半导体物理及器件物理基础微电子

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1、第二章半导体物理及器件物理基础本节内容半导体材料、基本晶体结构与共价键能级与能带本征载流子浓度施主和受主导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。绝缘体:电导率很低，约介于10-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；导体：电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属。半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。半导体材料半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。半导体材

2、料的类型：元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等半导体材料硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。元素(elements)半导体类别：二元化合物半导体：由两种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。多元

3、化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：IV－IV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）；III-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）等；II-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等；IV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）化合物(compound)半导体材料三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体A

4、lxGax-1As即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyP1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。化合物半导体的优势与不足：许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。化合物(compound

5、)半导体材料化合物(compound)半导体材料半导体的晶格结构：半导体的结构特点：半导体材料是单晶体，它在三维空间是周期性地排列着的。即使当原子热振动时，仍以其中心位置作微量振动。晶格(lattice)：晶体中原子的周期性排列称为晶格。单胞(unitcell)：周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此单胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。晶体结构单胞及其表示：右图是一个简单的三维空间单胞。晶格常数：单胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定

6、相同，称为晶格参数。每个三维空间晶体中的等效格点可用下面的向量组表示：R＝ma+nb+pc其中m、n及p是整数。晶体结构几种常见基本晶胞：简单立方晶格(simplecubic,sc)：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。体心立方晶格(body-centered,bcc)：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tung

7、sten)属于体心立方结构。xzyxz基本晶体结构面心立方晶格(face-centeredcubic,fcc):除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。密集六方结构：z基本晶体结构金刚石晶格结构：此结构属于面心立方晶体家族，可被视为两个相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的1/4(a的长度)。此两个副晶格中的

8、两组原子虽然在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。硅和锗都是金刚石晶格结构。闪锌矿结构(zincblendelattice)：大部分的III-V族化合物半导体(如GaAs)具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格的结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为III族原子(Ga)，另一个副晶格为V族原子(As)。基本晶体结构例1硅在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个单胞