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)體按不同的標準 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 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100萬個硅原子摻進一個 族雜質(zhì) 比如磷 為例 這時硅的純度仍高達99 9999 但電阻率在室溫下卻由大約214 000 cm降至0 2 cm以下適當波長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 無光照時的暗電阻為幾十M 當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 磁場等的作用而改變 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)能級在對半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計的基礎(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)合對半導(dǎo)體中載流子的漂移運動和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進行了討論 介紹了載流子的擴散運動 建立了連續(xù)性方程簡要介紹了半導(dǎo)體表面的相關(guān)知識 1 1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)一 晶體的基本知識長期以來將固體分為 晶體和非晶體 晶體的基本特點 具有一定的外形和固定的熔點 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 是按一定的方式有規(guī)則的排列而成 長程有序 如Si Ge GaAs 晶體又可分為 單晶和多晶 單晶 指整個晶體主要由原子 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 無規(guī)則的外形和固定的熔點 內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不存在長程有序 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 對于單晶Si或Ge 它們分別由同一種原子組成 通過二個原子間共有一對自旋相反配對的價電子把原子結(jié)合成晶體 這種依靠共有自旋相反配對的價電子所形成的原子間的結(jié)合力 稱為共價鍵 由共價鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價晶體 Si Ge都是典型的共價晶體 二 共價鍵的形成和性質(zhì) 共價鍵的性質(zhì) 飽和性和方向性 飽和性 指每個原子與周圍原子之間的共價鍵數(shù)目有一定的限制 Si Ge等 族元素有4個未配對的價電子 每個原子只能與周圍4個原子共價鍵合 使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層 因此共價晶體的配位數(shù) 即晶體中一個原子最近鄰的原子數(shù) 只能是4 方向性 指原子間形成共價鍵時 電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度 這個方向就是共價鍵方向 共價鍵方向是四面體對稱的 即共價鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個頂角原子 共價鍵之間的夾角為109 28 這種正四面體稱為共價四面體 圖中原子間的二條連線表示共有一對價電子 二條線的方向表示共價鍵方向 共價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四面體半徑 圖1 2共價四面體 三 Si Ge晶體結(jié)構(gòu) 圖1 3 a 畫出了由四個共價四面體所組成的一個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)排列而成它是一個正立方體 立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子 內(nèi)部四條空間對角線上距頂角原子1 4對角線長度處各有一個原子 金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中共有8個原子金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看作是兩個面心立方沿空間對角線相互平移1 4對角線長度套構(gòu)而成的面心立方是指一個正立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子的結(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Ga原子和As原子共有一對價電子 形成四個共價鍵 組成共價四面體 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 格點的總體稱為點陣 對半導(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 通常取某個格點為原點 再取立方晶胞的三個互相垂直的邊OA OB OC為三個坐標軸 稱為晶軸 見圖1 5 圖1 5立方晶系的晶軸 通過晶格中任意兩格點可以作一條直線 而且通過其它格點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 從一個格點O沿某個晶向到另一格點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l1 l2 l3 m n p化為互質(zhì)整數(shù) mnp就稱為晶列指數(shù) 寫成 mnp 用來表示某個晶向 圖1 7晶向的表示 晶列指數(shù)就是某個晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)整數(shù) 若mnp中有負數(shù) 負號寫在該指數(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 六個同類晶向 代表了立方晶胞所有空間對角線的8個晶向 而表示立方晶胞所有12個面對角線的晶向 晶格中的所有格點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 并用來表示某一個晶面截距為負時 在指數(shù)上方加一短橫 如果晶面和某個晶軸平行 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 格點原子在平衡位置附近振動 其中某些原子能夠獲得較大的熱運動能量 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依靠熱運動能量運動到外面新的一層格點位置上 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)稱點缺陷 雖然這兩種點缺陷同時存在 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比弗侖克爾缺陷大 因此Si Ge中主要的點缺陷是空位 a 弗侖克爾缺陷 b 肖特基缺陷圖1 11點缺陷 化合物半導(dǎo)體GaAs中 如果成份偏離正?；瘜W(xué)比 也會出現(xiàn)間隙原子和空位 如果Ga成份偏多會造成Ga間隙原子和As空位 As成份偏多會造成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 也會使原子脫離正常格點位置 形成間隙原子 空位以及空位聚積成的空位團等 位錯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行 因而在晶體中會產(chǎn)生一定應(yīng)力 在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對于另一部分原子會沿著某一晶面發(fā)生移動 如圖1 12 a 所示 這種相對移動稱為滑移 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 實驗表明滑移運動所需應(yīng)力并不很大 因為參加滑移的所有原子并非整體同時進行相對移動 而是左端原子先發(fā)生移動推動相鄰原子使其發(fā)生移動 然后再逐次推動右端的原子 最終是上下兩部分原子整體相對滑移了一個原子間距b 見圖1 12 b 這時雖然在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生小臺階 但由于內(nèi)部原子都相對移動了一個原子間距 因此晶體內(nèi)部原子相互排列位置并沒有發(fā)生畸變 在上述逐級滑移中會因為應(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)原子都完成了一個原子間距的移動 而右側(cè)原子都沒有移動 其結(jié)果是好像有一個多余的半晶面AEFD插在晶體中 見圖1 13 b 在AD線周圍晶格產(chǎn)生畸變 而距AD線較遠處似乎沒有影響 原子仍然規(guī)則排列 這種缺陷稱為位錯 它是一種發(fā)生在AD線附近的線缺陷 AD線稱為位錯線 圖1 13中滑移方向BA與位錯線AD垂直 稱為棱位錯 因為它有一個多余的半晶面AEFD像刀一樣插入晶體 也稱刃形位錯 a b 圖1 13刃型位錯 圖1 14所示的稱為螺旋位錯