1、高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第一章第一章 固体晶格结构固体晶格结构0高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件课程讲授者：张旭琳课程讲授者：张旭琳办公室：南区电子大楼办公室：南区电子大楼912联系电话：联系电话：0E-mail：1高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件课程概论课程概论 课程名称：课程名称：高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 学分：学分：3 时间：春季学期时间：春季学期2高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件教材与参考资料教材与参考资料 半导体物理与器件半导体物理与器件（第四版），（第四版）， 美美 D A Neamen著，赵毅强、姚素英、史再峰著，赵毅强、姚
2、素英、史再峰等译，电子工业出版社，等译，电子工业出版社，2013年。年。 半导体器件物理半导体器件物理（第（第3版），版），美美施敏、施敏、伍国珏著，伍国珏著， 耿莉、张瑞智译，西安交通大耿莉、张瑞智译，西安交通大学出版社，学出版社，2008年。年。3高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 第一章第一章 固体晶体结构固体晶体结构 第二章第二章 量子力学初步量子力学初步 第三章第三章 固体量子理论初步固体量子理论初步 第四章第四章 平衡半导体平衡半导体 第五章第五章 载流子输运现象载流子输运现象 第六章第六章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子 第七章第七章 pn结结 第八章
3、第八章 pn结二极管结二极管 第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结 第十章第十章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础 第十一章第十一章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入半导体场效应晶体管：概念深入 第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管 第十三章第十三章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管第十四章第十四章 光器件光器件第十五章第十五章 半导体功率器件半导体功率器件课程内容课程内容半导体物理半导体物理半导体器件基础半导体器件基础固体物理固体物理量子理论量子理论专用半导体器件专用半导体器件4高等半导体物理与器件高等半导体
4、物理与器件第一章第一章 固体晶格结构固体晶格结构1.1 半导体材料半导体材料1.2 固体类型固体类型1.3 空间晶格空间晶格1.4 金刚石结构金刚石结构1.5 原子价键原子价键1.6 固体中的缺陷和杂质固体中的缺陷和杂质1.7 半导体材料的生长半导体材料的生长小结小结5高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.1 半导体材料半导体材料半导体（半导体（semiconductor），导电性介于导体与绝缘体的物质。），导电性介于导体与绝缘体的物质。1810161014101210101081061041021012104106108101810161014101210101081061041021
5、01210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英6高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件元素半导体与化合物半导体元素半导体与化合物
6、半导体7高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.2 固体类型固体类型有序化区域：原子或分子有规则或周期性几何排列的空间范畴。有序化区域：原子或分子有规则或周期性几何排列的空间范畴。非晶非晶（无定形）（无定形）：基本无序（几个原子或分子的尺度，即纳米量：基本无序（几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）。级，一般只有十几埃至几十埃的范围）。多晶多晶：长程无序，短程有序（成百上千个原子的尺度，每个晶粒：长程无序，短程有序（成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）。的尺寸通常是在微米的量级）。单晶单晶：长程有序（通常包含整块晶体，一般在毫米量级以上）。：长
7、程有序（通常包含整块晶体，一般在毫米量级以上）。8高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.3 空间晶格空间晶格 单晶单晶：一典型结构或原子团：一典型结构或原子团在三维的每一个方向按某种在三维的每一个方向按某种间隔规则重复排列。间隔规则重复排列。 晶格晶格：原子的周期性排列。：原子的周期性排列。将构成晶体的粒子抽象为一将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵个点，这样得到的空间点阵成为晶格。用称为成为晶格。用称为格点格点的点的点来描述原子排列。来描述原子排列。9高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 晶胞（单胞）晶胞（单胞）：以格点为顶点、以三个独立方向上的周期：以格点为顶点、以三
8、个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体；是可以复制出整个晶体的一为边长所构成的平行六面体；是可以复制出整个晶体的一小部分晶体小部分晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性。，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性。 原胞原胞：可以复制得到整个晶格的：可以复制得到整个晶格的最小单元最小单元。晶格、原胞的选取都不是唯一的。晶格、原胞的选取都不是唯一的。1.3.1 原胞和晶胞原胞和晶胞单晶晶格二维表示单晶晶格二维表示10高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件晶胞和晶格的关系用矢量晶胞和晶格的关系用矢量 、 、 表示，三个矢表示，三个矢量可不必互相垂直，长度可以不相等，量可不必互相垂直，长度可以
9、不相等，基矢长度称基矢长度称为为晶格常数晶格常数 。每个等效格点可用下述矢量表示每个等效格点可用下述矢量表示其中，其中，p、q、s为整数。为整数。广义原胞广义原胞abcrpaqbsc11高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件p立方晶系基本的晶体结构：立方晶系基本的晶体结构：p常见的三个基本的立方结构常见的三个基本的立方结构（1）简单立方结构（）简单立方结构（sc）（2）体心立方结构（）体心立方结构（bcc）（3）面心立方结构（）面心立方结构（fcc）1.3.2 基本的晶体结构基本的晶体结构12高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件简立方结构简立方结构 Simple Cubic 每个顶角有一
10、个原子每个顶角有一个原子体心立方结构体心立方结构 Body Centered Cubic 除顶角外在立方体中心还有除顶角外在立方体中心还有有一个原子有一个原子yxzxzay13高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件面心立方结构面心立方结构 Face Centered Cubic 简立方的六个面的中简立方的六个面的中心各有一个原子心各有一个原子zxy例例1.1：求体心立方单晶材料的原子体密度，其晶格常数：求体心立方单晶材料的原子体密度，其晶格常数a=5。解：原子体密度解：原子体密度=（81/8+1）/（510-8）3 =1.61022个原子个原子/cm3 实际密度是晶体类型和晶体结构的函数。实
11、际密度是晶体类型和晶体结构的函数。14高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件p晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面。的平面系上，这样的平面称为晶面。1.3.3 晶面和米勒指数晶面和米勒指数15高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件由于不同平面的原子空间不同；因此，沿不同平面的晶体由于不同平面的原子空间不同；因此，沿不同平面的晶体特性并不同，电学及其他器件特性与晶体方向有重要关联。特性并不同，电学及其他器件特性与晶体方向有重要关联。米勒米勒指数指数：用以描述晶面的一组整数。可由下列步骤确定：用以描述晶面的一组整数。可由
12、下列步骤确定：1.找出平面在三坐标轴上的截距找出平面在三坐标轴上的截距p、q、s（以晶格常数为单位）；（以晶格常数为单位）；2.取这三个截距倒数，将其化简成为最简单的整数比，取这三个截距倒数，将其化简成为最简单的整数比， ；3.h、k、l为互质的整数，以（为互质的整数，以（hkl）来标志该晶面，称为米勒指）来标志该晶面，称为米勒指数。数。例例1.2：描述右图所示的平面（图中只标出了三个轴上：描述右图所示的平面（图中只标出了三个轴上的格点）。的格点）。11 1:h k lp q s16高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件p等效晶面等效晶面立方晶体有立方晶体有6个不同侧面，由于晶格对称性，晶体
13、在这个不同侧面，由于晶格对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称些晶面的性质完全相同，统称等效晶面等效晶面，写成，写成 100 ；对角面共有对角面共有6个，统称这些对角面时，写成个，统称这些对角面时，写成 110 ；顶对角面共有顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成个，统称这些顶对角面时，写成 111 。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(110)yxzaaaO(111)yxzp原子面密度原子面密度（/cm2） 单晶半导体有限大，存在某些表面。晶格中特定晶面的函数。单晶半导体有限大，存在某些表面。晶格中特定晶面的函数。17高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件例例1.
14、3：计算一个晶体中特定平面的原子面密度。：计算一个晶体中特定平面的原子面密度。如图（如图（a）所示的体心立方结构，和如图（）所示的体心立方结构，和如图（b）所示的（所示的（110）平面，）平面，a1=5。解：每个晶面的原子个数为解：每个晶面的原子个数为 1/44+1=2 原子面密度：原子面密度： 面密度面密度=（2个原子）个原子）/a1(a12) =5.661014个原子个原子/cm218高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件晶向晶向晶体的一个基本特点是具有晶体的一个基本特点是具有方向性方向性，沿晶体的不同方，沿晶体的不同方面晶体的性质不同。面晶体的性质不同。晶格的格点，可以看成分列在一系列
15、晶格的格点，可以看成分列在一系列 相互平行的直线系上，这些直线系相互平行的直线系上，这些直线系 称为晶列。称为晶列。 同一个格子可形成方向不同的晶列，同一个格子可形成方向不同的晶列， 每个晶列定义一个方向，该方向称为每个晶列定义一个方向，该方向称为 晶向，晶向， 晶向用晶向指数标记。晶向用晶向指数标记。1.3.4 晶向晶向19高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近的原子的位移矢量为：到最近的原子的位移矢量为： ，则该晶向，则该晶向就用就用l1、l2、l3来标志，写成来标志，写成l1 l2 l3。标志
16、晶向的这。标志晶向的这组数称为晶向指数组数称为晶向指数 。123l al bl ccab20高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.4 金刚石结构金刚石结构 金刚石结构金刚石结构（硅、锗）：属面心立方晶体家族，由两个面（硅、锗）：属面心立方晶体家族，由两个面心立方结构套构形成，此两个副晶格偏移的距离为立方体心立方结构套构形成，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的体对角线的1/4。此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结。此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。构上相同，但以晶格观点看却不同。21高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件 铅锌矿（闪锌矿）结构铅锌矿
17、（闪锌矿）结构（GaAs）：与金刚石晶格结构类似，）：与金刚石晶格结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为其中一个副晶格为III族原子（族原子（Ga），另一个副晶格为），另一个副晶格为V族族原子（原子（As）。）。22高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.5 原子价键原子价键p原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达到最低。的能量必须达到最低。 1. 离子晶体离子晶体：离子键，例如：离子键，例如NaCl晶体等；晶体等； 2. 共价晶体共价晶体：共价
18、键，例如：共价键，例如Si、Ge以及以及GaAs晶体等；晶体等； 3. 金属晶体金属晶体：金属键，例如：金属键，例如Li、Na、K、Be、Mg以及以及Fe、Cu、Au、Ag等；等； 4. 分子晶体分子晶体：范德华键，例如惰性元素氖、氩、氪、氙等：范德华键，例如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成分子晶体，在低温下则形成分子晶体，HF分子之间在低温下也通过分子之间在低温下也通过范德华键形成分子晶体。范德华键形成分子晶体。23高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件硅材料中共价键形成示意图硅材料中共价键形成示意图硅原子的价电子硅原子的价电子硅原子中的共价键硅原子中的共价键24高等半导体物理与器件
19、高等半导体物理与器件1.6 固体中的缺陷与杂质固体中的缺陷与杂质点缺陷点缺陷替位、填隙、空位和弗兰克尔缺陷。替位、填隙、空位和弗兰克尔缺陷。线缺陷线缺陷，亦称，亦称位错位错刃形和螺旋。刃形和螺旋。面缺陷面缺陷孪晶和晶粒间界。孪晶和晶粒间界。体缺陷体缺陷杂质或掺杂原子的析出现象。这些缺陷的产生是由杂质或掺杂原子的析出现象。这些缺陷的产生是由在主晶格中的固溶度引起的。在主晶格中的固溶度引起的。理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美于晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美
20、无缺，存在无缺，存在原子的热振动原子的热振动。固体中的缺陷固体中的缺陷25高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件（1）点缺陷）点缺陷26高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件（2）线缺陷）线缺陷27高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件（3）面缺陷）面缺陷反映孪晶旋转孪晶小角度晶界28高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质。晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质。来源来源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污，：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污，也有可能来源于人为的引入，用以控制其电学及其它特性。也有可能来源于人为的引入，用
21、以控制其电学及其它特性。杂质在半导体中杂质在半导体中存在方式存在方式：间隙式和替位式。：间隙式和替位式。间隙式杂质间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如半径较小，如H H、LiLi；固体中的杂质固体中的杂质29高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如质原子价电子壳层结构接近本体原子，如、族在族在SiSi、GeGe（族）中的情况，族）中的情况，、族在族在-化合物中。化合物中。30高等半导体物理与器件高等
22、半导体物理与器件杂质原子激活：杂质原子激活：人为引入的杂质原子，人为引入的杂质原子， 只有处于替位式时，才能激活，起到只有处于替位式时，才能激活，起到改变和控制半导体材料导电性的作用。例如改变和控制半导体材料导电性的作用。例如、族元素原族元素原子掺入子掺入Si、Ge中，多以替位式存在。中，多以替位式存在。p 晶体中引入杂质的方法称为掺杂，掺杂方法分为：晶体中引入杂质的方法称为掺杂，掺杂方法分为：（1 1）高温扩散掺杂，（）高温扩散掺杂，（2 2）离子注入掺杂。）离子注入掺杂。31高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.7 半导体材料的生长半导体材料的生长半导体是最纯的材料之一，如硅的纯度已
23、达到百亿分之一。半导体是最纯的材料之一，如硅的纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：1、熔融体中生长：、熔融体中生长：Czochralski方法（方法（CZ法）法）。籽晶直拉法。籽晶直拉法。进一步采用区熔再结晶方法提纯。进一步采用区熔再结晶方法提纯。拉拉晶晶机机模模型型有集有集成电成电路阵路阵列的列的硅片硅片照片照片32高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件实际拉制出的实际拉制出的12英寸硅单晶锭：英寸硅单晶锭：1m、直径、直径300mm、重、重140kg将硅将硅单晶单晶锭切锭切割成割成硅晶硅晶园片园片的切的切片机片机工作人员利
24、用卡塞（工作人员利用卡塞（Cassette）装载的装载的300mm硅晶园片硅晶园片33高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件2、外延层生长法、外延层生长法外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类：外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类：（1）同质外延，（）同质外延，（2）异质外延。）异质外延。常用的外延方法有：常用的外延方法有：（1）化学气相淀积法（）化学气相淀积法（CVD）：也称为气相外延法（）：也称为气相外延法（VPE）；）；（2）液相外延法（）液相外延法（LPE）：温度低于）：温度低于CZ法，常用于化合物半法，常用于化合物半导体材料的外延；导体材料的外延；（3）分子束外延法（）分
25、子束外延法（MBE）：高真空，）：高真空，400至至800，可精确，可精确控制。控制。34高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件气相外延法（气相外延法（VPE）示意图）示意图分子束外延（分子束外延（MBE）设备原理示意图）设备原理示意图实际的实际的MBE设备设备35高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件小小 结结 半导体材料半导体材料 固体类型固体类型 晶格结构的描述晶格结构的描述 米勒指数米勒指数 金刚石结构、闪锌矿结构金刚石结构、闪锌矿结构 缺陷、杂质缺陷、杂质 材料的生长材料的生长36高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件1.11（a）-（c）1.161.24（Si晶格常数晶格常数5.43）37高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件38此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！39
