第一章 半导体晶体结构和缺陷
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
固体物理黄昆第一章
元激发的能量与寿命
元激发的能量与晶体的振动频率或量子数有关，可以通过量子力学公式计算。
元激发的寿命取决于其与周围环境的相互作用，以及能量的耗散机制。在某些条件下，元激发的寿命 可以很长，使得它们在某些物理过程中起到关键的作用。例如，在超导材料中，声子与电子相互作用 导致电子配对，从而实现超导态。
05
完美晶体
理想状态下，晶体中的原子或 分子应完全规则排列。
线缺陷
晶体中原子或分子的排列出现 中断，形成一条线上的缺陷。
形成原因
晶体缺陷的形成与温度、压力、 杂质等因素有关。
晶体缺陷对物理性质的影响
01
光学性质
晶体缺陷可以影响光的折射、反射 和吸收等性质。
热学性质
晶体缺陷可以影响热导率、热膨胀 等性质。
黄昆的贡献与影响
贡献
黄昆是中国固体物理学领域的奠基人之一，他在固体物理学的多个领域做出了卓越的贡献，包括晶体结构、晶体 振动、相变等方面。
影响
黄昆的学术成果不仅对中国固体物理学的发展产生了深远影响，也对全球固体物理学的发展产生了重要影响。他 的学术思想和方法论对后来的科研工作者提供了宝贵的启示和借鉴。
揭示了声子在固体中的传播特性
通过声子理论，黄昆揭示了声子在固体中的传播特性，包括声速、衰 减等，为理解材料的力学性质和热学性质提供了重要的理论依据。
黄昆的极化子理论
01
提出极化子的概念
黄昆在极化子理论中，提出了极化子 的概念，即某些固体中由于晶格振动 和电子运动的耦合而形成的元激发。
02
发展了极化子的计算 方法
02
元激发与量子力学中的粒子不同，它是一种波动现象，具有 波粒二象性。
03
元激发是晶体中能量的传递和转换机制，是理解固体物理中 许多现象的基础。
半导体晶体结构
半导体晶体结构
嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体晶体结构这个有意思的玩意儿。
你们知道不，半导体晶体结构就像是一个神奇的微观世界，里面充满了各种奇妙的“小建筑”和“小规律”。
半导体晶体啊，就好比是一座精心搭建的大厦。
那些原子们就像是勤劳的小工人，一个一个地排列组合起来，形成了特定的结构。
这结构可重要啦，它决定了半导体的各种性能呢！
比如说常见的硅晶体，那可是半导体界的“大明星”呀！它的晶体结构就特别规整，就像排得整整齐齐的士兵方阵。
这种规整的结构让硅晶体有了很多出色的表现。
再想想看，要是这些原子不按规矩来，乱成一团，那半导体还能好好工作吗？肯定不行呀！这就好比是盖房子，砖头乱放，那房子不就摇摇欲坠啦？
半导体晶体结构还有很多有趣的特点呢！有的像钻石一样亮晶晶，有的则有着独特的几何形状。
这多有意思呀！
而且哦，不同的半导体晶体结构还能带来不同的功能。
就好像不同的工具，有的适合切菜，有的适合砍柴。
半导体晶体也是这样，有的擅长导电，有的擅长发光。
你们说神奇不神奇？咱生活中的好多电子产品，可都离不开这些神奇的半导体晶体结构呢！从手机到电脑，从电视到各种智能设备，它们都是靠着这些小小的晶体在默默工作。
咱再想想，如果没有对半导体晶体结构的深入研究和了解，那我们能享受到现在这么便捷的科技生活吗？肯定不能呀！所以说呀，可别小瞧了这看似不起眼的半导体晶体结构。
总之呢，半导体晶体结构就是一个充满奥秘和惊喜的世界。
我们要不断去探索、去发现，让它为我们的生活带来更多的美好和便利。
怎么样，朋友们，是不是对半导体晶体结构有了新的认识和感受呢？。
半导体晶体缺陷
半导体晶体缺陷创建时间：2008-08-02半导体晶体缺陷(crystal defect of semiconductor)半导体晶体中偏离完整结构的区域称为晶体缺陷。
按其延展的尺度可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，这4类缺陷都属于结构缺陷。
根据缺陷产生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。
从化学的观点看，晶体中的杂质也是缺陷，杂质还可与上述结构缺陷相互作用形成复杂的缺陷。
一般情况下，晶体缺陷是指结构缺陷。
点缺陷(零维缺陷)主要是空位、间隙原子、反位缺陷和点缺陷复合缺陷。
空位格点上的原子离开平衡位置，在晶格中形成的空格点称为空位。
离位原子如转移到晶体表面，在晶格内部所形成的空位，称肖特基空位；原子转移到晶格的间隙位置所形成的空位称弗兰克尔空位。
间隙原子位于格点之间间隙位置的原子。
当其为晶体基质原子时称为自间隙原子，化合物半导体MX晶体中的白间隙原子有Mi、Xi两种。
反位缺陷化合物半导体晶体MX中，X占M位，或M占X位所形成的缺陷，记作MX ，XM。
点缺陷的复合各种点缺陷常可形成更复杂的缺陷，空位或间隙原子常可聚集成团，这些团又可崩塌成位错环等。
例如硅单晶中有：双空位、F中心(空位-束缚电子复合体)，E中心(空位-P原子对)，SiO2团(空位-氧复合体)，雾缺陷(点缺陷-金属杂质复合体)。
硅单晶中主要点缺陷有空位、自间隙原子、间隙氧、替位碳、替位硼、替位铜，间隙铜等。
化合物如GaAs单晶中点缺陷有镓空位(vGa )、砷空位(VAs)、间隙镓(Gai)，间隙砷(ASi)、镓占砷位(AsGa)、砷占镓位(GaAs)等，这些缺陷与缺陷、缺陷与杂质之间发生相互作用可形成各种复合体。
GaAs中的深能级。
砷占镓位一镓空位复合体(AsGa vGa)、镓占砷位一镓空位复合体(GaAsvGa)在GaAs中形成所谓A能级(0.40eV)和B能级(0.71eV)分别称作HB2、HB5，它们与EL2是三个GaAs中较重要的深能级，这些深能级与某类缺陷或缺陷之间反应产物有关，EL2是反位缺陷AsGa或其复合体AsGavGaVAs所形成，为非掺杂半绝缘GaAs单晶和GaAs VPE材料中的一个主要深能级，能级位置是导带下0.82eV(也可能由一族深能级所构成)，其浓度为1016cm-3数量级，与材料的化学配比和掺杂浓度有关。
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响
晶体结构中的点缺陷及其对材料性能的影响晶体是由原子或离子有序排列形成的固体材料。
在晶体结构中，点缺陷是一种常见的现象，它们对材料的物理和化学性质产生重要影响。
本文将探讨晶体结构中的点缺陷类型、形成原因以及对材料性能的影响。
晶体结构中的点缺陷可以分为两类：点陷和点间隙。
点陷是指晶体中存在于正常原子位置的替代物质或空位，而点间隙是指晶体中存在于正常间隙位置的其他原子或离子。
这些点缺陷的形成原因多种多样，可以是热运动、化学反应、辐射等外部因素的影响，也可以是由于材料的缺陷或不均匀性引起的。
例如，晶体中的离位原子可以通过热扰动从正常位置移动到别的位置，形成点陷；而晶体中的离位原子可以通过化学反应与其他原子或离子结合，形成点间隙。
点缺陷对材料性能的影响是多方面的。
首先，点缺陷可以改变材料的电子和磁性质。
以半导体材料为例，点陷在晶格中引入杂质原子，改变了材料的导电特性。
某些点缺陷也可以改变晶体的磁性质，使材料成为磁性材料。
其次，点缺陷可以影响晶体的力学性能。
晶体中的点缺陷可以导致材料的塑性变形，使其更易于发生变形或破裂。
点缺陷还可以改变材料的硬度、弹性模量等力学性质。
此外，点缺陷还可以影响材料的热性能。
晶体中的点缺陷可以影响材料的热导率和热膨胀系数，从而改变材料的热稳定性和导热性能。
点缺陷的类型和浓度对材料性能的影响是复杂的。
在某些情况下，点缺陷的存在可以改善材料的性能。
例如，通过控制点陷的添加量和类型，可以提高材料的导电性能。
在半导体材料中，适量的杂质原子可以形成能带结构，增加载流子浓度，从而提高材料的导电性能。
此外，点缺陷也可以增加材料的缺陷耐力，改善材料的抗拉强度和韧性。
然而，过量的点缺陷或不适当的类型可能导致材料性能的恶化。
过多的点陷会导致材料的电导率降低，抗拉强度和硬度下降。
过多的点间隙会导致材料内部空隙增多，从而降低材料的密度和强度。
综上所述，晶体结构中的点缺陷是一种常见的现象，对材料的物理和化学性质产生重要影响。
第一章-半导体中的电子态
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1、自由电子波函数和能量
E 2k2 2m0
自由电子能量与波矢的关系图
37
2、晶体中电子的波函数和能量
2、晶体中电子的波函数和能量
3、布里渊区和能带
E-k关系 晶体中电子处在不同的k状态,具有不同的能量E(k) 由于周期势场的微扰,在布里渊区边界处,能量出现不连
续,形成能带.
1.1.2 闪锌矿型结构与混合键
思考: 左图的一个晶胞包含几个原子?几个第III族原子?几个第V族原子?
14
1.1.3 纤锌矿结构 （Wurtzite structure）
II-VI族化合物、电负性差异较大的III-V化合物通常属于纤锌矿结构。 属六方晶系，AB型共价键晶体，其中A原子作六方密堆积（堆
d＝内d找xd到yd粒z子
的概率，则：
dW x, y, z,t CΨ x, y, z,t2 d
32
薛定谔方程
薛定谔方程
i
(r,t) [
2
2 V (r )] (r ,t)
t
2
拉普拉斯算符
2＝ 2 2 2 x2 y 2 z 2
薛定谔方程描述在势场 U(r)中粒子状态随时间的变化，也称微观粒子 波动方程。只要知道势场的具体形式就可求解该方程得到粒子波函数的 具体形式，从而得出粒子的运动状态和能量状态。
m m 由于价带顶的 * 0,因此 * 0
n
p
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未满导带
对于不满带，只有部 分电子状态电子占据， 电子可以在电场的作 用跃迁到能量较高的 空状态，导致电子在 布里渊区状态中的分 布不再对称，形成宏 观电流。
62
有电场时导带电子能量和速度分布
导体
有未被填满的价带。
半导体物理第一章
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
半导体物理第一章
7
➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
z
B
C
A D
y
x
Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
半导体物理第一章
6
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
半导体物理第一章
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1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的
第一章__半导体的物质结构和能带结构课后题答案
第一章 半导体的物质结构和能带结构1、参照元素周期表的格式列出可直接构成或作为化合物组元构成半导体的各主要元素，并按共价键由强到弱的顺序写出两种元素半导体和八种化合物半导体，并熟记之。
共价键由强到弱的两种元素半导体，例如：Si ，Ge共价键由强到弱的八种化合物半导体：例如：SiC ，BN ，AlN ，GaN ，GaAs ，ZnS ，CdS ，HgS2、何谓同质异晶型？举出4种有同质异晶型的半导体，并列举其至少两种异晶型体的名称和双原子层的堆垛顺序。
答：化学组成完全相同的不同晶体结构称为同质异晶型。
1． SiC ，其多种同质异型体中，3C-SiC 为立方结构的闪锌矿型晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABCABC ⋅⋅⋅；而2H-SiC 为六方结构的纤锌矿型晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABAB ⋅⋅⋅；4H-SiC 为立方与六方相混合的晶格结构，其碳硅双原子层的堆垛顺序为ABACABAC ⋅⋅⋅2． GaN ，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Ga-N 双原子层的堆垛顺序为ABCABC ⋅⋅⋅；而纤锌矿结构的Ga-N 双原子层的堆垛顺序为ABAB ⋅⋅⋅；3． ZnS ，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Zn-S 双原子层堆垛顺序为ABCABC ⋅⋅⋅；而纤锌矿结构的Zn-S 双原子层堆垛顺序为ABAB ⋅⋅⋅；4． ZnSe ，有闪锌矿结构和纤锌矿结构两种同质异型体，闪锌矿结构的Zn-Se 双原子层堆垛顺序为ABCABC ⋅⋅⋅；而纤锌矿结构的Zn-Se 双原子层堆垛顺序为ABAB ⋅⋅⋅；3、室温下自由电子的热速度大约是105m/s ，试求其德布洛意波长。
解：该自由电子的动量为：s m kg v m p /1011.9101011.9265310⋅⨯=⨯⨯==--由德布洛意关系，可知其德布洛意波长nm p h k 27.71027.71011.910625.6192634=⨯=⨯⨯===---λ4、对波矢为k 的作一维运动的电子，试证明其速度dk k dE )(1 =υ解：能量E 和动量P 波频率ν和波矢k 之间的关系分别是：ων ==h E ； P = k根据能量和动量的经典关系：20021,v m E v m P ==由以上两个公式可得：0222m kE =对这个结论求导可得：02)(m kdk k dE η=，进一步得：dk k dE m k )(10ηη= 根据动量的关系：v m k P 0==η可得：=v dkk dE m k)(10ηη=5、对导带底电子，试证明其平均速度和受到外力f 作用时的加速度可分别表示为*/n m k =υ 和 */nm f a = 解：将E （k ）在k=0出按泰勒级数展开取至k 2项，得到....)(21)()0()(20220+++===k dkEd k dk dE E k E k k 因为，k=0时能量取极小值，所以0)(0==k dk dE ，因而2022)(21)0()(k dkEd E k E k ==-令*02221)(1nk m dk E d == 代入上式得*222)0()(nm k E k E =- 根据量子力学概念，波包中心的运动速度为dkd v ω=式中，k 为对应的波矢。
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1.1 半导体的晶体结构
一,晶体的基本知识
长期以来将固体分为:晶体和非晶体. 长期以来将固体分为:晶体和非晶体. 晶体的基本特点: 晶体的基本特点: 具有一定的外形和固定的熔点,组成晶体的原子( 具有一定的外形和固定的熔点,组成晶体的原子(或 离子)在较大的范围内(至少是微米量级) 离子)在较大的范围内(至少是微米量级)是按一定的方式 有规则的排列而成——长程有序.(如Si,Ge,GaAs) 长程有序.(如 , , 有规则的排列而成 长程有序.( )
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美,日,欧,韩以及中国台湾是目前半导体产业领先的国家 和地区. 年世界前25位的半导体公司全部位于美国 和地区.2006年世界前 位的半导体公司全部位于美国,日 年世界前 位的半导体公司全部位于美国, 欧洲,韩国. 本,欧洲,韩国.2005年,美国和日本分别占有 年 美国和日本分别占有48%和23% 和 的市场份额,合计达71%.韩国和台湾的半导体产业进步很 的市场份额,合计达 . 韩国三星已经位列全球第二;台积电(TSMC)的收入在 快.韩国三星已经位列全球第二;台积电 的收入在 2007年上半年有了很大的提高,排名快速升至第 ,成为 年上半年有了很大的提高, 年上半年有了很大的提高 排名快速升至第6, 2007年上半年进入前 名的唯一一家台湾公司,这从一个侧 年上半年进入前20名的唯一一家台湾公司 年上半年进入前 名的唯一一家台湾公司, 面反映了台湾代工业非常发达. 面反映了台湾代工业非常发达. 由于我国具有劳动力竞争优势, 由于我国具有劳动力竞争优势,国际半导体企业把技术含量 相对较低,劳动密集型的产业链环节向我国转移. 相对较低,劳动密集型的产业链环节向我国转移.我国半导 体产业逐渐成为国际产业链的一环. 体产业逐渐成为国际产业链的一环.产业链调整和转移的结 果是,我国半导体产业在低技术, 果是,我国半导体产业在低技术,劳动密集型和低附加值的 环节得到了优先发展. 芯 少魂 环节得到了优先发展.缺"芯"少魂 ——低利润的制造中心 低利润的制造中心
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本课程的内容安排
介绍了半导体的晶体结构和缺陷, 介绍了半导体的晶体结构和缺陷,定义了晶向和晶面 讨论了半导体中的电子状态与能带结构, 讨论了半导体中的电子状态与能带结构,介绍了杂质半导体 及其杂质能级 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素, 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素,讨论了 非平衡载流子的产生与复合 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论, 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论, 介绍了载流子的扩散运动, 介绍了载流子的扩散运动,建立了连续性方程 PN结的静电特性 结的静电特性 简要介绍了半导体的制备相关知识
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半导体产业简介
全球半导体市场规模06年达到 亿美元. 全球半导体市场规模 年达到247.7亿美元.主要应用领域 年达到 亿美元 包括计算机,消费电子,通信等. 包括计算机,消费电子,通信等.在电子制造业转移和成本 差异等因素的作用下, 差异等因素的作用下,全球半导体产业向亚太地区转移趋势 明显.我国内地半导体产业发展滞后于先进国家,内地企业 明显.我国内地半导体产业发展滞后于先进国家, 多位于全球产业链的中下游环节. 多位于全球产业链的中下游环节.我国半导体产业成为全球 产业链的组成部分,产量和产值提高迅速, 产业链的组成部分,产量和产值提高迅速,但是产品技术含 量和附加值偏低. 量和附加值偏低. 集成电路是半导体产业的最大组成部分.分立器件,半导体 集成电路是半导体产业的最大组成部分.分立器件, 材料和封装材料也是半导体产业的重要组成部分. 材料和封装材料也是半导体产业的重要组成部分.我国内地 分立器件和半导体材料市场和产业也处于快速增长之中. 分立器件和半导体材料市场和产业也处于快速增长之中.
半导体物理基础
SEMICONDUCTOR PHYSICS
主讲教师: 主讲教师:何修军 课件密码: 课件密码:666666 邮 箱:hxj@
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半导体历史
1833年 1833年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化 情况不同于一般金属,一般情况下, 情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高 而增加, 而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升 而降低.这是半导体现象的首次发现. 而降低.这是半导体现象的首次发现. 不久,1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成 不久,1839年法国的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, 的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光 生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征. 生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征. 在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电 1874年 场的方向有关,即它的导电有方向性, 场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向 电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电, 电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电, 这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性. 这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性. 2 同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应. 同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应.
适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜,无光照时的暗电阻为几十 薄膜, 如在绝缘衬底上制备的硫化镉 薄膜 M ,当受光照后电阻值可以下降为几十K 当受光照后电阻值可以下降为几十
此外,半导体的导电能力还随电场, 此外,半导体的导电能力还随电场,磁场等的作用而改变
方向性:指原子间形成共价键时, 方向性:指原子间形成共价键时,电子云的重叠在空间一 定方向上具有最高密度,这个方向就是共价键方向. 定方向上具有最高密度,这个方向就是共价键方向.
共价键方向是四面体对称的, 共价键方向是四面体对称的,即共价键是从正四面体中心原子出 发指向它的四个顶角原子,共价键之间的夹角为 发指向它的四个顶角原子,共价键之间的夹角为109°28,这种正四 ° 面体称为共价四面体. 面体称为共价四面体.
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第一章 半导体晶体结构和缺陷
1.1 半导体的晶体结构 1.2 晶体的晶向与晶面 1.3 半导体中的缺陷
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绪论
什么是半导体
按不同的标准,有不同的分类方式. 按不同的标准,有不同的分类方式. 按固体的导电能力区分,可以区分为导体,半导体和绝缘体 按固体的导电能力区分,可以区分为导体,
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非晶(体)的基本特点: 非晶( 的基本特点:
无规则的外形和固定的熔点, 无规则的外形和固定的熔点,内部结构也不存在长 程有序, 程有序,但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上 的有序排列——短程有序 的有序排列——短程有序 (如非晶硅:a-Si) 如非晶硅: )
导体, 表1.1 导体,半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ( cm) 导体 < 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 >109
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此外,半导体还具有一些重要特性,主要包括: 此外,半导体还具有一些重要特性,主要包括: 温度升高使半导体导电能力增强, 温度升高使半导体导电能力增强,电阻率下降
如室温附近的纯硅(Si),温度每增加8℃,电阻率相应地降低 ,温度每增加 ℃ 电阻率相应地降低50%左右 如室温附近的纯硅 左右
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质(比如磷)为例,这时 以纯硅中每 万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质(比如磷)为例, 万个硅原子掺进一个 硅的纯度仍高达99.9999%,但电阻率在室温下却由大约214,000 cm ,但电阻率在室温下却由大约 硅的纯度仍高达 降至f Optoelectronics technology
非晶, 图1.1 非晶,多晶和单晶示意图
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二,共价键的形成和性质
对于单晶Si或 ,它们分别由同一种原子组成, 对于单晶 或Ge,它们分别由同一种原子组成,通过二个 原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体. 原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体. 这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合 力,称为共价键. 称为共价键. 共价键 由共价键结合而成的晶体称为共价晶体. , 都是典型 由共价键结合而成的晶体称为共价晶体.Si,Ge都是典型 共价晶体 的共价晶体. 的共价晶体.
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1873年 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,这是半导体又一个特有的性质. 的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质. 半导体的 这四个效应, 霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现) ——四个伴生效应的发现 这四个效应,(霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现) 虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概 虽在1880年以前就先后被发现了, 1880年以前就先后被发现了 1911年才被考尼白格和维斯首次使用 年才被考尼白格和维斯首次使用. 到1911年才被考尼白格和维斯首次使用.而总结出半导体 的这四个特性一直到1947 12月才由贝尔实验室完成 1947年 月才由贝尔实验室完成. 的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成. 很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢? 很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主 要原因是当时的材料不纯.没有好的材料,很多与材料相 要原因是当时的材料不纯.没有好的材料, 关的问题就难以说清楚. 关的问题就难以说清楚.