《半导体物理学》PPT课件.ppt

《《半导体物理学》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《半导体物理学》PPT课件.ppt（120页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、上海交通大学成教院电子科学与技术专业,半导体物理学Semiconductor Physics,电话：36033332（H)（M）,上海交通大学微纳科学技术研究院,陆 鸣,E-mail：,So pleasure to meet you in classroom today!,I hope we will be happy to co-operate on our new subject of Semiconductor Physics in this semester.,教学目标,通过半导体中电子运动规律及其性质的学习，引导学生了解半导体物理的基本分析方法；从半导体中载流子的运动规律出发，掌握半

2、导体的基本导电理论，为学习半导体器件基础和从事电子科学技术相关的专业工作打好扎实基础。,教学内容及基本要求,课程包含半导体晶体，平衡状态下半导体体材特性，非平衡状态下半导体体材特性，平衡和偏置状态下 PN 结特性，PN 结伏 安特性，半导体表面和 MIS 结构及金属-半导体接触和异质结七章,通过学习要求学生对半导体物理的基本分析方法有较深刻了解，能从半导体中载流子运动的规律出发，分析处理半导体的基本导电理论，特别是 PN 结理论，同时对半导体表面，金属-半导体接触等相关问题有较好理解。,陆 鸣 半导体物理学,教材与参考书,刘恩科等半导体物理学（第6版）国防工业出版社,第一章 导论半导体晶体,C

3、hapter 1 Introduction Semiconductor Crystal,半导体器件，或微电子器件，本质上是材料取向（Materials oriented）的，即器件的特性基本上由半导体材料的性质决定。,半导体材料，正如半导体 的词义所示，是一种电导率（electrical conductivity）介于导体与绝缘体之间的材料。,晶体的基本概念,处于凝固状态下的物体，我们称之为固体。,固体按其结构可分为两类：一类是晶体，另一类是非晶体。,晶体又有单晶体和多晶体之分。一般所说的晶体，主要是指单晶体。,半导体器件和集成电路采用的半导体材料都是接近完美的单晶材料。,完美单晶半导体的研究

4、，当然是材料学家或者结晶学家的职责，不过，一些基本概念我们也应该知道。,人们在生产和生活实践中早就发现自然界中许多固体具有高度对称的、规则的外形，就把这类外形规则的固体称为晶体。,人们进步发现晶体的许多物理性质都与它们外形的规则性有关，如总沿解理面劈裂等，联想到晶体外形的规则性可能是它们内部结构规则性的反映。,另一方面，人们对组成物质的基本单元原子和分子逐渐有了较深入的认识。,十九世纪中期，布拉伐（Bravias）提出了晶体结构的空间点阵学说。,十九世纪末，费多洛夫等建立了晶体微观结构对称性的空间群理论。,归纳起来，晶体的主耍特征是内部原子(离子或分子)排列具有规则性和周期性。,整块材料中内部

5、原子都是有规则、周期地重复排列起来的晶体称为单晶体。,多晶体则由大量微小(线度在0.01毫米以下)的晶粒所组成，,多晶体内，每个小晶粒中的原子排列是规则和周期的，但各晶粒之间，原子排列的取向并不相同。,金属大都属于多晶体。,1，适当条件下生长的单晶体，外形呈规则的几何形状；,原子排列的规则性，宏观上决定了单晶体具有以下共性：,2，不同方向上原子排列情况不一样，物理性质也不相同，具有各向异性。,锗、硅，砷化镓和其它制作器件的半导体材料都是人工拉制的单晶体。,固体除晶体外，还有非晶体。非晶体中的原子排列都是无规则的，非晶体有时也称过冷液体。玻璃、塑料等都是非晶体。,固体物理学是研究晶体中原子和电子

6、运动规律及其性质的学科。,半导体物理学是固体物理学的分支，研究半导体晶体中原子和电子的运动规律及其性质。,晶体性质主要决定于它们的化学组成和内部结构。,晶体组成的化学成分不同其性质当然不同；晶体化学成分相同，但内部结构不同，性质也不相同。,表明内部结构对晶体性质有决定性影响。,下面以氢化钠晶体为例，筒单说明描述晶体结构周期性的方法。,NaCl 晶体由氯和钠两种元素的原子组成。形成 NaCl 晶体时，每个 Na+离子的近邻是 C1-离子，C1-离子的近邻是 Na+离子。,Na+,Cl-,0,a,b,c,NaCl 晶体的空间晶格,依靠带正电离子和带负电离子间的静电吸引形成的结构，称为离子键，由离子

7、键构成的晶体称为离子晶体。NaCl 是典型的离子晶体。,整个晶体可以看成是由一个基本的结构单元沿三个不同方向，各自按一定间距，周期地重复堆积的结果。,x,y,z,不同晶体的基本结构单元是不同的。,基本结构单元可以是一个原子，也可是若干个原子组成的集团。,NaCl 晶体的基本结构单元，由一个 Na+离子和一个 C1-离子组成。,为简单描述晶体内部结构的周期性，可把每个最小的重复单元用一个点来表示。,每个基本结构单元的代表点，必须选在各单元中的同类原子上（NaCI 的 Na 或 Cl），,也可以选在在基本结构单元的“重心”上。,显然，这些代表点空间分布的周期性与晶体中原子排列的周期性完全一致。,代

8、表点的整体称为空间晶格，或 布拉伐格子（Bravias Lattice）。,布拉伐格点是晶体基本结构单元的代表点，每个格点是一个原子集团的代表。,格点所代表的原子集团，彼此之间有相同的结构，即原子的成分、排列和取向均相同。,需要特别注意的是，应把布拉伐格子同晶体结构区分开来。晶体结构是指晶体中的原子排列，而布拉伐格子则是指晶体基本结构单元代表点在空间的分布。,任何晶体，只要知道它的布拉伐格子，那么，该晶体原子排列的周期性也就充分清楚地反映出来了。,因为布拉伐格点的排列情况与实际原子相同，两者的周期性完全一致。,那么一定晶体的基本结构单元包括多少个原子呢？,如果把化学成分不同或者所处环境不同的原

9、子看成类型不同的原子，显然存在下面的关系：,基本结构单元中的原子数=晶体中的原子类型数,NaCl 晶体是由两种化学成分不同的原子组成的，每个基元应包含一个 Na+离子和一个 C1-离子。表明上面的等式是成立的。,单胞与原胞 Unit Cell Primitive Cell,描述晶体内部结构周期性的另一种方法是把晶体划分成一些周期性的重复区域单胞或原胞。,单胞是以格点为顶点，以三个独立方向上的周期为边长构成的平行六面体，它是晶体中的一个小体积，一个周期性重复的区域。,单胞是晶体内部结构的缩影。单胞的重复堆积，可以得到整个晶体。,原胞也是单胞，只不过是体积最小的单胞。,每个原胞只能包含一个基元，即

10、一个布拉伐格点，且该布拉伐格点只能在原胞的顶角上，体心和面心不能有布拉伐格点。,由于原胞是体积最小的周期性重复区域，所以用它们来描述晶体内部结构的周期性，一定最充分、最细致。,很多情况下，原胞的形状不便反映晶体中原子排列的对称性。为既能描述原子排列的周期性，又可反映它们的对称性，习惯上都采用体积较大的单胞。,NaCl 晶体的单胞通常选择图示立方体,现在计算单胞中含多少个布拉伐格点。,立方体共有六个面。每个面心格点被两个立方体平分，因而平均来说，它面心格点对一个立方体的贡献是 1 2。,立方体八个顶角上有八个格点，每个顶角格点被八个立方体平分，所以顶角格点对每个立方体的贡献是1 8。,由此可知，

11、一个单胞中布拉伐格点的平均数为：,就是说，面心立方体单胞，包含四个布拉伐格点。,相应地，该单胞中包含有四个基元，即四个 Na+离子，四个 C1-离子。这样的单胞显然不是体积最小的单胞。,体积最小的单胞，即原胞，应该只包含一个布拉伐格点，其中有一个Na+离子和 C1-离子。,原胞中，因为格点都在顶角上，所以每个原胞中平均只包含个格点。容易计算，面心立方格子的原胞体积为立方单胞体积的 14，,基矢（Basic Sector）,为便于数学上进行分析，晶体内部结构的周期性也可用一组基本平移矢量(简称基矢量或基矢)来描述。,基矢量是沿单胞三个边长方向上，长度等于单胞边长的独立矢量。或者说是支撑起单胞的三

12、个独立矢量，常用 a，b，c 表示。,a,b,c,原基矢量是支挥起原胞的三个独立矢量，通常表为 a1，a2，a3。,a1,a2,a3,选沿立方体三条边方向上的单位矢量 i、j、k，以晶格常数 a 表示边长，则面心立方晶格的基矢量 a、b、c 可表示为,a,c,b,i,j,k,面心立方格子的原基矢量a1、a2、a3,则为,a=a i,b=a j,c=a k,a3,a1,a2,利用原基矢量表示布拉伐格点的位置非常简便：任选一格点作坐标原点，以一组原基矢量为坐标轴构成参考坐标系。,由于每个布拉伐格点都处在原胞的顶角上，因此，所有布拉伐格点的径向矢量，即晶格矢量 R 都可表为,a 1,a 2,R,描述

13、晶体内部结构周期性的上述方法，彼此是相关的，知道一种方法，便可以导出其它方法。,应指出的是，一定的晶体，其内部结构的周期性是一定的，即布拉伐格子是一定的，不过单胞、原胞、基矢量和原基矢量的选择却并不是唯一的。,引入上述这些概念后，晶体内部结构的周期性，可以这样来描述：,各个原胞中的点，原子排列情况是相同的。,任意两个原胞中相应点的径向矢量，仅差一个晶格矢量 R。所以，晶体中任意一点 r 和另一点 r1 若,式中 m1、m2、m3 为任意整数。,则这两点上晶体原子的分布情况完全相同，晶体的微观物理性质也完全一样。,再强调一次，布拉伐格子不是晶体。布拉伐格子只是用一个点表示的晶体中周期性重复单元。

14、,三维空间中布拉伐格子的分布方式只有 14 种类型。也就是说，三维晶体的布拉伐格子类型只有 14 种。,14 种不同类型的布拉伐格子(1)简单三斜(2)简单单斜(3)底心单斜(4)简单正交(5)底心正交(6)体心正交(7)面心正交(8)简单正方(9)体心正方（10）简单立方(11)体心立方(12)面心立方（13）三角（14）六角,表中，按单胞形式将14 种布拉伐格子分成七大晶系,所谓单胞形式指的是晶系的划分均以支撑起单胞的三个基矢量 a，b，c 的相对长度和它们之间的夹角作标志。,因习惯选取的单胞形式直接反映了布拉伐格子点群的对称性，故晶系划分的依据，实际上是布拉伐格子的点群对称性。对称性相同

15、，属于同一晶系；不相同则属于不同晶系。,三斜晶系,布拉伐格子：简单三斜,单胞基矢量的特征abc；,单斜晶系,单胞基矢量的特征abc；=90,简单单斜,底心单斜,正交晶系,单胞基矢量的特征abc；=90,正方晶系四角,单胞基矢量的特征a=b c；=90,立方晶系,单胞基矢量的特征a=b=c；=90,三角晶系,单胞基矢量的特征a=b=c；=120 90,六角晶系,单胞基矢量的特征a=b c；=90=120,金刚石结构,金刚石结构是碳原子组成的一种晶体结构,把金刚石晶体划分成正立方体形式的单胞，则除了在立方体顶角和面心上有碳原子外，在 4 个体对角线约 1/4 处也有碳原子存在。,立方体底面上原子排

16、列的投影图,凡原子排列情况和金刚石相同的晶体属于金刚石结构。元素半导体硅和锗都是金刚石结构。,结构上，金刚石结构由两套面心立方格子组成，一套格子的原子是另一套格子上原子的近邻，两套格子上原子与近邻原子形成共价键，只是方位不相同。,金刚石结构中，每个原子有四个分布在以该原子为中心的正四面体四个顶角上的近邻原子。,碳、硅和锗都是第 IV 族元素，每个原子有四个价电子，近邻原子的价电子形成共价键，每个共价键包含两个自旋相反结成一对的电子。正是这些共价键把原子联系起来构成整个晶体。,几种金刚石结构晶体的晶格常数,晶体中，规则、周期地在空间重复排列起来的原子将组成一系列直线以及平面。,晶列与晶面,晶体中

17、原子排列成的平面称晶面。,晶体中，原子排列成的直线称晶列,立方体晶格的三个常见晶面,密勒指数（Miller Indices）,通过液相还是汽相生长晶体时，生成的原子相对于可选的有效位置，呈现在某种优先位置上定位的趋向，便形成了宏观上的晶面。,英国的矿物学家 William H.Miller 开发了一套今天仍被普遍使用的识别晶面的体系。,选面心立方体单胞三个相互正交的棱边作坐标轴，构成一个参照系统。,在这个参照系统中，任何平面都可以按其与坐标轴的截距来标识。某平面的密勒指数就是被规定为与三个截距倒数之比相同的三个最小整数：,平面与三个坐标轴的截距分别是 1、3和 2，于是该平面的密勒指数便是 6

18、、2 和 3，这个面便标作（623）面。,（623）面,（623）面,（100）面,（110）面,（111）面,密勒指数除了可以标志晶面外，习惯上，还可以用来标志某个晶面的晶向。,晶面采用圆括号内插入密勒指数表示，对应晶面的晶向则用方括号内插入密勒指数来表示。,图中立方体晶格三个晶面对应的晶向是：100;110;111,111,100,110,晶体缺陷 Crystalline Defects,晶体完整周期性的破坏都可归纳为缺陷。,晶体中总存在杂质和各种类型的缺陷使内部结构的完整性遭受不同程度的破坏。,晶体中的不完整性可分为以下几类：,点的不完整性空位、间隙原子和杂质；,线的不完整性位错；,面的

19、不完整性层错。,晶体中存在的不完整性，将严重影响晶体的物理性质。,微量杂质可以控制半导体的导电类型和电导率的大小。,许多晶体的颜色都由缺陷引起。,晶体发光也几乎都与内部存在杂质有关。,空位和间隙原子是典型的点的不完整性，它们成对出现，这种点缺陷称费仑克尔缺陷。,空位,填隙原子,空位和间隙原子能从一个间隙越过势垒跳进另一个间隙形成运动。所谓空位运动，实际上是空位周围的原子跳进空位，空出它们原来的格点位置，造成在晶体中运动的结果。,位错是晶体中的一种线的不完整性。,单晶中，由于应力作用，面间距较大的晶面之间可以发生滑移，引起晶体范件形变。,晶面之间的滑移若开始于局部区域，逐渐扩大至整个晶面，那么局部区域的滑移便形成位错。,层错是晶体中面的不完整性。,在外延生长中，难免发生原子堆错层次，产生面缺陷的情况，通常称为层错。,End,