第1章 能帶和熱平衡載流子濃度01

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理1 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 基本晶體結(jié)構(gòu)基本晶體結(jié)構(gòu) 共價鍵共價鍵 能帶能帶 本征載流子濃度本征載流子濃度 施主和受主施主和受主第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理2固態(tài)材料（固態(tài)材料（導(dǎo)電性導(dǎo)電性）：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體。）：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體。 絕緣體：絕緣體：電導(dǎo)率很低，約介于電導(dǎo)率很低，約介于10-18S/cm10-8S/cm，如熔融石英及玻璃；，如熔融石英及玻璃； 導(dǎo)導(dǎo) 體：體：電導(dǎo)率較高，介于電導(dǎo)率較高，介于104S/cm106S/cm，如鋁、銀等金屬；，如

2、鋁、銀等金屬； 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810電阻率 /(cm)S-1電導(dǎo)率 /(cm )Ge鍺()硅(Si)GaAs砷化鎵()GaP磷化鎵()CdS硫化鎘()銅銀鋁鉑硫化鉍玻璃金剛石(純)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610

3、810電阻率 /(cm)S-1電導(dǎo)率 /(cm )Ge鍺()硅(Si)GaAs砷化鎵()GaP磷化鎵()CdS硫化鎘()銅銀鋁鉑硫化鉍玻璃金剛石(純)硫熔融石英1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理3p 半導(dǎo)體的特點：半導(dǎo)體的特點：易受易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原 子子的影響。的影響。 正是半導(dǎo)體的這種正是半導(dǎo)體的這種對電導(dǎo)率的高靈敏度特性對電導(dǎo)率的高靈敏度特性使半導(dǎo)體成使半導(dǎo)體成為各種電子應(yīng)用中最重要的材料之一。為各種電子應(yīng)用中最重要的材料之一。p 半導(dǎo)體材料的類型：半導(dǎo)體材料的類型

4、：l 元素半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體：硅（硅（Si）、鍺（、鍺（Ge）l 化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（砷化鎵（GaAs）、磷化銦（、磷化銦（InP）等）等第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理4硅、鍺硅、鍺：單一原子組：單一原子組成的元素半導(dǎo)體，周成的元素半導(dǎo)體，周期表第期表第IV族元素。族元素。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期年代初期，鍺；，鍺； 60年代初期以后年代初期以后，硅。硅。周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛周期IIIII

5、IVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛硅的優(yōu)勢：硅的優(yōu)勢：室溫下有較佳的特性；生長成本低；地表儲量豐室溫下有較佳的特性；生長成本低；地表儲量豐富，僅次于氧。富，僅次于氧。1.1.1 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理5類別：類別： 二元化合物半導(dǎo)體：二元化合物半導(dǎo)體：由兩種元素組成。由兩種元素組成。 三元化合物半導(dǎo)體：三元化合物半導(dǎo)體：由三種元素組成。由三種元素組成。 多元化合物半導(dǎo)體：多元化合物半導(dǎo)體：由三種及以上元素組

6、成。由三種及以上元素組成。n 化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢：化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢：具有與硅不同的電和光特性。具有與硅不同的電和光特性。如如GaAs等，主要用于高速光電器件。等，主要用于高速光電器件。n 化合物半導(dǎo)體的不足：化合物半導(dǎo)體的不足：與元素半導(dǎo)體相比，制作單晶與元素半導(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。體形式的化合物半導(dǎo)體通常需要較復(fù)雜的程序。1.1.2 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理61.2 基本晶體結(jié)構(gòu)基本晶體結(jié)構(gòu) 單晶單晶：原子原子在三維空間是在三維空間是周期性排列的。周期性排列

7、的。 晶格晶格：晶體中原子的周期：晶體中原子的周期性排列。晶格中的原子被性排列。晶格中的原子被抽象為一個點，稱為抽象為一個點，稱為格點格點。第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理71.2.1 單胞單胞 單胞單胞：以格點為頂點、以三個獨(dú)立方向上的周期為邊長所：以格點為頂點、以三個獨(dú)立方向上的周期為邊長所構(gòu)成的平行六面體；通常以一個單胞來代表整個晶格，將構(gòu)成的平行六面體；通常以一個單胞來代表整個晶格，將此單胞向晶體的四面八方延伸，即可得到完整的晶格。此單胞向晶體的四面八方延伸，即可得到完整的晶格。 單胞與晶格的關(guān)系可用三個向量單胞與晶格的關(guān)系可用三

8、個向量 、 、 來表示，它們來表示，它們不不需彼此正交需彼此正交，而且，而且長度上不一定相等長度上不一定相等。 三維結(jié)構(gòu)晶體中，任意等價晶格點可表示為三維結(jié)構(gòu)晶體中，任意等價晶格點可表示為其中，其中，m、n、p是整數(shù)。是整數(shù)。abcRmanbpcacbacb單胞單胞第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理8p立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)：立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)： 簡單的立方晶格簡單的立方晶格 每個頂角有一個原子每個頂角有一個原子 體心立方晶格體心立方晶格 除頂角外在立方體中除頂角外在立方體中心還有一個原子心還有一個原子yxzxzayzxy 面心立方晶格

9、面心立方晶格 簡立方的六個面的中簡立方的六個面的中心各有一個原子心各有一個原子P20 例例1其中，長度其中，長度a稱為稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)。第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理9金剛石晶格金剛石晶格閃鋅礦晶格閃鋅礦晶格 金剛石晶格結(jié)構(gòu)金剛石晶格結(jié)構(gòu)（硅、鍺）：屬面心立方晶體家族，可看作由（硅、鍺）：屬面心立方晶體家族，可看作由兩個面心立方晶格（子晶格）相互套構(gòu)形成，兩個子晶格沿體兩個面心立方晶格（子晶格）相互套構(gòu)形成，兩個子晶格沿體對角線方向偏移的距離為體對角線的對角線方向偏移的距離為體對角線的1/4。雖然分別屬于兩個子。雖然分別屬于兩個子晶

10、格的兩組原子在化學(xué)上是相同的，但以晶格角度看卻不同。晶格的兩組原子在化學(xué)上是相同的，但以晶格角度看卻不同。 閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)（GaAs）：與金剛石晶格類似，只是相互套構(gòu)）：與金剛石晶格類似，只是相互套構(gòu)的兩個面心立方子晶格中的原子分別為的兩個面心立方子晶格中的原子分別為III族原子（族原子（Ga）和）和V族族原子（原子（As）。）。P21 例例21.2.2 金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理10 晶面：晶格的格點可以看成分列在平行等距的平面系上，這晶面：晶格的格點可以看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱

11、為樣的平面稱為晶面晶面。 由于不同晶面的原子間距不同；因此，晶體沿不同晶面的特由于不同晶面的原子間距不同；因此，晶體沿不同晶面的特性不同，其電特性及其他器件特性都與晶體方向有關(guān)系。性不同，其電特性及其他器件特性都與晶體方向有關(guān)系。 密勒指數(shù)（密勒指數(shù)（Miller Indices）：定義晶體中的不同晶面。可由：定義晶體中的不同晶面?？捎上铝胁襟E確定：下列步驟確定：1. 找出晶面在坐標(biāo)系中三個坐標(biāo)軸上的截距（以晶格常數(shù)為單位）；找出晶面在坐標(biāo)系中三個坐標(biāo)軸上的截距（以晶格常數(shù)為單位）；2. 取這三個截距值的倒數(shù)，并將其化為最小的整數(shù)比；取這三個截距值的倒數(shù)，并將其化為最小的整數(shù)比；3. 將此結(jié)果

12、以將此結(jié)果以“（hkl）”表示，即為這個平面的密勒指數(shù)。表示，即為這個平面的密勒指數(shù)。P22 例例31.2.3 晶面及密勒指數(shù)晶面及密勒指數(shù)第第1 1章章 能帶和熱平衡載流子濃度能帶和熱平衡載流子濃度半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理11p以下是一些其他約定記號：以下是一些其他約定記號：1.(hkl)：代表在：代表在x軸上截距為負(fù)的平面，如軸上截距為負(fù)的平面，如(100)。2.hkl：代表相對稱的平面群，如在立方對稱平面中，可：代表相對稱的平面群，如在立方對稱平面中，可用用100表示表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)；3.hkl：代表一：代表一晶體的方向晶體的方向，如，如100表示表示x軸方向。軸方向。100方向定義為垂直于方向定義為垂直于(100)平面的方向，而平面的方向，而111則為垂直于則為垂直于(111)平面的方向。平面的方向。4.：代表等效方向的所有方向組，如：代表等效方向的所有方向組，如代表代表100、010、001、 100、010、001 。(010)aaa(001)O(100)yxza