半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷.ppt

半導(dǎo)體物理SEMICONDUCTORPHYSICS 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院 第一章半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷 1 1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)1 2晶體的晶向與晶面1 3半導(dǎo)體中的缺陷 緒論 什么是半導(dǎo)體按不同的標(biāo)準(zhǔn) 有不同的分類方式 按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分 可以區(qū)分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體和絕緣體表1 1導(dǎo)體 半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍 此外 半導(dǎo)體還具有一些重要特性 主要包括 溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng) 電阻率下降如室溫附近的純硅 Si 溫度每增加8 電阻率相應(yīng)地降低50 左右微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力以純硅中每100萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè) 族雜質(zhì) 比如磷 為例 這時(shí)硅的純度仍高達(dá)99 9999 但電阻率在室溫下卻由大約214 000 cm降至0 2 cm以下適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘 CdS 薄膜 無(wú)光照時(shí)的暗電阻為幾十M 當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十K 此外 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng) 磁場(chǎng)等的作用而改變 本課程的內(nèi)容安排以元素半導(dǎo)體硅 Si 和鍺 Ge 為對(duì)象 介紹了半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷 定義了晶向和晶面討論了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶結(jié)構(gòu) 介紹了雜質(zhì)半導(dǎo)體及其雜質(zhì)能級(jí)在對(duì)半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上分析了影響因素 討論了非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合對(duì)半導(dǎo)體中載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進(jìn)行了討論 介紹了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 建立了連續(xù)性方程簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體表面的相關(guān)知識(shí) 1 1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)一 晶體的基本知識(shí)長(zhǎng)期以來(lái)將固體分為 晶體和非晶體 晶體的基本特點(diǎn) 具有一定的外形和固定的熔點(diǎn) 組成晶體的原子 或離子 在較大的范圍內(nèi) 至少是微米量級(jí) 是按一定的方式有規(guī)則的排列而成 長(zhǎng)程有序 如Si Ge GaAs 晶體又可分為 單晶和多晶 單晶 指整個(gè)晶體主要由原子 或離子 的一種規(guī)則排列方式所貫穿 常用的半導(dǎo)體材料鍺 Ge 硅 Si 砷化鎵 GaAs 都是單晶 多晶 是由大量的微小單晶體 晶粒 隨機(jī)堆積成的整塊材料 如各種金屬材料和電子陶瓷材料 非晶 體 的基本特點(diǎn) 無(wú)規(guī)則的外形和固定的熔點(diǎn) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不存在長(zhǎng)程有序 但在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列 短程有序 如非晶硅 a Si 圖1 1非晶 多晶和單晶示意圖 對(duì)于單晶Si或Ge 它們分別由同一種原子組成 通過(guò)二個(gè)原子間共有一對(duì)自旋相反配對(duì)的價(jià)電子把原子結(jié)合成晶體 這種依靠共有自旋相反配對(duì)的價(jià)電子所形成的原子間的結(jié)合力 稱為共價(jià)鍵 由共價(jià)鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價(jià)晶體 Si Ge都是典型的共價(jià)晶體 二 共價(jià)鍵的形成和性質(zhì) 共價(jià)鍵的性質(zhì) 飽和性和方向性 飽和性 指每個(gè)原子與周圍原子之間的共價(jià)鍵數(shù)目有一定的限制 Si Ge等 族元素有4個(gè)未配對(duì)的價(jià)電子 每個(gè)原子只能與周圍4個(gè)原子共價(jià)鍵合 使每個(gè)原子的最外層都成為8個(gè)電子的閉合殼層 因此共價(jià)晶體的配位數(shù) 即晶體中一個(gè)原子最近鄰的原子數(shù) 只能是4 方向性 指原子間形成共價(jià)鍵時(shí) 電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度 這個(gè)方向就是共價(jià)鍵方向 共價(jià)鍵方向是四面體對(duì)稱的 即共價(jià)鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個(gè)頂角原子 共價(jià)鍵之間的夾角為109 28 這種正四面體稱為共價(jià)四面體 圖中原子間的二條連線表示共有一對(duì)價(jià)電子 二條線的方向表示共價(jià)鍵方向 共價(jià)四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切 圓球半徑就稱為共價(jià)四面體半徑 圖1 2共價(jià)四面體 三 Si Ge晶體結(jié)構(gòu) 圖1 3 a 畫(huà)出了由四個(gè)共價(jià)四面體所組成的一個(gè)Si Ge晶體結(jié)構(gòu)的晶胞 統(tǒng)稱為金剛石結(jié)構(gòu)晶胞整個(gè)Si Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成它是一個(gè)正立方體 立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面心各有一個(gè)原子 內(nèi)部四條空間對(duì)角線上距頂角原子1 4對(duì)角線長(zhǎng)度處各有一個(gè)原子 金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中共有8個(gè)原子金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看作是兩個(gè)面心立方沿空間對(duì)角線相互平移1 4對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成的面心立方是指一個(gè)正立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面心各有一個(gè)原子的結(jié)構(gòu) 如圖1 3 b 所示 圖1 3 a 金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞 b 面心立方 四 GaAs晶體結(jié)構(gòu) 具有類似于金剛石結(jié)構(gòu)的硫化鋅 ZnS 晶體結(jié)構(gòu) 或稱為閃鋅礦結(jié)構(gòu) GaAs晶體中每個(gè)Ga原子和As原子共有一對(duì)價(jià)電子 形成四個(gè)共價(jià)鍵 組成共價(jià)四面體 閃鋅礦結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)的不同之處在于套構(gòu)成晶胞的兩個(gè)面心立方分別是由兩種不同原子組成的 圖1 4GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu) 1 2晶體的晶向與晶面 晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的 整個(gè)晶體就像網(wǎng)格 稱為晶格 組成晶體的原子 或離子 的重心位置稱為格點(diǎn) 格點(diǎn)的總體稱為點(diǎn)陣 對(duì)半導(dǎo)體Si Ge和GaAs等具有金剛石或閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方晶系 通常取某個(gè)格點(diǎn)為原點(diǎn) 再取立方晶胞的三個(gè)互相垂直的邊OA OB OC為三個(gè)坐標(biāo)軸 稱為晶軸 見(jiàn)圖1 5 圖1 5立方晶系的晶軸 通過(guò)晶格中任意兩格點(diǎn)可以作一條直線 而且通過(guò)其它格點(diǎn)還可以作出很多條與它彼此平行的直線 而晶格中的所有格點(diǎn)全部位于這一系列相互平行的直線系上 這些直線系稱為晶列 圖1 6兩種不同的晶列 晶列的取向稱為晶向 為表示晶向 從一個(gè)格點(diǎn)O沿某個(gè)晶向到另一格點(diǎn)P作位移矢量R 如圖1 7 則R l1a l2b l3c若l1 l2 l3不是互質(zhì)的 通過(guò)l1 l2 l3 m n p化為互質(zhì)整數(shù) mnp就稱為晶列指數(shù) 寫(xiě)成 mnp 用來(lái)表示某個(gè)晶向 圖1 7晶向的表示 晶列指數(shù)就是某個(gè)晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)整數(shù) 若mnp中有負(fù)數(shù) 負(fù)號(hào)寫(xiě)在該指數(shù)的上方 mnp 和表示正好相反的晶向 同類晶向記為 例 代表了 100 00 010 0 0 001 00 六個(gè)同類晶向 代表了立方晶胞所有空間對(duì)角線的8個(gè)晶向 而表示立方晶胞所有12個(gè)面對(duì)角線的晶向 晶格中的所有格點(diǎn)也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上 這樣的平面系稱為晶面族 如圖1 8所示 為表示不同的晶面 在三個(gè)晶軸上取某一晶面與三晶軸的截距r s t 如圖1 9所示 將晶面與三晶軸的截距r s t的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)h k l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù) 記作 hkl 并用來(lái)表示某一個(gè)晶面截距為負(fù)時(shí) 在指數(shù)上方加一短橫 如果晶面和某個(gè)晶軸平行 截距為 相應(yīng)指數(shù)為零 同類型的晶面通常用 hkl 表示 圖1 10立方晶系的一些常用晶向和晶面 1 3半導(dǎo)體中的缺陷 弗侖克爾缺陷 一定溫度下 格點(diǎn)原子在平衡位置附近振動(dòng) 其中某些原子能夠獲得較大的熱運(yùn)動(dòng)能量 克服周圍原子化學(xué)鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置 形成間隙原子 原先所處的位置相應(yīng)成為空位 這種間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷 肖特基缺陷 由于原子擠入間隙位置需要較大的能量 所以常常是表面附近的原子A和B依靠熱運(yùn)動(dòng)能量運(yùn)動(dòng)到外面新的一層格點(diǎn)位置上 而A和B處的空位由晶體內(nèi)部原子逐次填充 從而在晶體內(nèi)部形成空位 而表面則產(chǎn)生新原子層 結(jié)果是晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位但沒(méi)有間隙原子 這種缺陷稱為肖特基缺陷 肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點(diǎn)缺陷 雖然這兩種點(diǎn)缺陷同時(shí)存在 但由于在Si Ge中形成間隙原子一般需要較大的能量 所以肖特基缺陷存在的可能性遠(yuǎn)比弗侖克爾缺陷大 因此Si Ge中主要的點(diǎn)缺陷是空位 a 弗侖克爾缺陷 b 肖特基缺陷圖1 11點(diǎn)缺陷 化合物半導(dǎo)體GaAs中 如果成份偏離正?；瘜W(xué)比 也會(huì)出現(xiàn)間隙原子和空位 如果Ga成份偏多會(huì)造成Ga間隙原子和As空位 As成份偏多會(huì)造成As間隙原子和Ga空位 化學(xué)比偏離還可能形成所謂反結(jié)構(gòu)缺陷 如GaAs晶體中As的成份偏多 不僅形成Ga空位 而且As原子還可占據(jù)Ga空位 稱為反結(jié)構(gòu)缺陷 此外高能粒子轟擊半導(dǎo)體時(shí) 也會(huì)使原子脫離正常格點(diǎn)位置 形成間隙原子 空位以及空位聚積成的空位團(tuán)等 位錯(cuò)是晶體中的另一種缺陷 它是一種線缺陷 半導(dǎo)體單晶制備和器件生產(chǎn)的許多步驟都在高溫下進(jìn)行 因而在晶體中會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力 在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對(duì)于另一部分原子會(huì)沿著某一晶面發(fā)生移動(dòng) 如圖1 12 a 所示 這種相對(duì)移動(dòng)稱為滑移 在其上產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面 滑移的方向稱為滑移向 a b 圖1 12應(yīng)力作用下晶體沿某一晶面的滑移 實(shí)驗(yàn)表明滑移運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力并不很大 因?yàn)閰⒓踊频乃性硬⒎钦w同時(shí)進(jìn)行相對(duì)移動(dòng) 而是左端原子先發(fā)生移動(dòng)推動(dòng)相鄰原子使其發(fā)生移動(dòng) 然后再逐次推動(dòng)右端的原子 最終是上下兩部分原子整體相對(duì)滑移了一個(gè)原子間距b 見(jiàn)圖1 12 b 這時(shí)雖然在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生小臺(tái)階 但由于內(nèi)部原子都相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)原子間距 因此晶體內(nèi)部原子相互排列位置并沒(méi)有發(fā)生畸變 在上述逐級(jí)滑移中會(huì)因?yàn)閼?yīng)力變小而使滑移中途中止 就出現(xiàn)了圖1 13 a 所示的情況 如果中途應(yīng)力變小使滑移中止 滑移的最前端原子面AEFD左側(cè)原子都完成了一個(gè)原子間距的移動(dòng) 而右側(cè)原子都沒(méi)有移動(dòng) 其結(jié)果是好像有一個(gè)多余的半晶面AEFD插在晶體中 見(jiàn)圖1 13 b 在AD線周圍晶格產(chǎn)生畸變 而距AD線較遠(yuǎn)處似乎沒(méi)有影響 原子仍然規(guī)則排列 這種缺陷稱為位錯(cuò) 它是一種發(fā)生在AD線附近的線缺陷 AD線稱為位錯(cuò)線 圖1 13中滑移方向BA與位錯(cuò)線AD垂直 稱為棱位錯(cuò) 因?yàn)樗幸粋€(gè)多余的半晶面AEFD像刀一樣插入晶體 也稱刃形位錯(cuò) a b 圖1 13刃型位錯(cuò) 圖1 14所示的稱為螺旋位錯(cuò)