半导体物理1解读.ppt

林 硕 E-mail: linshuo_pv@163.com 1.半导体概述 半导体元素 金刚石 结构 六方结构hcp 七大晶系 实际晶体与理想晶体的区别 原子并非在格点上固定不动 杂质的存在 缺陷 点缺陷（空位，间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错，晶粒间界） 晶体中的杂质占位 杂质原子来源：原材料纯度不够、半导体材料制备过程中的玷污，人为掺杂 杂质原子在晶体中的占位： 间隙原子：处于正常原子构成的多面 体空隙 替位原子：取代正常格点原子 2.施主杂质与施主能级 P在Si中成为替位杂质： 五价P外层5个价电子，4个和硅原子形成共价键，剩余1个电子； 电子脱离P原子束缚，成为导电电子：P电离（杂质电离），电离能很小0.04eV P+为不动的正电中心（电离施主），V族杂质为施主杂质或n型杂质 半导体中导带多出电子，半导体导电靠电子导电－n型半导体 电离前施主杂质为中性的束缚态，束缚电子的能级为施主能级ED,为靠近导带的孤立能级: ⊿ED=Ec-EDEg B在Si中成为替位杂质： 三价B外层3个价电子，和硅原子形成共价键，从Si中夺取1个电子成负电中心； Si晶体中有原子因失去电子形成空穴，易于挣脱负电中心束缚成为自由导电空穴； 价带空穴增多，半导体导电能力主要依靠空穴－P型半导体 B受主杂质，B－为电离受主；未电离束缚态能级EA靠近价带，孤立能级 ⊿EA=EA –EvEg * * 半导体物理1 什么是半导体？ 半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质 半导体的主要特征？ 半导体的电阻率可在很大范围内变化 2.物质结构 常见的半导体材料 Element semiconductors: Si, Ge 3. 基本的晶体结构 简立方 体心立方 面心立方 立方晶系－晶轴相互垂直，且边长相等的晶胞称为立方晶系的晶胞。 闪锌矿结构 ?=?=?=90? a=b=c 立方晶系 ?=?=??90? a=b=c 三角晶系 ?=?=90?， ?=120? a=b?c 六角晶系 ?=?=?=90? a=b?c 四方晶系 ?=?=?=90? a?b?c 正交晶系 ?=?=90?， ??90? a?b?c 单斜晶系 ??????90? a?b?c 三斜晶系 晶轴间的夹角 晶轴上的周期 晶系名称 EC EF EV E~k E~x 1.半导体中E(k)与k的关系 半导体中起作用的是接近于能带底部电子或能带顶部空穴，因此要清楚其能带底部或顶部附近(也即能带极值附近)的E(k)与k关系 利用用泰勒级数展开，近似求出极值附近E(k)与k的关系。 假设E（0）为价带顶或导带底，以一维情况为例，设能带底位于波数k＝0处，将E（k）在k=0附近展成泰勒级数： 而 Motion of Electrons in Semiconductors Effective 令 则 由（3）式可以见到： (1)对于能带顶的情形，由于E（k）E(0),故mn*0; (2)对于能带底的情形，由于E（k） (0), 故mn*0. mn*：电子有效质量 所以 杂质和缺陷对半导体的物理和化学性质起到决定性的影响，原因是在半导体禁带中引入电子的能量状态（能级） 1.半导体中的杂质能级 Impurity-doped Silicon 杂质原子进入半导体硅后，只可能以两种方式存在。 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；间隙式杂质原子一般较小，如离子锂（Li+）。 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，常称为替位式杂质。替位式杂质原子通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。 用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si 杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏： Impurity-doped Silicon 杂质能级位于禁带之中 Ec Ev Impurity-doped Silicon 杂质能级 Impurity-doped Silicon 施主电