半导体物理基础
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理的基础知识
半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。
半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。
一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。
单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。
多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。
非晶的特点是结构无序，导电性能较差。
半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。
共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。
离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。
这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。
二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。
根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。
能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。
价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。
在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。
半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。
杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。
掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。
三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。
根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。
n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。
这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。
n型半导体表现为电子富余。
p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。
空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。
p型半导体表现为电子贫缺。
四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
半导体物理基础(准费米能级)
第二章半导体物理基础一般而言，制作太阳能电池的最基本材料是半导体材料，因而本章将介绍一些半导体物理的基本知识，包括半导体中的电子状态和能带、本征与掺杂半导体、pn结以及半导体的光学性质等内容。
一、半导体中的电子状态和能带1、原子的能级和晶体的能带(m)一般的晶体结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。
晶体的结合形式半导体材料主要靠的是共价键结合。
饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；共价键的特点：电子的共有化运动当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。
电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；当两个原子相距很远时，如同两个孤立的原子，每个能级是二度简并的。
当两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场的作用，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级，两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
当N个原子互相靠近形成晶体后，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，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。
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。
所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。
量子力学与固体能带论的发展，使人们认识到固体导电性可根据电子填充能带的情况来说明。
2、金属、绝缘体与半导体固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。
由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。
也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。
半导体物理基础
第二章半导体物理基础2.1 半导体材料固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。
图1列出了这三类中一些重要材料的电导率（electrical conductive）σ（及对应电阻率ρ＝1/σ）的范围。
图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围绝缘体如熔融石英及玻璃有很低的电导率，大约介于20-18S/cm到10-8S/cm之间；而导体如铝及银有较高的电导率，一般介于104S/cm到106/cm之间。
半导体到电导率则介于绝缘体及导体之间。
它易受温度、照光、磁场及微量杂质原子（一般而言，大约1kg的半导体材料中，约有1μg～1g的杂质原子）的影响。
正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。
2.1.1 元素（element）半导体有关半导体材料的研究开始于19世纪初，表1 列出周期表中有关半导体元素的部分。
在周期表第IV族中的元素如硅（Si）、锗（Ge）都是由单一原子所组成的元素半导体。
在20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已取代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳的特性，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，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的硅含量占地表的25%，仅次于氧。
到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。
表1 周期表中与半导体相关的部分2.1.2 化合物（compound）半导体近年来一些化合物半导体已被应用于各种器件中。
表2列出与两种元素半导体同样重要的化合物半导体。
二元化合物半导体是周期表中的两种元素组成。
例如，III－V族元素化合物半导体砷化镓（GaAs）是由III族元素镓（Ga）及V族元素砷（As）所组成。
除了二元化合物（binary compounds）半导体外，三元（ternary compounds）及四元化合物（quaternary compounds）半导体也各有其特殊用途。
半导体物理入门
半导体物理入门
1. 学习基础知识：在学习半导体物理之前，需要掌握一些基础知识，如物理学、数学和电子工程等方面的基本概念和原理。
2. 了解晶体结构：半导体材料的晶体结构是半导体物理的基础，因此需要学习晶体结构的基本概念，如晶格、晶向、晶面等。
3. 学习能带理论：能带理论是半导体物理的核心内容之一，它描述了半导体材料中电子的能量状态和运动行为。
需要学习能带结构、能带宽度、能带隙等基本概念。
4. 了解载流子输运：载流子（电子和空穴）在半导体中的输运是半导体器件工作的基础，因此需要学习载流子的漂移、扩散、复合等基本概念和过程。
5. 学习 p-n 结：p-n 结是半导体器件中最基本的结构之一，需要学习 p-n 结的形成、特性和工作原理。
6. 阅读相关书籍和文献：可以阅读一些半导体物理方面的经典教材和相关文献，深入了解半导体物理的各个方面。
7. 进行实验：通过实验可以更加深入地了解半导体材料的物理性质和电子特性，建议在学习过程中尝试进行一些简单的实验。
8. 参加课程和培训：如果有条件，可以参加一些半导体物理相关的课程和培训，以系统地学习半导体物理知识。
总之，学习半导体物理需要系统地学习相关知识，并进行实践和实验，不断加深对半导体材料和器件的理解。
同时，需要保持学习的热情和耐心，不断提高自己的知识水平。
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
第一章 半导体物理基础要点
E0
m
( EF ) m
s
En
EC
m s
( EF ) s
接触前
Ev
半导体一边的势垒高度
qVD m s ,
金属一边的势垒高度
B qVD En m
B
qVD
En
EC
EF
EV
忽略接触间隙
当金属与n型半导体接触
m s
1. 半导体表面形成一个正的空间电荷区 2. 电场方向由体内指向表面
E0
m
(EF)m
m 越大, 金属对电子的束缚越强
金属中的电子势阱
半导体功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 半导体的 EF 能量之差， 即
s E0 EF s
E0
s
EC EF EV
电子的亲合能
E0 EC
半导体的功函数又写为
s EC ( EF ) s En
（1）金属栅足够厚 ,是等势体 （2）氧化层是完美的绝缘体无电流流过 氧化层 （3）在氧化层中或氧化层-半导体界面没 有电荷中心
0.01~1.0m
--场效应理论
栅
（4）半导体均匀掺杂
（5）半导体足够厚，无论VG多大，总有 零电场区域 （6）半导体与器件背面金属之间处于欧 姆接触 （7）MOS电容是一维结构，所有变量仅 是x的函数 （8） = =+(E -E )
硅的晶体结构
• 硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共 价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共 价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面 体。
1.2 半导体能带模型
E 2p
禁带
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1． 粗硅的制备
粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。
反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、
半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅 则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式 出现。
1.1.3 硅材料的制备
由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响， 所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需求 。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在 先， 物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从 低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯度 的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染 ，而物理提纯则没有这些污染。
半导体物理基础
主要内容
1.1 硅材料浅谈 1.2 半导体的形成与能带 1.3 本征半导体 1.4 杂质半导体 1.5 费米能级和载流子浓度统计分布 1.6 半导体的导电性 1.7 非平衡载流子
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 电导率范围 导 体: 106~104(cm)-1
(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或 银粉作为催化剂
(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率 (3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管 道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆 炸
SiHCl3的提纯 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯 多晶硅的制备
Cu 等，其中Fe 含量最多。可用酸洗法初步提 纯，高纯硅还需进一步提纯。
2． 多晶硅的制备
由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间 体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅
三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的 主要方法
SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
金刚石结构
硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还 是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高 纯度。
用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
1.1.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所
区熔单晶硅(FZ-Si) 主要用于制作电力电子器件(SR、 SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉 单晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电 池等。
浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作品和设备产业链
精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl
上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。
3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方 面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯 作用（分凝效应）。 区熔(FZ) 法 直拉法(CZ) ：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种慢慢拉出单 晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现
单晶硅片（晶圓）
2、按纯度分：
名称
英文缩写
杂质总含量
主要用途
合金级硅
AG-Si
1N
炼合金
冶金级硅
MG-Si
2N
炼合金及化工等
太阳级硅
SOG-Si
～6N
太阳能电池等
半导体级硅 （电子级）
SEG-Si （EG-Si）
＞9N
半导体芯片等
随着纯度上升，成本呈指数上升
半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
半导体 掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。 温度 、光照、压力等外界因素会使其导电能力改变。
1.1 硅材料浅谈
1.1.1 重要的半导体材料——硅
硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个 原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子 可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。
禁带 允带
电子分布原则：1、能量最低原理 2、泡利不相容原理
1.2.2 导体、半导体、绝缘体的能带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
晶体能带结构
导带底EC: 导带中能量最低的能级
太阳能光伏系列产品和设备产业链
多晶硅副产物系列产品和设备产业链
1.2 半导体的形成与能带
1.2.1 原子能级与晶体能带 1、原子结合成晶体前
电子在各自的轨道上做圆周运动，每一壳层对 应相应的能量。
2、形成晶体后
3S
2P
电子共有化运动
能带的形成
N个原子，能级N度简并。
原子能级
能带
允带
禁带
●
允带
价带顶EV： 价带中能量最高的能级
空电 穴子 能能 量量
禁带宽度Eg: 导带底与价带顶的能量差
Eg = EC - EV
除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是
2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2
SiHCl3性质 又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差，易水解
SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 注意要点
3、按结构分： 单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全
是金刚石型的。长程有序 多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。 非晶硅：短程有序，长程无序
各种硅材料的电子迁移率
单晶硅锭(片)、多晶硅锭(片)
上述3种分类一般要综合，例如： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 单晶硅锭（片） 多晶硅锭（片）