第一章 半导体晶体结构(2012年版)

1、半导体物理,刘玉荣,华南理工大学电子与信息学院,phlyr,以硅为代表的半导体材料在电子信息技术、产业中的应用使人类社会已进入了信息社会, 进入了网络化时代. 在全球信息化和经济全球化的进程中, 以通信业、计算机业、网络业、家电业为代表的信息技术和信息产业获得了迅猛发展，而信息技术的迅速发展依赖于半导体技术的迅猛发展，所以说，半导体技术是信息技术的基石。,半导体材料,硅,锗,砷化镓,聚噻吩类,C60,并五苯,石墨烯,半导体器件,生物芯片,半导体材料与器件的应用,微观小电子能够改变宏观大世界,半导体特性的研究历程：,1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的上 升而降低。这是半导体现象

2、的首次发现。,1839年法国贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结， 在光照下会产生一个电压，后称为光生伏特效应。,1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电 场的方向有关，呈现出整流效应 。,1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的 光电导效应,1787年硅在岩石被发现，1823年硅首次作为一种元素被发现。,二十世纪30年代开始对半导体基本物理特性（如能带结构、 电子跃迁过程等）作系统性研究，对半导体光电特性研究。,2004年石墨烯材料成功制备，仅一个原子厚，可用于制作一 个分子大小的单电子晶体管，制作的芯片将具有更高速度， 更低能耗。,1987年科学家发现通过掺

3、杂可以使聚乙炔膜的电导率提高 12个量级，由绝缘变成异体，从此掀起了有机半导体的 研究热潮。其研究工作包括有机高分子材料、有机小分 子材料和有机分子晶体材料的电学、光学等性质。,硅,硅谷,硅时代,碳时代,1886年德国化学家文克勒尔用光谱分析法首先发现Ge，40年 后发现其有优异的半导体性能。,半导体的概念及分类：,导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。电阻率在10-4-1010 cm.,半导体分类： 元素半导体和化合物半导体 晶态半导体、非晶及多晶半导体 无机半导体和有机半导体 本征半导体和杂质半导体,半导体物理发展进程：,1、半导体物理的发展序幕晶态半导体物理,2、原子排列从有序

4、向无序的转变非晶态半导体物理,3、材料性质从体内向表面的转变半导体表面物理,4、能带特征从自然向人工的转变半导体超晶格物理,5、体系结构从三维向零维的转变纳米半导体物理,6、元素组成从原子向分子的转变有机半导体物理,半导体物理学的研究内容：,研究半导体的各种物理性质、效应及其内在规律的一门学科。主要内容包括： 1）半导体材料结构及能带结构； 2）半导体中载流子形成机理及电导特性； 3）半导体中载流输运及其规律； 4）金属与半导体接触特性及机理； 5）半导体的光电效应及机理。,本课程特点：基础性、抽象性、理论性,第1章 半导体晶体结构,本章要点： （1）熟悉晶体空间结构的描述方法及相关的基本概念

5、； （2）掌握晶列指数和晶面指数的概念及标示方法； （3）理解倒格子、布里渊区的概念； （4）理解晶体的结合类型，结合力的一般性质 ； （5）了解晶体中缺陷的种类、来源及影响； （6）了解合金的概念、种类及合金相图。,晶体结构,能带结构,物质性质,晶态半导体特性差异的本质：,半导体的基本特性： 温度效应-负温度系数 掺杂效应-杂质敏感性 光电效应-光电导 电场、磁场效应,1.1 晶体结构的基本概念,晶体是由完全相同的原子、分子或原子团在空间有规则地周期性排列构成的固体材料.,固体,晶体,多晶体,非晶体,晶体,多晶体,非晶体,准晶：似晶非晶，有序、无平移对称性,准晶,晶体的各部分名称,晶面：围成

6、多面体的面,晶棱：晶面间的交线,晶带：交线互相平行的晶面的组合,带轴：互相平行的晶棱的共同方向,晶体的宏观特性,晶轴：重要的带轴,同一品种的晶体，生长条件不同，外形可以不同。,晶面角守恒定律：同一品种的晶体，生长条件不同，外形可以不同。但两个对应晶面（或晶棱）夹角恒定不变。,晶体的宏观性质,外廓多为凸多面体，一般有规则的几何外形 有解理性：外力作用下沿着某一或几个确定方位晶面劈裂开的性质，劈裂面为解理面。解理面一般面密度较高（面间距大）。 各向异性：晶体的理化学性质与方向有关的现象 如压电、光、热等物理性质；腐蚀等化学性质 有固定的熔点,NaCl的晶体结构,结点示意图,空间点阵和晶格,基元：构

7、成晶体的完全相同的原子、分子或原子团. 格点(结点、阵点、点子)：基元抽象而成的几何点，是基元的重心或相同原子的位置。 空间点阵：格点在空间周期性排列构成空间点阵。 晶格：用平行的直线连接所有格点所形成的网格。,晶体的微观结构,结点的特点：,空间点阵的特点：,布喇菲格子：由一种相同的原子组成，点阵中每个格点的周围环境相同（几何形状或物理性质）。,晶格原胞,复式格子：晶体基元由两种以上原子组成，每种原子各构成同样的晶格，但彼此有一相对位移，亦即由若干相同的布喇菲格子互相套构而成。,按照晶体的具体结构，晶格分为两大类：,固体物理学原胞（初基原胞或原胞）,结晶学原胞（晶胞）,指晶格中能同时反映周期性

8、和对称性的重复单元,晶胞特点：,典型的晶体结构,基矢为：,每个原胞包含1个格点。原胞体积为：a3.,基矢为：,每个晶胞包含2个格点。,晶列指数和晶面指数,晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。,晶面：在一个晶格结构中通过任意不在同一晶轴上的 三个结点构成的平面 晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的组合,图1-6 晶列和晶列族,1）晶列的标示方法,（1）用固体物理学原胞基矢表示：以某一结点为原点(o)，另一结点(A)的位矢可表示为,图17 晶列OA的位矢,式中： ， ， 为固体物理学原胞基矢坐标单位矢量； ， ， 为简约互质整数。,所以，表示晶列O

9、A取向的晶列指数可标示为,（2）用结晶学原胞基矢表示：从原点O到结点A的位矢为,式中： a ，b ，c 为结晶学原胞三个坐标轴基矢； ， ， 为有理数，可化为三个互质 整数m，n，p，并使,这样，表示晶列OA取向的晶列指数可标示为,图1-6表示了不同晶列族的晶列指数。,设 ， 和 为某一晶面的截距，如图18 所示。n是晶面法线方向的单位矢量 ， ， ，为晶面法线的方向余弦。 则有：,2）晶面的标示方法,（1）用固体物理学原胞基矢为坐标轴表示：,图18 晶面在坐标轴上的截距,其中D为晶面离开原点的距离。所以有：,假设 ， ， 为该晶面族中最靠近原点的晶面的截距，其中h1，h2，h3必为整数。所以

10、有：,因而,，,，,所以，晶面的法线方向可表示为(h1h2h3)，即晶面指数。,（2）用结晶学原胞基矢为坐标轴表示：,某一晶面的坐标轴的截距的倒数可以化为互质整数h k l(密勒指数)来表示晶面的指向，用符号(h k l)来表示晶面(如下各图)。,解理面：晶体沿某一确定方向的晶面所具有劈裂的性质称为晶体的解理性，这样的晶面称为解理面。,倒格子、布里渊区,正格子:晶体结构在几何坐标空间的数学表现形式。,倒格子：晶体结构在波矢（ ）空间（即状态空间）的描述形式。,正格子与倒格子相互关系：,设由,决定的格子称为正格子。,则满足下述关系：,0,的 、 、 称为倒格子基矢，,由,(h1,h2,h3为任意

11、整数),决定的格子称为倒格子。,正、倒格子关系：,( 为整数),可推证：,布里渊区：,在倒格子中，以某一倒格点为原点，从原点出发作所有倒格点的位置矢量 (倒格矢)的垂直平分面，这些平面把倒格子空间分割为许多部分，第一布里渊区是从原点出发不跨过任何垂直平分面的点的集合。据此有第二、第三、第n布里渊区。,对于任意倒格矢 ，其垂直平分面的方程为,是倒格子空间矢量，满足上式的 的端点均在 的垂直平分面上。,作 业 题,3.,4、画出二维正方格子的第一、二布里渊区。 （正方格子基矢：a1=ai，a2=aj),按原子结合力的性质分：,1.2 晶体的结合,1. 晶体的分类,（1）离子晶体正负离子交替排列在晶

12、格格点上， 依靠离子键结合成。,（2）原子晶体晶格格点上交替排列的是原子， 依靠共价键结合而成。,（3）金属晶体晶格格点上排列着失去价电子的 离子实，依靠金属键结合而成。,（4）分子晶体占据晶格中格点位置的是分子或 饱和原子，依靠范德瓦耳斯力结合而成。,(5) 氢键晶体通过氢键的作用而构成的晶体.,设两个原子间距为r，其相互作用能可表示为：,2. 晶体的结合,式中：a，b，m，n是特征常量，第一项是吸收能，第二项是排斥能。,晶体中质点结合依靠质点间的相互作用，这种相互作用包括远程吸引作用(异性电荷间的库仑引力)和近程排斥作用(同性电荷间库仑斥力和泡里原理斥力)。,结合能：指把晶体拆散成单个原子

13、或分子所需的功或单个原子或分子结合成晶体所放出的能量。,当 时为引力；当 时为斥力。平衡 时引力和斥力抵消，即：,设 时，有效外力为最大，可由下式确定：,所以，相互作用力可描述为：,图110 将原子拉开无限远时，相互作用力和作用能随距离的变化过程。,对三维情况，设N为晶体的总质点数， 是第 i 个和第j 个质点的相互作用能，即第i个质点与所有其他质点的相互作用能为：,所以，总的作用能为：,（1-5）,对于具有N质点的晶体，不考虑表面效应时(每个质点的地位是等同的)，上式可简化为：,(1-6),当晶体结合能U(r)已知时，便可以算出晶体的某些物理特性。,（1）晶格常数 当质点结合成稳定的晶体时，

14、结合能为极小值，因此晶格常数( ro ) 可由下式确定。,（2）压缩系数由压缩系数定义有：,其中：V为晶体体积，P为压力。,(1-19),(1-18),又P与V的关系为：,K为体弹性模量。当T0K时，晶体的平衡 体积为V0，此时,所以：,(1-22),(1-20),(1-21),（3）抗张强度晶体所能负荷的最大张力,若晶体所受的张力使两原子之间距离正好 在相互作用力曲线的极小值处，即当 时，设此时对应的体积为 时，抗张强度为：,当 时，P为极大，由：,求得 的数值，代入（123）可得 。,(1-23),(1-24),讨论题,1.是否存在与库仑力无关的晶体结合类型?,2.如何理解库仑力是原子结合

15、的动力?,3.原子间的排斥作用取决于什么原因?,4. 原子间的排斥作用和吸引作用有何关系? 起主导的范围是什么?,5. 共价结合, 两原子电子云交迭产生吸引, 而原子靠近时, 电子云交迭会产生巨大的排斥力, 如何解释?,1. 热缺陷：当温度T不等于0K时，晶体中格点上原子发生热振动有几率离开格点位置而成为间隙原子和空位，即缺陷。热缺陷为点缺陷，包括：,1.3 晶体中的热缺陷及位错,（1）弗仑克尔缺陷原子脱离格点后，同时形成空格点和间隙原子，空格点等于间隙原子数。如图1-11,（2）肖脱基缺陷晶体内部格点上的原子跑到晶体表面，形成空格点。如图1-12。,（3）间隙原子晶体表面原子跑到晶体内部晶格

16、间隙位置，形成间隙原子。,图1-11 弗仑克尔缺陷,图1-12 肖脱基缺陷,点缺陷,2. 位错,晶体中除了点缺陷外还存在线缺陷和面缺陷。其中线缺陷称为位错。它是晶体在某方向受到一定的应力后在某晶面处产生相对滑移，这种已滑移区域 和未滑移区域的交界线就是位错。,图1-13 晶体的滑移,值得注意的是：这种滑移不是滑移面上所有原子同时滑移，而是部分原子先滑移后推动同一晶面上其它原子滑移，最后上下晶面发生相对滑移。当滑移中突然停上时，停上位置上形成位错线。如图1-14。,滑移方向的切向应力：,（a）正刃型位错,（b）负刃型位错,图1-14 晶体滑移过程,位错有以下两种基本形式：,（1）刃型位错（棱位错

17、）,特征：1）滑移矢b和位错线EF垂直。 2）有一多余的半个晶面。,a）刃型位错形成,特征：1）滑移矢b和位错线AD垂直。 2）没有多余的半个晶面，而是垂直于位 错线的晶面以螺旋前进的形式构成一 个晶面。,（2）螺型位错,a）螺型位错的形成,刃型位错,b）螺型位错晶格,c) 垂直于位错线的晶面投影,伯格斯矢量：如位错形成过程中，相对位移矢量是点阵矢量，则除位错线附近之外原子仍按完整的点阵排列，这一相对位移矢量称为伯格斯矢量.,对于刃型位错，伯格斯矢量与位错线垂直，图1-15；对于螺形位错，伯格斯矢量与位错线平行，图1-16。,位错线特点：不能终止于晶体内部，只能终止于晶体表面或晶界或晶体内部形

18、成闭合回路。,2）滑移面发生在原子密度最大的晶面这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小，如右图。,位错形成特点： 1）切应力产生滑移，正应力只能引起弹性变形及解理断裂。如右图所示。,3）滑移是通过滑移面上位错（一排原子）的运动来实现的。,层错,在外延生长过程中，原子的排列仍然要按一定的顺序，但是由于如样品表面机械损伤、表面沾污气体不纯等种种原因，使得外延层原子的排列次序发生了错误，这种原子层排列发生错乱的地方叫层错，它是一种面缺陷。,如：硅的晶体结构是金刚石结构，在(111)方向上它的排列次序是：AABBCC变成ABBCCAA. 或者成AAABBCCA

19、A.，形成层错排列。,外延层中层错区域示意图,测量外延层中最大的三角形边长L，就可以求出外延层的厚度,位错、层错的危害：,造成三极管发射区-集电区穿通，也可以不同程度的影响p-n结的反相特性（如：二次击穿，软击穿）。,普通IC对位错、层错的要求：,外延中层错密度小于102/cm2 外延中位错密度小于103/cm2,位错、层错的简单实验观察：,腐蚀金相法,（1）硅、锗的金刚石型结构 硅(锗)原子的最外层四个价电子与最邻近的其它4个硅(锗)原子的一个价电子形成共价键而结合成晶体。 其结晶学原胞为面心立方(复式格子)，原子排列呈正四面体结构。,3. 通常半导体的晶格结构及缺陷,a）正四面体结构,b）金刚石型结构,c）金刚石型结构的晶胞,d）（111）面的堆积,e）晶胞在(100)面上的投影,图1-18 硅、锗晶体中的空位,（2）硅、锗晶体的缺陷,图1-19 硅、锗晶体中的位错,图1-18形成热缺陷(空位)， 图1-19形成600棱位错(位错线在(111)晶面的 方向， 滑动方向为 ，其夹角为600,族化合物半导体闪锌矿型晶体结构,a）晶胞,b）（111）面的堆积在100上的投影,图1-21 砷化镓点缺陷示意图,1.4 合金,1.合金的分类,（1）机械混合物组成合金的各元素在液态下互溶后，再固态下彼此不发生任何作用(晶粒共混)。