(施敏)半导体器件物理(详尽版)ppt

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半导体器件物理 如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110）， 此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
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禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都 能带电
3~6eV
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV
锗0.67 eV
砷化镓 1.42 eV 江西科技师范大学
半导体器件物理
第 章 半导体特性
1.1 半导体的晶格结构 1.2 半导体的导电性 1.3 半导体中的电子状态和能带
1
1.4 半导体中的杂质与缺陷
1.5 载流子的运动 1.6 非平衡载流子 1.7 习题
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半导体器件物理
● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动
半导体器件物理
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动； 但内层电子的轨道交叠较 少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共 有化程度强些。
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能级
能带
当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能 级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能 带演变的示意图。
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●允带 允许电子存在的一系列准 连续的能量状态 ● 禁带 禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电 ● 空带 没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电 图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度） 江西科技师范大学
解
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例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
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晶体的各向异性
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 。
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半导体器件物理 光照与半导体
光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。 例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧， 然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以 后改变了几百倍。 光敏电阻 成为自动化控制中的一个重要元件。
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半导体器件物理 其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他 外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
热敏电阻 对温度敏感，体积又小，热惯性也小， 寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、 自动化等许多方面都有广泛的应用价值。
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半导体器件物理 杂质与半导体
杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。 例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m， 若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会 降至20Ω·m。 虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至 原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都 利用了半导体的这一特性。
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金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
硅（Si） 锗（Ge）
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半导体器件物理 大量的硅（Si）、锗 （Ge）原子靠共价键 结合组合成晶体，每 个原子周围都有四个 最邻近的原子，组成 正四面体结构， 。这 四个原子分别处在正 四面体的四个顶角上， 任一顶角上的原子各 贡献一个价电子和中 心原子的四个价电子 分别组成电子对，作 为两个原子所共有的 价电子对。
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●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度， 单位是能量单位：eV（电子伏特）
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半导体器件物理 图1-6 导体、绝缘体、半导体的能带示意图
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晶面指数（密勒指数）
• 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面 • 一族平行晶面用晶面指数来表示 • 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互 质数 • (111)、(100)、(110) • 相同指数的晶面和晶列互相垂直。
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半导体器件物理 1.2 半导体的电性能 温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。 金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温 度升高而增加，且增加得很慢）； 半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温 度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。
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半导体器件物理 在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
硅
（Si）
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。 到目前为止，硅可以说是元素周期表中 被研究最多且技术最成熟的半导体元素。
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构
●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构 釙(Po) 江西科技师范大学
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晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，称为 晶格。
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo）
钨（W）
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面心立方结构
铝（Al）
铜（Cu）
金（Au） 银（Ag）
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练习
试求ADD’A’的密勒指数。
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晶列指数——晶向指数
• 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。 • 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示 • 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数 • [111]、[100]、[110]
E1
原子核
E2 E3
能级
电子受到原子核和其 他电子的共同作用。
轨道 电子云在空间分布几率最 大值，即轨道上，电子出现的几 率最大。
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半导体器件物理 晶体中的电子
制造半导体器件所用的材 料大多是单晶体。 单晶体是由原子按一定周 期重复排列而成，且排列 相当紧密，相邻原子间距 只有零点几个纳米的数量 级。 当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子 的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的 电子）作用。 电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 江西科技师范大学
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思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导 体只有电子导电，为什么半导体的导电 能力比导体差？
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●导带底EC 导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量 ●禁带宽度 Eg
Eg=EcLeabharlann Ev●本征激发由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
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a 3/2
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例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
解
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练习
假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
图1-7 一定温度下半导体的能带示意图
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注意三个“准”
• 准连续 • 准粒子 • 准自由
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练习
• 整理空带、满带、半满带、价带、导带、 禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概 念。 • 简述空穴的概念。
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半导体器件物理 1.4 半导体中的杂质和缺陷 理想的半导体晶体 十分纯净 不含任何杂质 晶格中的原子严格 按周期排列的 实际应用中的 半导体材料
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）
例2
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半导体器件物理 理论分析认为
晶面指数（密勒指数）
常用密勒指数来标志晶向的不同取向。 密勒指数是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密 勒指数。