伊利诺伊大学等机构研究人员研发出一种可批量生产 GaAs 晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使 GaAs 这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。 21l砷化镓的感光性能比硅更优良，理论上对阳光40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，l因此卫星和太空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板。然而，

11、传统的砷化镓晶片制造技术每次只能生成一层晶片，成本居高不下，限制了砷化镓的广泛应用。l 美国伊利诺伊大学等机构研究人员说，他们开发出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。22在半导体产业的发展中，三代半导体材料中，有代表性的是硅（Si）、砷化镓（GaAs)和氮化镓(GaN)。 硅、锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料；将宽禁带(Eg2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料。23半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料多以晶体

12、的形式存在。半导体与金属、绝缘体之间的界限也不是绝对的。l重掺杂半导体的导电性能与金属类似（可具有正l的电阻温度系数）；l在低于1K温度下，有些半导体（如GeTe、SnTe、SrTiO3等）可显示出超导性；l纯净的半导体材料在较低温度下（低于其本征激发温度）下就是绝缘体；l半导体材料并不仅限于固体，也有液态半导体。24半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。中国电子信息产品发展讯速，在2003年中国电子信息产业销售收入1.88万亿元，折合22002300亿美元，产业规模已超过日本位居世界第二，成为中国

13、第一大支柱产业。252627首批产品预计生产年份首批产品预计生产年份2005200820112014工艺代（特征尺寸工艺代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸晶片尺寸/mm300300300450去边去边/mm1111正表面颗粒和正表面颗粒和COP尺寸尺寸/mm50352525颗粒和颗粒和COP密度密度/mm-20.100.100.100.10表面临界金属元素密度表面临界金属元素密度/109at.mm-24.94.23.63.0局部平整度局部平整度/nm100706035中心氧含量中心氧含量/1017cm-39.0/15.59.0/15.59.0/15.59.0/15.5Fe浓度浓度/

14、1010cm-31111复合寿命复合寿命/s325350350400现代微电子工业对硅片关键参数的要求现代微电子工业对硅片关键参数的要求l材料的物理性质是产品应用的基础，l表1列出了三种常见半导体材料的物理性质及应用情况。l禁带宽度决定发射光的波长，禁带越大发射光波长越短(蓝光发射)；禁带越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。l电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能；l饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。 28表表1 主要半导体材料的比较主要半导体材料的比较 材料材料SiGaAsGaN物物理理性性质质禁带宽度（禁带宽度（ev）1.111.423.4饱和速率（饱和

15、速率（10-7cm/s）1.02.12.7热导（热导（W/cK）1.30.62.0击穿电压（击穿电压（M/cm）0.30.45.0电子迁移速率（电子迁移速率（cm2/Vs应用用情情况况光学应用光学应用无无红外红外蓝光蓝光/紫外紫外高频性能高频性能差差好好好好高温性能高温性能中中差差好好发展阶段发展阶段成熟成熟发展中发展中初期初期相对制造成本相对制造成本低低高高高高29l硅材料优点：储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易生长大尺寸高纯度晶体。l目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，处在成熟的发展阶段。l95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是

16、用硅材料制作的。l在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。Si30l GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能。lGaAs材料可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。l随着高速信息产业的蓬勃发展， GaAs材料成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。l其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。l但是，由于SiC材料的出现，人们对GaAs的兴趣降低了。GaAs3132宽带隙半导体材料：宽带隙半导体材料： 宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、

17、III族氮化物（GaN、SiN等）、碳化硅（SiC）、立方氮化硼以及II-VI族硫、锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。lGaN的热导率明显高于常规半导体。l这一属性在高功率放大器和激光器中是很起作用的。带隙大小本身是热生率的主要贡献者。在任意给定的温度下，宽带隙材料的热生率（单位体积的热流率）比常规半导体的小1014个数量级。这一特性在电荷耦合器件、新型非

18、易失性高速存储器中起很大的作用，并能实质性地减小光探测器的暗电流。GaN33lGaN的高介电强度（静态9.7-高频5.3）适合用于高功率放大器、开关和二极管。l宽带隙材料的相对介电常数比常规材料的要小，由于对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言是有利用价值的。l宽带隙半导体材料的电子迁移率一般低于多数常用半导体，其空穴迁移率一般较高。l石墨和金刚石电子迁移率则很高（15000 cm2/Vs）。34l宽带隙材料的高电场电子速度(饱和速度)一般较常规半导体高得多，这就使得宽带隙材料成为毫米波放大器的首选材料。 lGaN材料的禁带宽度（3.4eV)为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和

19、光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。 35l目前GaN的制造技术面临的最主要挑战是：l寻找适合GaN薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮化镓体单晶生长工艺。3637SiC单晶的研制已取得突破性进展。2、3英寸的4H和6H-SiC单晶与外延片，以及4英寸的4H SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件 的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。384H-SiC单晶能带宽度3.26eV，热导率3.7

20、W/cm.K,大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段。仍有很多关键问题没有解决,如GaN衬底，ZnO单晶簿膜和P型掺杂的制备， P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，IIVI族材料的退化机理等等。国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。39材料名称材料名称制作器件制作器件主要用途主要用途硅硅二极管、晶体管二极管、晶体管通讯、雷达、广播、电视、自动控制通讯、雷达、广播、电视、自动控制集成电路集成电路各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表整流器晶闸管整流器晶闸管整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器整流、

21、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器射线探测器射线探测器原子能分析、光量子检测原子能分析、光量子检测太阳能电池太阳能电池太阳能发电太阳能发电砷化镓砷化镓各种微波管各种微波管雷达、微波通讯、电视、移动通讯雷达、微波通讯、电视、移动通讯激光管激光管光纤通讯光纤通讯红外发光管红外发光管小功率红外光源小功率红外光源霍尔元件霍尔元件磁场控制磁场控制激光调制器激光调制器激光通讯激光通讯高速集成电路高速集成电路高速计算机、移动通讯高速计算机、移动通讯太阳能电池太阳能电池太阳能发电太阳能发电氮化镓氮化镓激光器件激光器件光学存储、激光打印机、医疗、军事应用光学存储、激光打印机、医疗、军事应用发光二极管发光

22、二极管信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话紫外探测器紫外探测器分析仪器、火焰检测、臭氧监测分析仪器、火焰检测、臭氧监测集成电路集成电路通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹表表2 半导体材料器件的主要用途半导体材料器件的主要用途402.22.2晶体基本结构晶体基本结构l2.2.1晶体结构知识l2.2.2金刚石结构和闪锌矿结构l2.2.3晶面及密勒指数理想晶体的原子排列具有周期性，或长程有序。1.晶格晶体中原子的周期性排列的具体形式称为晶格，晶格中的原子被抽象为一个点，称为格点。2.2.1、晶体结构知识

23、原子球的正方排列体心立方晶格的堆积方式2. 原胞一个晶格的最小的周期性单元。原胞示意图单胞（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，通常用来代表整个晶格。三个向量彼此间不需正交，长度也可不相等，基矢长度称为晶格常数 。acbacbRm anbp c3. 晶格基矢原胞的边矢量（单位矢量） 能通过平移画出整个点阵 的最小可能的矢量。kaajaaiaa3322111a2a3akaajaaiaa321简单立方：)(2)(2)(2321ikaakjaajiaa1a2a3a面心立方：)(2)(2)(2321kjiaakjiaakjiaa体心立方：

24、yxz立方晶系基本的晶体结构：立方晶系基本的晶体结构：44 简立方晶格 每个顶角有一个原子，且每个原子都有6个等距最邻近原子（如钋Po） 体心立方晶格 除顶角外在立方体中 心还有一个原子。且 每一原子有8个最邻近 原子 (如Na,W)yxzxzayzxy 面心立方晶格 简立方的六个面的中心各有一个原子，且每个原子有12个最邻近原子（如Cu，Al,Au,Pt、Si、Ge)在结晶学中，选某一格点为原点O，任一格点A的格矢为4. 格矢（平移矢量）332211alalalRA123, ,l l l321,aaa为对应晶轴上的投影，取整数，如果三个数是互质的。为晶轴上的单位矢量。5. 布拉菲格子点阵晶格

25、内部的结点在空间作规则的周期性的无限分布即为布拉菲格子点阵。466. 复式格子结点由两种或两种以上原子构成的基元，各种原子各自构成相同的布拉菲格子，但相互有一个位移，形成一个复式点阵。7. 晶列布拉菲格子的格点可以看成分布在一系列相互平行的直线系上，这些直线系叫晶列。晶列8. 晶向每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为332211alalalRA则晶向就用l1, l2, l3来标志，如果三个数是互质的，可以直接表示晶列的方向，写成l1 l2 l3称晶向指数。OABC100110111晶向481223ARaa晶向指数230491233ARaaa晶向指数3

26、11509. 晶面布拉菲格点还可看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面。密勒指数-晶面指数（h1h2h3）： | h1 | 、| h2 | 、| h3 |表示等距的晶面分别把基矢a1、a2、a3分割成多少个等份。晶面在三个轴上的截距倒数的互质数为晶面指数（h1h2h3）。(110)等效晶面数6个(111)等效晶面数4个(100)等效晶面数3个52立方晶格的几种主要晶面 53(100)面等效的晶面数分别为：3个。表示为100，晶面族。符号相反的晶面指数只是在区别晶体的外表面时才有意义, 在晶体内部这些面都是等效的。(110)面等效的晶面数分别为：6个。表示为110。(111)面等效的晶

27、面数分别为：4个。表示为111。5410. 倒格矢与真实空间的晶格对应，动量空间也有一套相应的点阵，即倒易点阵。X射线、透射电子显微镜等利用衍射得到的是倒格子信息。STM（扫描透视显微镜）得到的是真实空间结构。条件：条件：X射线源、观测点与晶体的距离都比晶体的线度射线源、观测点与晶体的距离都比晶体的线度大的多；大的多；入射线和衍射线可看成平行光线；入射线和衍射线可看成平行光线；散射前后的波长不变散射前后的波长不变,且为单色。且为单色。 从X射线衍射方程、反射公式引出倒格矢概念CO= -Rl S0 OD= Rl S衍射加强条件：衍射加强条件： CO + OD =Rl （ SS0 ）=有有：ko=

28、(2 / ) S0 k=(2 / ) S得得：Rl （ kk0 ）= 2 设设： kk0 =n Kh1）. 衍射方程CRlD衍射线单位基矢S OA入射线单位基矢S0晶面晶面58kk0 =n Kh的物理意义：当入射波矢和衍射波矢相差一个或几个Kh（倒格矢）时，满足衍射加强条件， n为衍射级数。2）. 反射公式反射公式 |kk0 |= 2 |S/ - S0 / | =( 4/ ) sin |kk0 | = | n Kh |= 2n/dh1h2h3 | Kh |= 2/dh1h2h3PATAPQQSd入射线与反射线之间的光程差：入射线与反射线之间的光程差： =SA +A T=2d sin 满足衍射方

29、程：满足衍射方程：2dh1h2h3 sin =n kk0kk060物理意义：从2dh1h2h3 sin =n 中可知：对于某一个确定的晶面族，要满足衍射加强条件，可以改变入射波矢的方向，即改变，或改变入射波矢的大小，即改变。设一晶格的基矢为设一晶格的基矢为 a1 、 a2、a3，有如下的关系：有如下的关系： b1= 2 (a2 a3) 说明说明b1垂直于垂直于a2和和a3所确定的面；所确定的面； b2= 2 (a3 a1) 说明说明b2垂直于垂直于a3和和a1所确定的面所确定的面 b3= 2 (a1 a2 说明说明b3垂直于垂直于a1和和a2所确定的面所确定的面 式中：式中： = a1 ( a

30、2 a3)为晶格原胞的体积为晶格原胞的体积V。3）、倒格子的概念VaaaaaaabVaaaaaaabVaaaaaaab213212131332113232321321222222正空间基矢 与倒空间基矢 关系：321,aaa321,bbb另外，正空间基矢与倒空间基矢关系：333211332211,bnbnbnGamamamRNmnmnmnGR2)(23322111或GRie倒格子倒格子：以以b1、b2、b3为基矢的格子是为基矢的格子是 以以a1、a2、a3为基矢的格子的倒格子。为基矢的格子的倒格子。（1） 正格子基矢和倒格子基矢的关系2. 正格子与倒格子的几何关系 =2 (i=j) aibj=

31、2i j =0 (ij)证明如下： a1b1=2 a1 ( a2a3) / a1 ( a2a3) = 2 因为倒格子基矢与不同下脚标的正格子基矢垂直，有： a2b1=0 a3b1=0 （2）除（）除（2 ）3因子外，正格子原胞体积因子外，正格子原胞体积 和倒和倒格子原胞体积格子原胞体积 *互为倒数互为倒数。 *=b1 ( b2 b3) = (2 ）3/ （3）正格子中一族晶面（h1h2h3）和倒格矢 k h=h1b1+h2b2+h3b3 正交，即晶面的弥勒指数是垂直于该晶面的最短倒格矢坐标.（4）倒格矢的长度正比于晶面族（h1h2h3）的面间距的倒数。dh1h2h3=a1/h1kh/|kh|=

32、a1(h1b1+h2b2+h3b3)/h1|kh|=2/|kh|65由上可知：一个倒格矢代表正格子中的一族平行晶面 。 晶面族（h1h2h3）中离原点的距离为 d h1h2h3的晶面的方程式可写成： R l kh/|kh|= d h1h2h3 (=0,1,2,)得出正格矢和倒格矢的关系： R l kh= 2 结论：如果两矢量的关系满足：R l kh= 2，则其中一个为正格子，另一个必为倒格子；即正格矢和倒格矢恒满足正格矢和倒格矢的关系。结论：倒格矢Kh垂直某一晶面（ h1h2h3 ），也即该晶面的法线方向与此倒格矢方向一致。 倒格矢Kh的大小与和其垂直的晶面间距倒数成正比。dh1h2h3=2/

33、|kh| 一个倒格矢对应一族晶面，但一族晶面可以对应无数个倒格矢，这些倒格矢的方向一致，大小为最小倒格矢的整数倍。 满足X射线衍射的一族晶面产生一个斑点，该斑点代表一个倒格点，即该倒格点对应一族晶面指数。 每个晶体结构有两个点阵：晶体点阵和倒格子点阵，正格子点阵是真实每个晶体结构有两个点阵：晶体点阵和倒格子点阵，正格子点阵是真实空间的点阵，倒格子点阵是在波矢空间的点阵。空间的点阵，倒格子点阵是在波矢空间的点阵。结晶学家喜欢用正格子，结晶学家喜欢用正格子，而物理学家喜欢用倒格子，而物理学家喜欢用倒格子，因为它在数学处理上具有优越性。因为它在数学处理上具有优越性。 两个点阵的基矢具有一定的几何关系

34、（包括方向、大小）。两个点阵的基矢具有一定的几何关系（包括方向、大小）。 倒格子原胞的选取：作由原点出发的诸倒格矢的垂直平分面，为这些平面倒格子原胞的选取：作由原点出发的诸倒格矢的垂直平分面，为这些平面所完全封闭的最小体积所完全封闭的最小体积-第一布里渊区第一布里渊区。其体积与正格子体积成正比。其体积与正格子体积成正比。 衍射条件：入射波矢和反射波矢之差为该平面族所对应的倒格矢的整数倍。衍射条件：入射波矢和反射波矢之差为该平面族所对应的倒格矢的整数倍。 晶体衍射的过程就是把正格子中一族晶面转化为倒格子中的一点的过程。晶体衍射的过程就是把正格子中一族晶面转化为倒格子中的一点的过程。倒格矢与晶面间

35、距 dd2nG纳米ZnO的XRD及TEM正格子中的一族晶面转化为倒格子中的一点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1/4。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。69金刚石结构2.2.2 金刚石结构和闪锌矿晶格结构闪锌矿晶格结构70vSi,Ge,C 等IV族元素，原子的最外层有四个价电子v金刚石正四面体结构：每个原子周围有4个最近邻的原子。71金刚石晶格结构：复式晶格。SiGeGaAs C金刚石金刚石 5.430895.657545.6419 3.567 5X1022

36、4.42X1022晶格常数晶格常数 a ()原子密度原子密度金刚石与石墨金刚石与石墨l金刚石晶体结构为：正四面体、FCC，碳原子位于FCC点阵的结合点和四个不相邻的四面体间隙位置。碳原子之间都由共价键结合，因此金刚石硬度高，结构致密，不导电。l石墨晶体结构为：简单六方点阵层状结构，碳原子位于点阵结点上，同层原子之间由共价键结合，邻层之间由范德华力结合，因此石墨组织稀松，有一定的导电性，常用作润滑剂。7273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)。闪锌

37、矿结构ZnS74晶格由两种不同原子组成的面心立方晶格套构而成。IIIV族化合物，每个原子被四个异族原子包围。共价键中有一定的离子性，称为极性半导体。ZnO,GaAs, InP属于闪锌矿晶格结构(Zincblende Structure),双原子复式格子75金刚石结构和闪锌矿结构的区别金刚石结构和闪锌矿结构的区别l不同：金刚石结构由两种相同的原子组成，闪锌矿结构由两类不同的原子组成。l相同：都由两面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。看P21-23 例1、22.2.3 晶面及密勒指数晶面及密勒指数晶面晶面：晶格的格点可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面

38、。76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各不相同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有重要关联。密勒指数（Miller indices）：界定一晶体中不同平面的方法。可由下列步骤确定：1.找出平面在三坐标轴上的截距值r、s、t（以晶格常数为单位）；2.取这三个截距的倒数，并将其化简成最简单整数比 : ；h、k、l为互质的整数，3.以（hkl）来表示单一平面的密勒指数。1 1 1:h k lrs tP23 例32.2.3 晶面及密勒指数77以下是一些其他规定：1.(hkl)：代表在x轴上截距为负的平面，如(100)。2.hkl：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，3.可用10

39、0表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)；4.hkl：代表一晶体的方向，如100表示x轴方向。100方向定义为垂直于(100)平面的方向，而111则为垂直于(111)平面的方向。78_l：代表等效方向的所有方向组，如代表100、010、001、 100、010、001 。79(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(110)yxzaaaO(111)yxz_80l1、硅材料的制备、硅材料的制备l硅晶体、目前占电子工业半导体材料的95%。高纯度的硅砂与不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应：( )2( )( )( )( )SiC sSiOs

40、Si sSiO gCO g此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应，生成三氯硅烷：32( )3( )300( )( )Si sHCl gCSiHCl gHgSiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级硅，32( )( )( )3( )SiHCl gHgSi gHCl g晶格常数晶格常数=0.5430nm=0.5430nm223385.00 10 cma930.23557 104am原子间最短距离（将原子看成刚性球），原子间最短距离（将原子看成刚性球），原子密度，原子密度，l 硅晶格的一些理论数据硅晶格的一些理论数据 共价半径，共价半径，990.23557 100.117 102m硅原子

41、核硅原子核K K层层L L层层M M层层硅原子及其电子组态和表示方法硅原子及其电子组态和表示方法 Si Si+ + 半径半径.039nm.039nm 1414个核外电子组态个核外电子组态1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p2 2 价电子组态价电子组态3s3s2 23p3p2 22 2、半导体材料制备技术发展、半导体材料制备技术发展： 196019508319701960硅外延技术 1963年 用液相外延法生长砷化镓外延层，半导体激光器1963年砷化镓微波振荡效应 1965年J.B.Mullin发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶841）.硅、锗单晶生长的直拉法直拉法又称柴

42、可拉斯基法(Czochralski)，简称CZ法,是生长半导体单晶的主要方法。生长方法： 在直拉单晶炉内，向盛有熔硅（锗）坩埚中，引人籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。直拉单晶炉及其热系统直拉单晶炉的结构如图所示86晶体拉晶仪的三个主要部分：炉子：坩埚、石墨基座、旋转机械、加热拉晶机械：子晶夹持器与旋转装置控制系统：进气、排气、流量控制。整个仪器的微机控制系统。在晶体生长过程中，籽晶方向、熔化、提拉速度、外加磁场等都很重要。单晶炉单晶炉89一个合理的热场，必须使熔体的任何部分都高于熔点。要求： 熔体纵向温度梯度 径向温度梯度 晶体中温度

43、梯度0)(LdzdT0)(LdrdT0)(SdzdT一台好的单晶炉除了有平稳的机械系统、方便的供水系统、供电加热及自动控制系统、抽真空与充气系统等几部分外，关键是要有一个合理的热场。它应保证熔体的任何部分不产生新的晶核，从而使单晶能顺利长大。2） 直拉法单晶生长工艺直拉法工艺流程单晶生长：下种（润晶）引晶缩颈放肩等径生长收尾拉光润晶：当熔体温度稳定在稍高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体 熔接。92l1、金刚石共价键结构：l2、闪锌矿共价键结构： 但存在微量离子键成分l3、热激发载流子： 电子与空穴2.4.1、金刚石共价键结构：、金刚石共价键结构：在金刚石中，每个碳原子都以SP3杂

44、化轨道与另外4个最邻近的碳原子形成共价键，构成正四面体。这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。由于金刚石中的C-C键很强，键长0.154nm，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。44444（a）四面体结构的二维空间结构图94 共价键产生在两个相同元素的原子间，或具有相似外层电子结构的不同元素原子之间，每个原子核拥有每个电子的时间相同。然而这些电子大部分的时间是存在两个原子核间。原子核对电子的吸引力使得两个原子结合在一起。右图是其二维空间结构简图。右图是其二维空间结构简图。（b）四面体结构2.4.2.2.4

45、.2.闪锌矿共价键闪锌矿共价键结构结构砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga离子与其四个邻近As离子或As离子与其四个邻近Ga离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时间比在Ga原子中稍长。 （a）四面体结构的二维空间结构图（b）四面体结构 2.4.3 2.4.3 、热激、热激发发载流子载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法参与导电。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空位。此空位可由邻近的一个电子填满，从而产生空

46、位的移动，并可以被看作是与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。 97l2.5.1、孤立原子的能级l2.5.2、原子能级分裂成能带l2.5.3、电子共有化运动l2.5.4、能量-动能图l2.5.5、绝缘体、半导体、导体的能带l2.5.12.5.1、孤立原子的能级、孤立原子的能级 对一孤立原子，电子的能级是分离的。例如，孤立氢原子的玻尔能级模型： 其中，m0是自由电子的质量，q是电荷量，0是真空介电常数，h是普朗克常数；n是正整数，称为主量子数。 当主量子数高时（n2），由于角量子数（l=0，1，2，n-1）的关系，能级会分裂。l2.5.2、原子

47、能级分裂成能带 N个原子形成一固体，能级将分裂成N个接近的分离能级。当N很大时，将形成一连续能带。此N个能级可延伸几个电子伏特，视晶体内原子的间距而定。如右图所示，a代表平衡状态下晶体原子的间距。 两个相同原子距离很远时，对同一个主量子数（如n=1），其能级为双重简并，即2个原子具有相同的能量。但当两个 原子接近时，由于两原子间的交互作用，会使得双重简并能级一分为二。图2.13 简并能级分裂成一允带半导体中实际能带的分裂更为复杂 其中10个电子占据深层能级，它们的电子轨道比晶体中的原子间距小得多 其余4个价电子的结合相当微弱，且可以参与化学作用。因为2个内层价电子被完全占据，且与原子核紧密束缚

48、，因此只需考虑外层的价电子。下图为拥有14个电子的孤立硅原子图2.14 一孤立硅原子的图示101原子能级分裂为能带的示意图lN个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。能级的分裂和能带的形成能级的分裂和能带的形成 当原子间距离缩短时，N个硅原子的3s及3p副外层将彼此交互作用及重叠。在平衡状态下的原子间距时，能带将再度分裂，使得每个原子在较低能带（即价带）有4个量子态，在较高能带（即导带）也有4个量子态。图2.15 孤立原子聚集形成金

49、刚石晶格的能带形成图下图是N个孤立硅原子形成一硅晶体的能带形成图。103 绝对零度时，电子占据最低能态，因此价带所有能态将被电子填满，而导带所有能态将没有电子，导带的底部称为EC，价带的顶部称为EV。导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔(EC-EV)称为禁带宽度Eg，如图所示。价带中的电子跃迁到导带所需要的能量。1042.5.3、电子共有化运动、电子共有化运动2p3s3s3s3s2p2p2p原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由 一个原子转移到相邻的原子中去，可以在整个晶体中运动。称为电子的共有化运动。电子的共有化运动。1051、晶体电子兼有、晶体电子兼有原子运动

50、原子运动和和共有化运动共有化运动原子运动原子运动 电子在原子核周围作局域运动电子在原子核周围作局域运动共有化运动共有化运动 电子在电子在不同原子的相同轨道不同原子的相同轨道上转移上转移2、不同轨道电子的共有化运动程度不同（附图如后）、不同轨道电子的共有化运动程度不同（附图如后）内层电子内层电子 弱弱外层电子外层电子 强强3、 共有化运动是晶体电子运动的特征，也是使晶体原子相共有化运动是晶体电子运动的特征，也是使晶体原子相互结合形成周期性晶格的原因互结合形成周期性晶格的原因4、 电子共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的电子共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠形成的。交叠形成的。1065、共有化运动的强弱、共有化运动的强弱 决定于决定于 形式（扩展形式（扩展性）（原子的相互作用势）性）（原子的相互作用势）u=-A/rm