半导体器件物理1-2章量子力学初步

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1、半导体器件物理第一章：半导体材料就其导电性而然，半导体材料的导电性能介于金属和绝缘体之间。半导体基本可以分为两类：位于元素周期表IV族的元素半导体和化合物半导体。大部分化合物半导体材料是Ⅲ族和V族元素化合而成的。表1.1是元素周期表的一部分，包含了最常见的半导体元素。表1.2给出了较为常用的某些半导体材料。表1.1部分半导体元素周期表ⅢⅣ（元素半导体材料）Ⅴ硼（B）碳（C）铝（AL）硅（Si）磷（P）镓（Ga）锗（Ge）砷（As）铟（In）锑（Sb）表1.2半导体材料元素半导体化合物半导体Si硅AlP磷化铝Ge锗

2、AlAs砷化铝GaP磷化镓GaAs砷化镓InP磷化铟由一种元素组成的半导体称为元素半导体，如Si和Ge。硅是制作半导体器件和集成电路最常用的半导体材料。由两种或两种以上半导体元素组成的半导体称为化合物半导体，如GaAs或GaP是由Ⅲ族和Ⅴ51族元素化合而成的。其中GaAs是应用最为广泛的一种化合物半导体材料，它具有较高的载流子迁移率，因此一般应用在制作高速器件或高速集成电路的场合。1.1半导体的价键和价电子硅是用于制作半导体器件和集成电路的重要材料之一，它具有金刚石晶格结构，是IV族元素；锗也具有金刚石晶格结构，

3、也是IV族元素。其它化合物半导体材料如砷化镓具有闪锌矿晶格结构。由于硅是主流集成电路工艺普遍使用的半导体材料，所以我们主要研究该材料的物理特性。无限多的硅原子按一定规律在三维空间上的集合就形成硅晶体（通常是形成单晶体结构）是什么因素导致硅原子的集合能够形成特定的硅晶格结构？统计物理学给出了答案：热平衡系统的总能量总是趋于达到某个最小值。原子间价键的作用使它们“粘合”在一起形成晶体。原子间的相互作用倾向于形成满价壳层。元素周期表中的Ⅳ族元素Si和Ge，其原子序数是14，包围着硅原子有3个电子壳层，最外层壳层上有4个

4、价电子，需要另外4个价电子来填满该壳层。51当硅原子组成晶体时，最外层壳层上的4个价电子与紧邻的硅原子的最外层4电子组成共价键。大量的硅、锗原子组成晶体靠的是共价键的结合。图1.1a显示了有4个价电子的5个无相互作用的硅原子，图1.1b显示了硅原子共价键的二维视图。中间的那个硅原子就有8个被共享的价电子，因此它是稳定的。其它4个硅原子有3个价键是悬空的，没有形成稳定的共价键。硅半导体材料的价键是共价键，空着的价键有两个作用：一是能够与更多的硅原子结合形成更大的硅晶体；二是由于硅晶体不能无限大，因此其表面必然形成悬

5、挂键，悬挂键的存在对其后讲述的MOSFET的阈值电压大小有着密切的联系。价电子：原子周围的最外层的非饱和电子称为价电子。我们知道原子的最外层电子层上如果有2个或8个电子，通常称为饱和层。惰性元素氦（He）氖（Ne）原子的最外层分别有2个电子和8个电子，因此氦、氖原子的最外层电子不是价电子51。元素周期表中的I族元素，外层有1个价电子，在与其它元素结合时，容易失掉该电子而成为带1个正电荷的离子；元素周期表中的VII族元素，外层有7个价电子，在与其它元素结合时，容易得到1个电子而成为带1个负电荷的离子。1.2固体中的

6、缺陷和半导体的掺杂不同的固体材料有着各自固定的晶格结构，自然界中不存在完整晶格结构的固体材料，也不可能人工制造出完美晶格结构的固体，它们或多或少会存在着一定的缺陷；这些缺陷的存在破坏了完美晶格的几何周期性，同时也改变了材料的电学特性。1.2.1固体中的缺陷类型所有晶体都有一类缺陷是原子的热振动。理想的单晶固体其原子都位于晶格的特定位置，这些原子以一定的距离与其它原子彼此分开。由于热效应的因素，晶体中的原子具有一定的热能，温度越高热能越大，它是温度的函数。具有热能的原子会在晶格的平衡处产生随机振动，随机热振动又会引

7、起原子间距的随机波动，轻微地破坏了晶体中原子的完美几何排列。晶体中的另一类缺陷称为点缺陷，点缺陷分为填隙缺陷和空位缺陷51。我们已经知道，理想的单晶晶格中，原子是按完美的周期性排列的。但实际的晶体中，某些特定晶格格点上的原子可能会缺失，这种缺陷称为空位缺陷；如图1.2a所示。在其它位置，原子可能位于晶格格点之间，这种缺陷称为填隙缺陷；如图1.2b所示。图1.2a晶格中的空位缺陷1.2b晶格中填隙缺陷晶体中存在空位和填隙缺陷时，不仅原子排列的完整性受到破坏，而且理想的原子间的化学键也被打乱，靠的足够近的空位或填隙原

8、子会在两个缺陷间发生相互作用，这都将改变材料的电学特性。点缺陷的特征包含单个原子或单个原子位置。在单晶的形成过程中，还会出现更为复杂的缺陷。当一整列的原子从正常的晶格位置缺失时，就会出现线缺陷。这种缺陷还可以形象地称为线错位。如图1.3。和点缺陷一样，线错位也破坏了正常晶格的几何周期性和晶体中理想的原子键。线错位也会改变材料的电学特性。51图1.3线缺陷的二维表示1.2.