半導(dǎo)體物理及器件物理基礎(chǔ)微電子(已修改)
2025-01-25 12:27 本頁面
【正文】 第二章 半導(dǎo)體物理及器件物理基礎(chǔ) 本節(jié)內(nèi)容 ? 半導(dǎo)體材料、基本晶體結(jié)構(gòu)與共價鍵 ? 能級與能帶 ? 本征載流子濃度 ? 施主和受主 導(dǎo)電性：固態(tài)材料可分為三類，即絕緣體、半導(dǎo)體及導(dǎo)體。 ?絕緣體 : 電導(dǎo)率很低，約介于 1018S/cm～ 108S/cm,如熔融石英及玻璃； ?導(dǎo) 體： 電導(dǎo)率較高，介于 104S/cm～ 106 S/cm，如鋁、銀等金屬。 ?半導(dǎo)體： 電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。 18101610141012101010810610410210 1210? 410? 610? 810?1810? 1610? 1410? 1210? 1010? 810? 610? 410? 210?1210410610810? ??電 阻 率 / ( c m )S? ?1電 導(dǎo) 率 / ( c m )Ge鍺 ()硅 ( S i )G aA s砷 化 鎵 ()G a P磷 化 鎵 ()C d S硫 化 鎘 ()銅銀鋁鉑硫 化 鉍玻璃金剛石 ( 純 )硫熔融石英電 阻 率電 導(dǎo) 率鍺硅砷 化 鎵磷 化 鎵硫 化 鎘銅銀鋁鉑硫 化 鉍玻璃金剛石 純硫熔融石英半導(dǎo)體材料 ? 半導(dǎo)體的特點： 易受溫度、照光、磁場及微量雜質(zhì)原子的影響。 正是半導(dǎo)體的這種對電導(dǎo)率的高靈敏度特性使半導(dǎo)體成為各種電子應(yīng)用中最重要的材料之一。 ? 半導(dǎo)體材料的類型： ? 元素半導(dǎo)體：硅 (Si)、鍺 (Ge) ? 化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（ GaAs）、磷化銦（ InP）等 半導(dǎo)體材料 硅、鍺 都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體，均為周期表第 IV族元素。 ?20世紀(jì) 50年代初期，鍺曾是最主要的半導(dǎo)體材料； ?60年代初期以后 ，硅已取代 鍺 成為半導(dǎo)體制造的主要材料。 周期 II III IV V VI2 B C N 硼 炭 氮3 M g Al Si P S鎂 鋁 硅 磷 硫4 Zn Ga Ge As Se鋅 鎵 鍺 砷 硒5 Cd In Sn Sb Te鉻 銦 錫 銻 碲6 Hg Pb汞 鉛硼 炭 氮鎂 鋁 硅 磷 硫鋅 鎵 鍺 砷 硒鉻 銦 錫 銻 碲汞 鉛硅的優(yōu)勢： 硅器件在室溫下有較佳的特性；高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的 25%，僅次于氧，儲量豐富。 元素 (elements)半導(dǎo)體 類別： ?二元化合物半導(dǎo)體： 由兩種元素組成。 ?三元化合物半導(dǎo)體： 由三種元素組成。 ?多元化合物半導(dǎo)體： 由三種及以上元素組成。 二元化合物半導(dǎo)體： ?IV－ IV族元素化合物半導(dǎo)體： 炭化硅（ SiC）； ?IIIV族元素化合物半導(dǎo)體： 砷化鎵（ GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（ InP）等； ?IIVI族元素化合物半導(dǎo)體： 氧化鋅（ ZnO）、硫化鋅（ ZnS）、碲化鎘（ CdTe）等； ?IVVI族元素化合物半導(dǎo)體： 硫化鉛（ PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（ PbTe） 化合物 (pound)半導(dǎo)體材料 三元化合物與多元化合物半導(dǎo)體： ?由 III族元素鋁 (Al)、鎵 (Ga)及 V族元素砷 (As)所組成的合金半導(dǎo)體 AlxGax1As即是一種三元化合物半導(dǎo)體， ?具有 AxB1xCyD1y形式的四元化合物半導(dǎo)體可由許多二元及三元化合物半導(dǎo)體組成。例如，合金半導(dǎo)體 GaxIn1xAsyP1y是由磷化鎵 (GaP)、磷化銦 (InAs)及砷化鎵 (GaAs)所組成。 化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢與不足： ?許多化合物半導(dǎo)體具有與硅不同的電和光電特性。這些半導(dǎo)體，特別是砷化鎵 (GaAs),主要用于高速光電器件。 ?與元素半導(dǎo)體相比，制作單晶體形式的化合物半導(dǎo)體通常需要較復(fù)雜的程序。 ?化合物半導(dǎo)體的技術(shù)不如硅半導(dǎo)體技術(shù)成熟。 化合物 (pound)半導(dǎo)體材料 化合物 (pound)半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)： ?半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點： 半導(dǎo)體材料是單晶體，它在三維空間是周期性地排列著的。即使當(dāng)原子熱振動時，仍以其中心位置作微量振動。 ?晶格 (lattice)： 晶體中原子的周期性排列稱為晶格。 ?單胞 (unit cell)： 周期性排列的最小單元，用來代表整個晶格，將此單胞向晶體的四面八方連續(xù)延伸，即可產(chǎn)生整個晶格。 acbαβγ晶體結(jié)構(gòu) 單胞及其表示： ?右圖是一個簡單的三維空間單胞 。 ?晶格常數(shù)： 單胞與晶格的關(guān)系可用三個向量 a、 b及 c來表示 ，它們彼此之間不需要正交 ， 而且在長度上不一定相同 ， 稱為晶格參數(shù) 。 acbαβγ?每個三維空間晶體中的等效格點可用下面的向量組表示： R＝ ma + nb + pc 其中 m、 n及 p是整數(shù)。 晶體結(jié)構(gòu) 幾種常見基本晶胞： ?簡單立方晶格 (simple cubic,sc)：在立方晶格的每一個角落 ， 都有一個原子 ， 且每個原子都有六個等距的鄰近原子 。 長度 a稱為晶格常數(shù) 。 在周期表中只有钚 (polonium)屬于簡單立方晶格 。 ?體心立方晶格 (bodycentered,bcc)：除了角落的八個原子外 ,在晶體中心還有一個原子 。 在體心立方晶格中 ， 每一個原子有八個最鄰近原子 。 鈉 (sodium)及鎢 (tungsten)屬于體心立方結(jié)構(gòu) 。 x z y x z AB CD基本晶體結(jié)構(gòu) ?面心立方晶格 (facecentered cubic, fcc):除了八個角落的原子外， 另外還有六個原子在六個面的中心 。 在此結(jié)構(gòu)中 ， 每個原子有 12個最鄰近原子 。 很多元素具有面心立方結(jié)構(gòu) ， 包括鋁(aluminum)、 銅 (copper)、 金 (gold)及鉑 (platinum)。 ?密集六方結(jié)構(gòu) ： z 基本晶體結(jié)構(gòu) ?金剛石晶格結(jié)構(gòu) ：此結(jié)構(gòu)屬于面心立方晶體家族 ， 可被視為兩個相互套構(gòu)的面心立方副晶格 ， 此兩個副晶格偏移的距離為立方體體對角線的1/4(a的長度 )。 此兩個副晶格中的兩組原子雖然在化學(xué)結(jié)構(gòu)上相同 ， 但以晶格觀點看卻不同 。 硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu) 。 ?閃鋅礦結(jié)構(gòu) (zincblende lattice)：大部分的 IIIV族化合物半導(dǎo)體 (如GaAs)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu) ， 它與金剛石晶格的結(jié)構(gòu)類似 ， 只是兩個相互套構(gòu)的面心立方副晶格中的組成原子不同 ， 其中一個副晶格為 III族原子(Ga)， 另一個副晶格為 V族原子 (As) 。 基本晶體結(jié)構(gòu) 例 1 硅在 300K時的晶格常數(shù)為。 請計算出每立方厘米體積中的硅原子數(shù)及常溫下的硅原子密度 。 解： 每個單胞中有 8個原子 ， 因此每立方厘米體積中的硅原子數(shù)為 8/a3=8/( 108)3=5 1022（ 個原子 /cm3） 密度 =每立方厘米中的原子數(shù) 每摩爾原子質(zhì)量 /阿伏伽德羅常數(shù) =5 1022 ( 1023)g/cm3 =基本晶體結(jié)構(gòu) 由于不同平面的原子空間位置不同 。 因此沿著不同平面的晶體特性并不同 ， 且電特性及其他器件特性與晶體方向有著重要的關(guān)聯(lián) 。 密勒指數(shù) (Miller indices)：是界定一晶體中不同平面的簡單方法 。 這些指數(shù)可由下列步驟確定： ?找出平面在三坐標(biāo)軸上的截距值 (以晶格常數(shù)為計量單位 )； ?取這三個截距值的倒數(shù) ， 并將其化簡成最簡單整數(shù)比；
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