半导体器件物理（第2版） 第1章 半导体特性

理解物质按导电能力的分类掌握半导体的电性能0102一、物质的分类物质按导电能力分类导体：电阻率小于10-6Ω∙cm；绝缘体：电阻率大于104Ω∙cm；半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间。随着温度的升高，半导体的导电能力会有所加强，电阻率会下降。二、半导体的电性能热敏特性50%室温温度+8℃硅的电阻率变化1掺入磷、硼等微量杂质，使半导体的电阻率下降。二、半导体的电性能掺杂特性纯硅掺百万分之一的磷硅的电阻率变化214000Ω∙cm0.2Ω∙cm对半导体施加适当波长的光照，可以改变半导体的导电能力，使其电阻率下降。二、半导体的电性能光敏特性无光照受光照硫化镉的电阻值变化几十兆欧几十千欧理解晶体的分类掌握重要的半导体晶格结构0102固体分类一、晶体的分类晶体非晶体单晶多晶二、晶格结构表示原子在晶体中排列规律的空间架构叫晶格，晶胞是晶格结构中最小的周期性重复的单元。晶胞的边长称为晶格常数，通常用a表示。二、晶格结构在器件和集成电路制造中使用的一些重要的半导体具有属于四面体的金刚石或闪锌矿结构，即每个原子被位于正四面体顶角的4个等价紧邻原子包二、晶格结构可以认为，金刚石和闪锌矿晶格是两个面心立方晶格沿空间对角线错开1/4空间对角线长度相互嵌套而成的。二、晶格结构对于金刚石晶格（如硅、锗），所有原子都是相同的；对于闪锌矿晶格（如砷化镓），两个嵌套的面心立方晶格由不同的原子组成。主讲人：徐振邦了解描述晶格的基本方法掌握晶向、晶面的概念和计算方法熟记常见的晶向和晶面010203

晶体是由晶胞周期性重复排列而成，整个晶体就像是网格，称为晶格。

组成晶体的原子或离子的中心位置称为格点，格点的总体称为点阵。一、描述晶格的基本方法XYZaa

bc

晶

轴按其晶胞的三维结构建立坐标轴；一般以晶格常数a作为晶轴的长度单位。一、描述晶格的基本方法二、晶向的概念与计算zybacl1x2ll3ORP

R

l1a

l2b

l3c若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=

m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。二、晶向的概念与计算XYZaa

R

aa

ab

aca

:

a

:

a

1

:

1

:

1三、晶面的概念与计算晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数来表示晶面的不同取向。XYZa三、晶面的概念与计算首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。然后取截距的倒数，并化简成最简单的整数比。最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的晶面指数。三、晶面的概念与计算a3axyz2a0:1

:

1 1a 3a 2a

6

:

2

:

3解：答：该晶面的晶面指数为：（623）四、三种重要的晶面和晶向XZaXYZaY[100](100)立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶面是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。四、三种重要的晶面和晶向YXZaaXYZaa[111](111)四、三种重要的晶面和晶向YZaaYXZaa[110]X(110)沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同，这就是晶体的各向异性。理解电子的共有化运动理解能带的形成0102

理解禁带、价带、导带、禁带宽度等概念03一、能级理论电子层能级电子数最多容纳电子数n=11s22n=22s2p2683s2n=33p6183d10一、能级理论跃

迁高能级低能级二、电子的共有化运动由于晶体中各原子靠得很近，引起各原子外层价电子的运动区域相互重叠起来，使价电子的运动区域在晶格中连成一片。二、电子的共有化运动当大量原子组成晶体时，其外层价电子不再束缚于某一原子周围，而可以在整个晶体中运动，这些电子成为整个晶体所共有，这就是电子的共有化运动。二、电子的共有化运动

电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的能级之间发生转移。三、能带的形成能级原子轨道允带允带禁带允带禁带能带(有N个能级)价没有带电上子面填的充第的一能个空带，带称，为称空为导带带价电子所在能级分裂而形成的能带四、能带的概念被电子全部填满的能带，称为满带江苏信息五、半导体能带图左下图表示具有金刚石结构的晶体的价电子填充能带的情况，图中的价带是满带。价带顶Ev和导带底Ec之间的区域称为禁带，其能量间隙称为禁带宽度，用符号Eq表示。EcEvEg导带价带EvEgEc简化画法掌握载流子的概念掌握本征激发的概念理解本征半导体的导电机制010203一、本征半导体目前主要的半导体材料硅、锗都是Ⅳ族元素。以硅为例，每个硅原子和近邻的四个硅原子由一对电子构成共价键。正是靠共价键的作用使原子紧紧结合在一起，构成晶体。二、载流子的概念因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个空位，从而使空位转移到相邻共价键上去，所以，空位也是可以移动的。这种可以自由移动的空位被称为空穴。电子和空穴统称为载流子。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi三、本征半导体的导电机制SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi三、本征半导体的导电机制半导体的禁带宽度比较小，常温常压下，硅的Eg值约为1.12eV，锗Eg值为0.67eV，而砷化镓为1.42eV。在常温下，半导体中已有不少电子吸收晶格振动能量，激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。三、本征半导体的导电机制本征激发的特点是每当有一个电子激发到导带，同时在满带中出现一个空穴，因此，本征激发的电子和空穴是成对产生的，导带电子和价带空穴的数目总是相等。n

p

ni其中，n指导带电子浓度，p指价带空穴浓度，而ni是指本征载流子浓度。了解半导体材料中杂质的来源理解间隙式杂质的概念理解替位式杂质的概念010203半导体原材料本身纯度不高。一、了解半导体材料中杂质的来源半导体器件制备过程中沾污。为改变电性能人为掺入杂质。二、理解间隙式杂质的概念原子占总体积的34%，其余66%是空隙。SiSiSiSiSiSi Si Si Si SiSi Si Si Si Si间隙式杂质的原子半径一般比较小，如Li离子。三、理解替位式杂质的概念替位式杂质原子的半径和价电子壳层结构与被取代的晶格原子相近，如Ⅲ族（B）、Ⅴ族（P）元素原子在硅、锗晶体中都是替位式杂质。01

理解施主杂质、受主杂质的概念02

理解杂质能级和杂质电离的概念

N型、P型半导体的概念；多子、少子的概念03一、施主杂质与能级SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSieSiPSi

施主杂质一个Ⅴ族杂质原子，如磷，可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为一个带正电的离子，这种杂质称为施主杂质。EcEvDEgED

E施主能级和施主电离施主能级ED施主杂质电离能获得能量电离成为导带电子一、施主杂质与能级N型半导体P

SiSieSiSi电子硅的原子数密度约为5ⅹ1022个/立方厘米，即使掺杂浓度仅为百万分之一的话，磷的浓度也将达到5ⅹ1016个/立方厘米，常温下可认为全部电离，产生的自由电子浓度比本征激发产生的自由电子浓度（约1.5ⅹ1010个/立方厘米）大得多。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，我们把主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体（negative)。N型半导体中的电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称为少子。一、施主杂质与能级二、受主杂质与能级SiSiSiSiSiSiSiSiSi

eSiSiSiSBi

受主杂质一个Ⅲ族杂质原子，如硼，可以接受一个电子成为带负电的离子，并向半导体硅提供一个空穴，通常把这种杂质叫受主杂质。受主能级和受主电离二、受主杂质与能级EcvEEAEg

A

E受主能级EA受主杂质电离能成为价带空穴获得能量电离P型半导体当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，我们把主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体(positive)。P型半导体中的空穴是多子，电子是少子。B

SiSiSiSiSiSiSiSi

e空穴二、受主杂质与能级理解杂质的补偿作用01

0

2

理解杂质补偿作用在器件制造中的应用一、什么是杂质补偿作用如果在半导体材料中，同时存在着施主杂质和受主杂质，他们之间在改变半导体材料导电能力上具有相互抵消的作用，这种作用称为杂质的补偿作用。

补偿的现象是因为导带和施主能级的能量比价带和受主能级的能量高得多。所以，在导带或施主能级上的电子总是要首先去填充那些空的受主或价带能级。二、杂质补偿作用的解释AEvND>NA自由电子浓度：

ND—NAEcEDNDNA

END表示施主杂质（donor）浓度NA表示受主杂质（acceptor）浓度二、杂质补偿作用的解释NA>

NDEcND

EDNA

EAEv空穴浓度：

ND—NA一、施主杂质与能级N+硅衬底N外延层NP硼杂质补偿过程中如果出现NA≈ND，称为高度补偿或过度补偿，这时施主和受主杂质都不能提供载流子，载流子基本源于本征激发。PN+磷N

高度补偿材料质量不佳，不宜用来制造器件和集成电路。了解缺陷的分类理解点缺陷、线缺陷的成因0102江苏信息一、什么是缺陷在半导体材料的某些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏，从而形成各种缺陷。点缺陷线缺陷面缺陷缺陷空位间隙原子二、点缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。二、点缺陷晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。AB三、线缺陷-位错b位错就是晶体的滑移现象，晶体内部原子相互排列的位置并没有发生畸变。四、面缺陷-层错采用外延技术生长晶体时，一旦遇到衬底表面上存在结构缺陷或者外来杂质原子时，

就有可能失去正常的原子面的堆叠次序，

从而产生出外延层错。Si片在进行高温热氧化时，在其内部会产生出大量的间隙硅原子，系统能量的降低驱使这些间隙硅原子趋向于集合在一起成一个原子面时，就产生出热氧化层错。理解热平衡状态理解费米能级的概念理解费米能级的物理意义010203

在一定温度下，半导体依靠本征激发和杂质电离产生导电电子和空穴。然而，在载流子产生的同时，电子也可以从高能级跃迁到低能级，并向晶格放出一定的能量。从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少，这一过程称为载流子的复合。

在一定温度下，单位时间内产生的电子-空穴对数等于复合掉的电子-空穴对数，称为热平衡状态。一、热平衡状态二、费米能级的导入EcEFEvFEEF本征半导体轻掺杂N型

重掺杂N型

重掺杂P型轻掺杂P型EcEvEcEvEcEFEvEcEFEv费米能级

EF

就是用来表达电子填充能带水平高低的一个概念。三、费米能级的物理意义EcEFEvEF本征半导体轻掺杂N型

重掺杂P型轻掺杂P型EcEFEvEcEvEcEFEvEcEFEv重掺杂N型

费米能级不代表电子的量子态。费米能级的位置反映掺杂的类型。费米能级还能反映掺杂浓度的高低。掌握费米分布函数表达式01理解费米分布函数的物理意义02一、费米分布函数1kT1

exp(E

EF)f(E)

函数表达式

f

(E)

是指一个能量为E的能级被电子占据的几率（可能性）。

式中，EF

是费米能级，k

是玻尔兹曼常数（1.38ⅹ10-23J/K），T

是热力学温度；exp(� )=� �二、费米分布函数的物理意义1.费米能级是基本上填满和基本上空的能级的分界线1kT1

exp(E

EF)f(E)

若

E=EF可得� (�

)=1/2能量为EF

的能级，被电子填充的可能性是1/2。EF

以下的能级基本上被电子占据。E

EF

3kT f(E)

4.8%EF

以上的能级基本上是空的E

EF

3kTf(E)

95%二、费米分布函数的物理意义2.导带和价带中的载流子分布情况EvEcEF除了掺杂浓度特别高的情况外，费米能级EF总是在禁带之中，导带能级在EF之上，价带能级在EF之下。所以，导带能级“基本上空”，而价带能级“基本上满”。导带没有电子或电子数目很少，价带没有空穴或空穴很少？因为导带和价带中能级数量都是十分大的，所以导带电子和价带空穴数量依然可以很多。二、费米分布函数的物理意义对导带来说，E-E

F

>>kT，则导带能级被电子占据的几率为：kT

exp(

E

EF

)11

exp(

E

EF

)f(E)

导带电子集中于导带底kT对价带来说，EF

-E>>kT，则价带能级被空穴占据的几率为：kT1

exp(

E

EF

)exp(E

EF

)1

f

(E)

kT

exp(E

EF

)价带空穴集中于价带顶kT玻尔兹曼分布函数江苏信息理解非平衡载流子的复合过程01掌握非平衡载流子寿命的概念02江苏信息平衡状态下一、非平衡载流子的复合过程复合=产生非平衡状态下

由于多余的非平衡载流子的存在，电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相互遭遇而复合的机会也将成比例地增加，因此，这时复合将要超过产生而造成一定的净复净合复，合即=

复合-

产生

dt

d

p

p-)

tp)0

exp(-

p(t)

(

0(

p)t二、非平衡载流子的寿命

p0

p

dtd

p

p0

是

t=0（外界作用撤除时）时的载流子浓度，上式表明，非平衡载流子的浓度随时间按指数规律衰减。二、非平衡载流子的寿命0t

p(

p)0e(

p)0

)

t0

p(t)

(

p) /

e

p(t)

(

p)0

exp(-当t

时可见，τ

是非平衡载流浓度减小到原来的1/e所经历的时间常数。进一步计算表明，τ是非平衡载流子平均生存的时间，称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一。了解复合的分类0102

理解直接复合、间接复合的机制了解表面复合的概念03一、复合的分类直接复合是电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起电子-空穴的消失。间接复合指电子和空穴通过禁带中的能级进行的复合。体内复合表面复合俄歇