半導(dǎo)體物理課件

1、半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)及表面結(jié)構(gòu)龐智勇山東大學(xué)物理學(xué)院本幻燈片參照劉恩科等所編教材半導(dǎo)體物理學(xué)編寫主要內(nèi)容：1.1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)及主要測(cè)定方法1.2 半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)及主要的實(shí)驗(yàn)方法半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics硅、鍺、金剛石等具有金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：每個(gè)原子周圍都有四個(gè)最近鄰原子，組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)Diamond structure半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics金剛石結(jié)構(gòu)晶胞：一種由

2、相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格，它由兩個(gè)面心立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開1/4長(zhǎng)度套構(gòu)而成半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics由III族元素鋁、鎵、銦和V族元素磷、砷、銻合成的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，絕大多數(shù)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，如GaAs、InSb、GaP等由II族元素鋅、鎘、汞和VI族元素硫、硒、碲合成的II-VI族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金屬*外都是半導(dǎo)體材料，大部分也都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，但是有些也可具有六角晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe等閃鋅礦結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)類似，不同在于其晶格由兩種不同原子各自組成的面心立方晶格沿空間對(duì)角線彼此位移四分之一長(zhǎng)

3、度套構(gòu)而成。閃鋅礦結(jié)構(gòu)Zinc blende structure*半金屬(semi-metal)與半金屬(half-metal)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics半金屬 semi-metals 性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的元素。半金屬元素在元素周期表中處于金屬向非金屬過渡位置，通常包括硼、硅、砷、碲、硒、釙和砹，鍺、銻也可歸入半金屬。若沿元素周期表A族的硼和鋁之間到 A 族的碲和釙之間畫一鋸齒形斜線，則貼近這條斜線的元素（除鋁外）都是半金屬。半金屬性脆，呈金屬光澤，負(fù)電性在1.82.4之間，大于金屬，小于非金屬。半金屬與非金屬作用時(shí)常作為電子給予體，而與金屬作用時(shí)常作為電子接

4、受體。其氧化物與水作用生成弱酸性或弱堿性的溶液。半金屬大多是半導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性，電阻率介于金屬（10-5歐姆厘米以下）和非金屬（1010歐姆厘米以上）之間，導(dǎo)電性對(duì)溫度的依從關(guān)系通常與金屬相反，如果加熱半金屬，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而上升。半金屬大都具有多種不同物理、化學(xué)性質(zhì)的同素異形體，廣泛用作半導(dǎo)體材料。半金屬semi-metals半金屬這個(gè)名詞起源于中世紀(jì)的歐洲，用來稱呼鉍，因?yàn)樗鄙僬＝饘俚难诱剐裕凰愕蒙稀鞍搿苯饘?。目前則指導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類金屬。如砷、銻、鉍、石墨等。除上述元素外，化合物也可以是半金屬，如 Mg2Pb。另有一些化合物，如HgTe、HgSe等禁帶寬度等于

5、零，有時(shí)稱作零禁帶半導(dǎo)體，實(shí)質(zhì)上也是半金屬。 半金屬能帶的特點(diǎn) 它的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間有一小部分重疊。不需要熱激發(fā)，價(jià)帶頂部的電子會(huì)流入能量較低的導(dǎo)帶底部。因此在絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)帶中就已有一定的電子濃度，價(jià)帶中也有相等的空穴濃度。這是半金屬與半導(dǎo)體的根本區(qū)別。但因重疊較小，它和典型的金屬也有所區(qū)別。半金屬(half-metal)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics 半金屬是一種具有特殊電子結(jié)構(gòu)的固體材料，費(fèi)米面附近傳導(dǎo)電子的自旋方向都相同，極化率為100。 半金屬(half-metal)和傳統(tǒng)的半金屬(semi-metal)是兩個(gè)完全不同的概念，為避免混淆后者可稱為類金屬。典型的類

6、金屬有鉍(bismuth)和石墨等半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics纖鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)相接近，它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，但是它具有六方對(duì)稱性，而不是立方對(duì)稱性。硫化鋅ZnS、硒化鋅ZnSe、硫化鎘CdS、硒化鎘CdSe等可以閃鋅礦和纖鋅礦兩種方式結(jié)晶。纖鋅礦結(jié)構(gòu)Wurtzite structure半導(dǎo)體的結(jié)合性質(zhì)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics共價(jià)結(jié)合與離子結(jié)合共價(jià)四面體結(jié)構(gòu)混合鍵共價(jià)結(jié)合與離子結(jié)合半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics固體中存在的四種基本結(jié)合形式：共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、金屬性結(jié)合與范德瓦爾斯結(jié)合晶體的結(jié)合性質(zhì)

7、與組成晶體的原子得失價(jià)電子的能力密切相關(guān)。電負(fù)性（負(fù)電性）綜合了原子得失電子的能力，首先由萊納斯鮑林于1932年提出。它以一組數(shù)值的相對(duì)大小表示元素原子在分子中對(duì)成鍵電子的吸引能力，稱為相對(duì)電負(fù)性，簡(jiǎn)稱電負(fù)性。元素電負(fù)性數(shù)值越大，原子在形成化學(xué)鍵時(shí)對(duì)成鍵電子的吸引力越強(qiáng)。半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics對(duì)同一周期元素，由左至右電負(fù)性逐漸增大；對(duì)同一族元素，由上至下電負(fù)性逐漸減小。電負(fù)性小的元素易給出電子，通常以金屬形式存在；電負(fù)性較大的元素，通常以共價(jià)鍵結(jié)合，具有半導(dǎo)體或絕緣體性質(zhì)就化合物而言，由電負(fù)性很強(qiáng)和電負(fù)性很弱的兩種元素形成的晶體是典型的離子晶體；電負(fù)性相近的兩種

8、元素傾向于形成共價(jià)鍵半導(dǎo)體通常以共價(jià)結(jié)合為基礎(chǔ)，但是在化合物半導(dǎo)體中通常含有不同程度的離子結(jié)合成分在共價(jià)化合物中，每個(gè)原子所形成的共價(jià)鍵數(shù)目并不簡(jiǎn)單地由每個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)決定，而是決定于平均價(jià)電子數(shù)。例如GaAs中，Ga和As分別具有3個(gè)和5個(gè)價(jià)電子，平均價(jià)電子數(shù)為4，所以能形成4個(gè)共價(jià)鍵共價(jià)四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics原子在化合成分子的過程中，根據(jù)原子的成鍵要求，在周圍原子影響下，將原有的原子軌道進(jìn)一步線性組合成新的原子軌道。這種在一個(gè)原子中不同原子軌道的線性組合，稱為原子軌道的雜化。雜化后的原子軌道稱為雜化軌道。雜化時(shí)，軌道的數(shù)目不變，軌道在空間的分布方

9、向和分布情況發(fā)生改變。 在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中，以Si、Ge為例，最外面的價(jià)電子殼層有1個(gè)s態(tài)軌道和3個(gè)p態(tài)軌道。處在p態(tài)中的電子形成的共價(jià)鍵應(yīng)是互相垂直的，但實(shí)際形成的4個(gè)共價(jià)鍵之間具有相同的夾角10928。這是因?yàn)樗膫€(gè)共價(jià)鍵實(shí)際上是以s態(tài)和p態(tài)波函數(shù)的線性組合為基礎(chǔ)，發(fā)生了所謂的軌道雜化。以上述sp3雜化軌道為基礎(chǔ)形成共價(jià)鍵。Linus Carl Pauling （1901-1994）美國著名化學(xué)家，量子化學(xué)的先驅(qū)者之一。1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，1962年因反對(duì)核彈在地面測(cè)試的行動(dòng)獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)，其后他主要的行動(dòng)為支持維C在醫(yī)學(xué)的功用。鮑林被認(rèn)為是20世紀(jì)對(duì)化學(xué)科學(xué)影響最大的人之一，他

10、所撰寫的化學(xué)鍵的本質(zhì)被認(rèn)為是化學(xué)史上最重要的著作之一，他提出的電負(fù)性、共振論、價(jià)鍵理論、雜化軌道、蛋白質(zhì)折疊等概念和理論在當(dāng)今的化學(xué)界都有著非常基礎(chǔ)和廣泛的使用。 混合鍵半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics共價(jià)性的A8-NBN類型的化合物與IV族元素半導(dǎo)體類似，共價(jià)鍵也是以sp3雜化軌道為基礎(chǔ)的，但是與IV族元素半導(dǎo)體相比有一個(gè)重要區(qū)別，這就是在共價(jià)性化合物晶體中，結(jié)合的性質(zhì)具有不同程度的離子性，常稱這類半導(dǎo)體為極性半導(dǎo)體。在共價(jià)化合物中，電負(fù)性弱的原子平均來說帶有正電，而電負(fù)性強(qiáng)的原子則平均來說帶有負(fù)電。正負(fù)電荷之間的庫侖相互作用對(duì)于結(jié)合能有一定的貢獻(xiàn)，這種情形與離子結(jié)合相

11、似，這就是所謂的離子性。由于這種離子性，由電負(fù)性差別較大的兩元素形成的化合物（離子性較強(qiáng)）常傾向于形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)；在共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下，傾向于形成閃鋅礦結(jié)構(gòu)。離子性的大小對(duì)晶體的許多性質(zhì)產(chǎn)生影響，如力學(xué)的解理面方向等，有一些離子性強(qiáng)的化合物半導(dǎo)體，只能呈現(xiàn)n型或p型，成為單極性半導(dǎo)體。 晶格結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法 - X射線衍射法(X-ray diffraction, XRD)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics1895年倫琴（德國，W.K.Rontgen）發(fā)現(xiàn)X射線德國科學(xué)家勞埃（M.Laue）提出了用晶體作為天然立體光柵用于X射線衍射的想法， 1912年勞埃和他的學(xué)生W.Fr

12、iedrich和P.Knipping用CuSO45H2O晶體觀察到了X射線衍射圖。1913-1914年，英國科學(xué)家W.H.Bragg和W.L.Bragg確定了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法并首次測(cè)定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。M.LaueW.H.BraggW.L.Bragg實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics有兩個(gè)基本的方程：Laue方程和Bragg方程。Laue方程以直線點(diǎn)陣為出發(fā)點(diǎn)， Bragg方程以平面點(diǎn)陣為出發(fā)點(diǎn)，兩者是等效的。下面為Bragg方程： 布喇格定律簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長(zhǎng)已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線

13、狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一角符合布喇格條件的反射面得到反射,測(cè)出后，利用布喇格公式即可確定點(diǎn)陣平面間距、晶胞大小和類型;根據(jù)衍射線的強(qiáng)度,還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics根據(jù)Bragg條件：2dsin=n可采用改變或來實(shí)現(xiàn)改變或不同。有如下方法：衍射方法 適用試樣1.勞埃法變 不變單晶（ 連續(xù)X線）2.轉(zhuǎn)晶法不變 變 單晶（單色X光）3.粉末法不變 變 多晶粉末（照相法） （單色X光）（多晶不同（衍射儀法）晶面取向） 單一物相的鑒定或驗(yàn)證 物相定性分析 物相分析 混合物相的鑒定（物相鑒定） 物相定量分析 衍射花樣的指數(shù)標(biāo)定 點(diǎn)

14、陣常數(shù)（晶胞參數(shù)）測(cè)定 晶體結(jié)構(gòu)分析 晶體對(duì)稱性（空間群）的測(cè)定 等效點(diǎn)系的測(cè)定 晶體定向 非晶體結(jié)構(gòu)分析 晶粒度測(cè)定 結(jié)晶度測(cè)定, 晶體密度測(cè)定 取向度測(cè)定 宏觀應(yīng)力分析半導(dǎo)體物理 Semiconductor PhysicsX射線衍射分析的應(yīng)用半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics物理學(xué)院化學(xué)院環(huán)境學(xué)院半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面的研究是當(dāng)前半導(dǎo)體物理中極為活躍的一個(gè)分支，由于半導(dǎo)體器件的體積越做越小，靠近半導(dǎo)體表面附近的物理性質(zhì)有越來越重要的實(shí)際價(jià)值。按表面層的厚度區(qū)分，半導(dǎo)體表面可以分為外表面層（表面幾個(gè)原子層，幾個(gè)至幾十個(gè)厚

15、度）和內(nèi)表面層（表面幾十至幾千原子層，相當(dāng)于幾十至幾千個(gè)厚度）按表面界接情況區(qū)分，可以分為清潔表面、界面和表面吸附。清潔表面和真空接界，其實(shí)驗(yàn)研究只是在最近一二十年高真空技術(shù)發(fā)展的情況下才得以實(shí)現(xiàn)；界面指表面和另一種物質(zhì)（比如和SiO2等）絕緣層接界，或和金屬接界形成一個(gè)Schottky結(jié)，或者兩種不同的半導(dǎo)體接界形成一個(gè)異質(zhì)結(jié)或者超晶格結(jié)構(gòu)。界面的研究與半導(dǎo)體器件的研制有直接的關(guān)系；表面吸附則研究半導(dǎo)體表面吸附氣體原子的有關(guān)機(jī)理。半導(dǎo)體表面研究主要是表面晶格結(jié)構(gòu)和表面電子態(tài)。半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics表面晶格結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)與體結(jié)構(gòu)不同，不具有三維周期性。如果表面是某

16、個(gè)原子平面，則具有沿平面方向的二維周期性。研究三維周期性的方法可對(duì)應(yīng)地應(yīng)用于討論二維周期性。二維周期性具有下列平移對(duì)稱操作： T = n1a1 + n2a2,其中，ai(i = 1, 2)為基矢，ni為任意整數(shù)，T的全體構(gòu)成二維布喇菲點(diǎn)陣。仿照三維情況，可引入二維布喇菲格子的倒格基矢，二維倒格矢為三維倒格矢在二維基矢所組成的平面上的投影。半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics二維周期性a1a2a金剛石結(jié)構(gòu)（100）面的二維布喇菲正格子金剛石結(jié)構(gòu)（111）面的二維布喇菲正格子a1a2表面晶格結(jié)構(gòu)低能電子衍射實(shí)驗(yàn)表面，實(shí)際表面層原子的位置有一定的馳豫。其二維周期性基矢不同于晶體內(nèi)的

17、a1 ，a2，而是a1 ，a2 。這稱為表面重構(gòu)（surface reconstruction）。記作： a1= G11 a1 + G12 a2 a2= G21 a1 + G22 a2但實(shí)際情況往往較為簡(jiǎn)單，即a1由p a1旋轉(zhuǎn)一角度L而成， a2由q a2旋轉(zhuǎn)同一角度L而成。這樣的表面重構(gòu)記作 RhklpqLD 其中R為晶體的化學(xué)符號(hào)，hkl為晶面密勒指數(shù)，D為表面吸附元素化學(xué)符號(hào)。如果旋轉(zhuǎn)角為零，或沒有化學(xué)吸附，后兩者可不寫，這稱作Wood記號(hào)。半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics表面重構(gòu)例如：Si(111)77表示Si(111)晶面上的再構(gòu)，再構(gòu)的基矢與襯底(111)面

18、基矢平行，前者長(zhǎng)度為后者的7倍。 Si(111) - 30-Pb表示Si(111)面上鉛原子的吸時(shí)結(jié)構(gòu)，鉛原子二維點(diǎn)陣的格子為襯底格子長(zhǎng)度的 倍，轉(zhuǎn)動(dòng)了約30角。表面的實(shí)驗(yàn)研究方法半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics用于表面研究的實(shí)驗(yàn)方法日新月異，其儀器設(shè)備多為大型昂貴且需要在高真空中進(jìn)行。大概有以下幾類比較重要的方法： 一、 用于研究表面原子幾何結(jié)構(gòu)的方法。包括電子顯微鏡(electron microscopy, EM)及其派生物掃描電鏡（scanning electron microscopy, SEM) 、透射電鏡（transmission electron micro

19、scopy, TEM) ，掃描探針顯微鏡(scanning probe microscopy, SPM)、低能電子衍射(low energy electron diffraction, LEED)等 二、用于研究表面電子結(jié)構(gòu)的方法。主要是光電子譜(photoelectron spectroscopy, PS)及其衍生的真空紫外光電子譜（ultraviolet PS, UPS)、X射線光電子譜（X-ray PS，XPS）；離子中和譜（ion neutralization spectroscopy, INS)等。 三、用于研究表面化學(xué)組分的方法。主要有二次離子質(zhì)譜（secondary ion ma

20、ss spectroscopy, SIMS)；Auger電子能譜（Auger electron spectroscopy, AES)半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics 低能電子衍射是研究清潔表面原子幾何結(jié)構(gòu)最重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。 低能電子（30-500eV）的穿透能力很小，他在表面的頭幾層晶格就受到強(qiáng)烈的散射，因此適合于表面研究。入射到表面的電子源是單色性和平行性都好的相干源，電子的波長(zhǎng)小于或接近于晶格常數(shù)3-5 。電子被表面晶格原子相干散射而產(chǎn)生一定的Bragg衍射圖形，根據(jù)圖形可判斷晶格的二維周期結(jié)構(gòu)。低能電子衍射（LEED）半導(dǎo)體物理 Semiconductor Ph

21、ysics光電子譜是一項(xiàng)重要的固體表面及體內(nèi)電子能級(jí)分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)有機(jī)、無機(jī)化合物電子結(jié)構(gòu)分析（態(tài)密度、價(jià)帶、導(dǎo)帶）等都十分有用。根據(jù)光的不同波長(zhǎng)范圍，派生出X射線光電子譜XPS和紫外光電子譜UPS（近年來采用同步加速器作為光源，可產(chǎn)生紅外至X線范圍連續(xù)可調(diào)的光子源）。光電子譜采用一定能量的光子入射到樣品，樣品處于某初態(tài)Ei的電子吸收光子后逸出體外，且具有一定的動(dòng)能Ek，實(shí)驗(yàn)測(cè)量光電子數(shù)目隨光電子能量的分布曲線，通過分析不同情形下曲線信息，得到樣品體內(nèi)及表面的電子結(jié)構(gòu)信息光電子譜半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics俄歇電子能譜AES用于研究表面化學(xué)組分其原理如右，其中E1是

22、原子內(nèi)殼層電子能量，用入射的電子或X線光子把E1的電子打出后留下一個(gè)空穴，此時(shí)固體中的其它能級(jí)E2可能發(fā)生Auger碰撞，一個(gè)電子落入E1的空穴，同時(shí)釋放的能量將另一電子激發(fā)到體外，后者稱為Auger電子。通過測(cè)量Auger電子的能量可以推算E1和E2能級(jí)的能量差。固體內(nèi)不同原子對(duì)應(yīng)不同的Auger電子能譜，因此可以識(shí)別原子的種類和濃度。又因?yàn)橹挥斜砻鎸訋资畟€(gè)埃以內(nèi)產(chǎn)生的Auger電子可能真正逸出體外，其它的在體內(nèi)被非彈性散射掉，因此AES探測(cè)深度為幾十埃。與二次離子質(zhì)譜SIMS相比，Auger分析可以不破壞樣品將Auger能譜與離子刻蝕聯(lián)合用于表面，可以進(jìn)行雜質(zhì)濃度的深度分布測(cè)量，而且具有很高的分辨率。Auger電子能譜(AES)E1E2Auger 過程中的電子躍遷圖Auger 電子體外零點(diǎn)能半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics其入射的是慢速He+等離子，而出射的是電子。 He+吸附表面電子而中和，同時(shí)放出能量被處于某個(gè)表面態(tài)的電子吸附而逸出表面，通