半导体第一章概要

❖ 半导体的独特性质
3、温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 (完整纯净半导体电导率随温度升高而指数式上升)
如，室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃， 电阻率降低 50%左右
❖ 半导体的独特性质
4、纯净半导体具有负的电阻温度系数
❖ 半导体的独特性质
5、与金属相比具有较高的温差电动势率
半导体 100μV/K 以上
金属
0～10μV/K
❖ 半导体的独特性质
6、适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如，在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时 的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十 KΩ
❖ 半导体的独特性质
7、半导体的导电能力随电场、磁场等作用而改变
如：a. 砷化镓电导率随电场的增加时而增加，时而减小， 并形成高频振荡
第一章 半导体中的电子状态
❖ 研究方法：假设(近似)、理论、验证 ❖ 已经了解：单个原子的电子结构
❖ 不了解：多个原子排列在一起出现的问题
❖ 电子 – 原子、电子 - 电子的相互作用以及原 子- 原子排列形成的势场等多体问题
H H ee H ei H ii
❖ 简单化：忽略电子 - 电子的相互作用，价电子在 平均势场中运动，原子固定不动: “单电子近似”
计算原子体密度
原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积
★面心立方单晶材料 密度=4/a3
计算原子体密度
原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积
★金刚石结构单晶材料
密度=8/a3
例1：Si 密度=8/(5.431×10-8) 3 =5.00×1022/cm3 例2：Ge 密度=8 /(5.658×10-8) 3 = 4.42×1022/cm3
★ 晶格常数a ♦ Si: a=0.543nm, ♦ Ge: a=0.566nm
1 金刚石型结构和共价鍵 许多材料的结构与金刚石相同，故称之为金刚石型结构。
这些材料为第IV族的 C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)， 而Si和Ge均是重要的半导体材料。 特点：
❖ 金刚石型结构为两个面心立方的套构。一个基元有两个 原子，相距为对角线长度的1/4。 正四面体：顶角、中心有原子
❖ 半导体物理学的发展使人们对半导体有了深入的了解，由此产 生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛 的应用。
第一章 半导体中的电子状态
➢ 1.1常见半导体的晶格结构和结合性质 ➢ 1.2 能带论的主要结果 ➢ 1.3半导体中电子的运动以及描述 ➢ 1.4本征半导体的导电机构、空穴 ➢ 1.5 回旋共振 ➢ 1.6 硅、锗和砷化镓的能带结构 ➢ 1.7 混合晶体的能带
半导体物理
Semiconductor Physics
半导体材料、器件与半导体物理学
❖ 半导体材料的重要性
广泛用于微电子技术和光电子技术领域 在电子材料中的地位极为重要 对科学技术的发展起关键作用
❖ 半导体材料的用途
制作半导体二极管、三极管、集成电路 制作整流器、太阳电池、激光器、发光器件、敏感器件
❖ (Hi-i, He-e)分别消除 ❖ 研究一个电子在周期性势场中的状态(单电子近
似->平均势场->能带论)
1.1常见半导体的晶格结构和结合性质
❖ 第Ⅳ族元素半导体 ❖ Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 ❖ Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体
HgS
第Ⅳ族元素半导体
★ 元素半导体以Si,Ge为代表 ❖电子组态- 4个价电子, sp3杂化轨道 ❖晶格结构- 金刚石结构 (正四面体结构) ❖结合性质– 共价键 (饱和性, 方向性)
❖ Alloys
Binary---Si1-xGex Tenary---AlGaAs,AlInAs,HgCdTe Quaternary---AlGaAsSb
半导体材料、器件与半导体物理学
❖ 半导体物理学
研究半导体原子状态和电子状态以及半导体器件内部电子过程的 学科 固体物理学的一个分支
❖ 半导体物理学的基础和研究对象
金刚石结构
四面体结构中的4个共价键是以s态 和p态波函数的线性组合为基础
sp3杂化轨道
金刚石结构
正四面体
(111)面堆积 [侧视图]
{100}面投影
立方密堆积
计算原子体密度
原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积
★ 体心立方单晶材料
密度=2/a3
(a:晶格常数)
例：a=0.5nm=5×10-8cm 密度 =2/(5×10-8) 3=1.6×1022个原子/cm-3
研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础， 主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各 种类型的缺陷
半导体材料、器件与半导体物理学
❖ 研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础， 主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、 电子在外电场和外磁场作用下的输运过程、半导体的光电和热 电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型 半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的 作用机理和制造工艺等。
半导体材料、器件与半导体物理学
❖ 半导体的独特性质
1、电阻率介于金属和绝缘体之间
❖ 半导体的独特性质
2、杂质对半导体材料的பைடு நூலகம்阻率产生很大影响
微量杂质含量可以显著 改变半导体的导电能力
例，纯硅中每100万 个硅原子掺进一个Ⅴ族 杂质（比如磷），硅的 纯度仍高达99.9999%， 但电阻率在室温下却由 214kΩcm 降至0.2Ωcm 以下
如：b. 磁阻效应,InSb磁敏电阻
❖ 半导体的独特性质
8、半导体的中有两种载流子（参与导电） 电子 空穴
三种导电类型： n型导电 p型导电 本征导电
半导体分类
❖ Elemental semiconductor--Si, Ge ❖ Compound semiconductor
IV-IV---SiC III-V----AlP,AlAs,GaAs,GaSb,InP,InAs II-VI ---ZnO,ZnS,ZnSe,CdTe,HgTe IV-VI---PbS, PbSe, PbTe
电子云密度大-共价鍵-配位数
❖ 每个原子的最近邻均有4个原子 ❖ 正四面体结构 ❖ 共价鍵 ❖ 每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。
在与相邻的四个原子结合时，四个共用电子对完全等 价，难以区分s与p态电子，提出“杂化轨道”概念： 一个s和三个p轨道形成能量相同的sp3杂化轨道。
金刚石结构