半导体物理学.ppt
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半导体物理学第二章-PPT
大家好
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
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11
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
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12
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
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杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
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31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
【精品】半导体物理(SEMICONDUCTOR PHYSICS )PPT课件
第二章 半导体的能带与杂质能级
2.1 半导体中电子共有化运动与能带 2.2 半导体中的电子的E(k)~k关系 有效质量和
k空间等能面 2.3 Si、Ge和GaAs的能带结构 2.4 本征半导体和杂质半导体
2.1 半导体中电子共有化运动与能带
一、孤立原子中的电子状态
1. 单电子原子
En
m0q4 8 ε02h2
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。 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（或 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）
晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式
对多电子原子，电子能量同样是不连续的。由主量子 数、角量子数、磁量子数、自旋量子数描述。
二、自由电子状态（一维）
一维恒定势场中的自由电子，遵守薛定谔方程
2 d 2ψ(x) Vψ(x) Eψ(x) 2m0 dx2
如果势场V=0，则此方程的解为
ψ(x) Aei2kx
代表一个沿方向传播的平面波，k具有量子数的作用。 其中Ψ(x)为自由电子的波函数，A为振幅，k为平面波 的波数，k=1/λ， λ为波长。规定k为矢量，称为波矢， 波矢k的方向为波面的法线方向。
• 虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在Si、Ge中形成间隙 原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性 远比弗仑克尔缺陷大，因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位
(a) 弗仑克尔缺陷
(b) 肖特基缺陷
图1.11 点缺陷
• 化合物半导体GaAs中，如果成份偏离正常化学比，也会出 现间隙原子和空位。如果Ga成份偏多会造成Ga间隙原子和 As空位；As成份偏多会造成As间隙原子和Ga空位。
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理课件
结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而 产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂 质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增 强了半导体的导电能力。
主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。
*从Si的电子能量图看:
电离能的计算:
氢原子
En
mq4
(4 0 )2 22
1 n
（2）受主杂质 (Acceptor) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看:
两边取对数并整理,得:
EF
1 2
EC ED
1 2
k0T
ln(
ND 2NC
)
ED起了本征EV 的作用
载流子浓度:
EC EF
EC
EF
n0 NCe k0T NCe k0T e k0T
ND NC
1
2
EC ED
e 2k0T
ND NC
1 2
ED
e 2k0T
2
2
(2)中温强电离区
N
D
n0 ND
（2）EF ~T
（3）EF ~掺杂（T一定，则NC也一定）
T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温： ND > NC 时 , ND
(ln ND -ln2 NC)
ND < NC 时, ND
|ln ND -ln2 NC| 中温：由于T的升高， NC增加，使ND < NC ， ND
B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四
个Si原子形成共价键时，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子,共价 键中缺少一个价电子，产生空穴。 硼原子接受一个电子后，成为带负 电的硼离子。 B- —负电中心.
半导体物理基础知识 ppt课件
原子最外层的电子称为价电子，有几个 价电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正 离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的 负离子。原子变成离子的过程称为电离。
ppt课件
4
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。
ppt课件 17
1.6半导体的导电原理
1.6半导体的导电原理
导带
E (禁带宽)
g
价带
ppt 课件 1.6-1 图
18
1.6半导体的导电原理
1.6.2产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程 称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与 空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消 失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没 有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体 中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么， 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的 导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂 质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影 响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。
ppt课件
11
1.2半导体材料硅的晶体结构
ppt课件
4
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。
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1.6半导体的导电原理
1.6半导体的导电原理
导带
E (禁带宽)
g
价带
ppt 课件 1.6-1 图
18
1.6半导体的导电原理
1.6.2产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程 称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与 空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消 失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没 有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体 中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么， 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的 导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂 质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影 响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。
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1.2半导体材料硅的晶体结构
半导体物理ppt课件
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
2、电子在周期场中的运动
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有如下
形式： k x uk (x)ei2 kx
(1-14)
式中k为波矢，uk (x)是一个与晶格同周期的周期性函数， 即：
uk (x) uk (x na)
式中n为整数。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
2、电子在周期场中的运动 式(1-13)具有式(1-14)形式的解，这一结论称为布洛赫
定理。具有式(1-14)形式的波函数称为布洛赫波函数 晶体中的电子运动服从布洛赫定理：
晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。 这个波函数称为布洛赫波函数。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
如果只考虑晶格的周期性，可用固体物理学原胞表示：
简立方原胞：与晶胞相同，含一个原子。
体心立方原胞：为棱长
3 2
a
的简立方，含一个原子。
面心立方原胞：为棱长
2 2
a
的菱立方，由面心立方体对
角线的；两个原子和六个面心原子构成，含一个原子。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
1、自由电子的运动状态 对于波矢为k的运动状态，自由电子的能
量E，动量p，速度v均有确定的数值。 波矢k可用以描述自由电子的运动状态，
不同的k值标志自由电子的不同状态 自由电子的E和k的关系曲线，呈抛物线
形状。 由于波矢k的连续变化，自由电子的能量
(e)（100）面上的投影
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 4.闪锌矿型结构
半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
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27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
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半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
西安电子科技大学 微电子学院
School of Microelectronics
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
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图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方
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四、GaAs晶体结构
具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌 矿结构。
GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个 共价键，组成共价四面体。
所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
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非晶（体）的基本特点：
无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程 有序，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 （如非晶硅：a-Si）
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
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围
材料
导体
半导体
电阻率ρ(Ωcm)
＜ 10-3
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： 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降
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，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，
介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程 简要介绍了半导体表面的相关知识
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1.1 半导体的晶体结构
School of Microelectroniool of Microelectronics
二、共价键的形成和性质
对于单晶Si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。
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。
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 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
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本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象： 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，介绍了杂质半导体及
由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的 共价晶体。
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共价键的性质：饱和性和方向性
饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定 的限制。
Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4 个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因 此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。
对半导体Si、Ge和GaAs等具有
金刚石或闪锌矿结构的立方晶
系，通常取某个格点为原点，
再取立方晶胞的三个互相垂直
的边OA,OB,OC为三个坐标轴， 称为晶轴，见图1.5。
闪锌矿结构和金刚石结构
的不同之处在于套构成晶
胞的两个面心立方分别是
由两种不同原子组成的。
图1.4 GaAs的闪锌矿结构
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1.2 晶体的晶向与晶面
晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格， 称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点， 格点的总体称为点阵。
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。
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109°28´，这种正四 面体称为共价四面体。
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图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条
整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成 它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原
子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一 个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子 金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互 平移1/4对角线长度套构而成的 面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原 子的结构，如图1.3(b)所示
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%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 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下
适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
一、晶体的基本知识
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 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（或 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）
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晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切，圆球半径就称 为共价四面体半径。
图1.2 共价四面体
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三、Si、Ge晶体结构
图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构 的晶胞，统称为金刚石结构晶胞
SEMICONDUCTOR PHYSICS
西安电子科技大学 微电子学院
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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
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图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方
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四、GaAs晶体结构
具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌 矿结构。
GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个 共价键，组成共价四面体。
所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
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非晶（体）的基本特点：
无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程 有序，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 （如非晶硅：a-Si）
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
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围
材料
导体
半导体
电阻率ρ(Ωcm)
＜ 10-3
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： 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降
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，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，
介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程 简要介绍了半导体表面的相关知识
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1.1 半导体的晶体结构
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二、共价键的形成和性质
对于单晶Si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。
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。
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 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
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本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象： 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，介绍了杂质半导体及
由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的 共价晶体。
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共价键的性质：饱和性和方向性
饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定 的限制。
Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4 个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因 此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。
对半导体Si、Ge和GaAs等具有
金刚石或闪锌矿结构的立方晶
系，通常取某个格点为原点，
再取立方晶胞的三个互相垂直
的边OA,OB,OC为三个坐标轴， 称为晶轴，见图1.5。
闪锌矿结构和金刚石结构
的不同之处在于套构成晶
胞的两个面心立方分别是
由两种不同原子组成的。
图1.4 GaAs的闪锌矿结构
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1.2 晶体的晶向与晶面
晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格， 称为晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点， 格点的总体称为点阵。
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。
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109°28´，这种正四 面体称为共价四面体。
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图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条
整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成 它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原
子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一 个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子 金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互 平移1/4对角线长度套构而成的 面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原 子的结构，如图1.3(b)所示
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%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 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下
适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
一、晶体的基本知识
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 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（或 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）
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晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切，圆球半径就称 为共价四面体半径。
图1.2 共价四面体
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三、Si、Ge晶体结构
图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构 的晶胞，统称为金刚石结构晶胞