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半导体物理SEMICONDUCTOR PHYSICS 西安电子科技大学 微电子学院 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 绪 论 什么是半导体 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 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 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 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 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 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 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。 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） 图1.1 非晶、多晶和单晶示意图 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。 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。 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。 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。 图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条 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。 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 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 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。 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