[理学]半导体物理_第一章.ppt

半导体物理与器件Semiconductor Physics and Devices中北大学电子科学与技术系张国军E-mail: zhangguojun1977@nuc.edu.cnTel: 3920350 (O) (m) 本课程的讲授内容 第一章 固体的晶体结构（2学时） 第四章 平衡状态下的半导体（2学时） 第五章 载流子输运与过剩载流子现象（2学时） 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子 （2学时） 第八章 pn结二极管 第九章 金属半导体和半导体异质结 （2学时） 教材与参考书教材：推荐教材为电子工业出版社出版的《半导体物理与器件》，作者Donald A.Neamen。参考书：顾祖毅，田立林等《半导体物理学》， 电子工业出版社，1995。刘恩科 《半导体物理学》，西安交通大学出版社，2003。 曹培栋《半导体器件》，电子工业出版社，2003   第一章固体的晶体结构本章学习要点：1. 了解半导体材料及其特点；2. 认识固体材料的三种主要结构类型；3. 理解几种基本的晶体结构以及晶向、晶面的概念；4. 了解半导体单晶材料的主要生长方法；5. 了解SOI材料的制备方法6. 理解能带论中绝缘体、导体、半导体的划分 §1.1 半导体材料1. 半导体材料的主要特征： 元素周期表中与半导体材料相关的部分元素： 2. 半导体材料的分类：（1）元素半导体：完全由同一种元素构成的半导体材料，例如硅（Si）、锗（Ge）等。（2）化合物半导体：由两种或两种以上不同元素构成的半导体材料，例如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、碳化硅（SiC）、铝镓砷（AlGaAs）等。 几种不同类型的半导体材料 §1.2 固体材料的三种主要结构类型固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的形状和体积。按其内部原子的排列情况可分为单晶，多晶和非晶三类。 §1.3 晶体的空间点阵结构1.原胞、晶胞与基矢：晶格（Lattice）：晶体中原子的周期性排列形式，分为简单晶格和复式晶格两大类。格点（Lattice point）：晶格中用来表示原子阵列的点； 2. 立方晶系基本的晶体结构：常见的三个基本的立方结构及其晶格常数（立方体的边长即为晶格常数）。（1）简单立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC） 3. 晶向、晶面与密勒指数：晶体的一个基本特点就是具有方向性。 假设a、b、c是晶体的三个独立的基矢，连接晶体中任意两个格点之间的矢量可以表示为： r=la+mb+nc 上式中l、m、n为整数或分数，习惯上我们一般选取与l、m、n成比例的三个互质整数u、v、w，并把它们放在方括号内[u v w]，用来表示特定的晶向。 由晶体中的原子排列所构成的平面称为晶面。密勒指数（布拉伐格子）：假设某个晶面与a、b、c轴的截距分别为pa、qb、sc，且p、q、s为整数，习惯上我们一般选取与p、q、s的倒数成比例的三个互质的整数h、k、l，即并把它们放在圆括号内(h k l)，用来表示特定晶面的取向。通常把这组晶面指数称为密勒指数。 4. 金刚石结构与闪锌矿结构： 图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构沿体对角线方向平移1/4对角线长度套构形成。 晶体的结构决定了晶体的性质： 图示为闪锌矿结构，砷化镓等化合物单晶材料即为闪锌矿结构，它也是由两个面心立方结构套构形成。 §1.6 半导体单晶材料的生长 硅单晶材料可以说是目前纯度最高的一种材料，其纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：1. 熔体生长法：又称为切克劳斯基（Czochralski）生长方法，或CZ法。 先籽晶直拉，进一步采用区熔再结晶方法提纯： 籽晶直拉法示意图 实际拉制出的12英寸硅单晶锭该硅单晶锭长1米，直径300毫米，重量达140千克 将硅单晶锭切割成硅晶园片的切片机 工作人员利用卡塞(Cassette）装载的300毫米硅晶园片 2. 外延层生长法：外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类：（1）同质外延（homoepitaxy）；（2）异质外延（heteroepitaxy）；常用的外延方法有：（1）化学气相淀积法（CVD）：也称为气相外延法（VPE）SiCl4+2H2→Si+4HCl（2）液相外延法（LPE）：温度低于CZ法，常用于化合物半导体材料的外延。（3）分子束外延法（MBE）：高真空，400至800℃，可精确控制。 气相外延法（VPE）示意图 分子束外延（MBE