半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述

1、半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述第二章：基本原理n在第一章中介紹的半導(dǎo)體材料的特征，只是根據(jù)它的主要性質(zhì)來論述的，實(shí)際上這種論述并不是十分嚴(yán)格的。n例如當(dāng)一些半導(dǎo)體材料的摻雜濃度很高時(shí)，其電導(dǎo)率也可以高出某些金屬材料。n但作為使大家對半導(dǎo)體材料有一個(gè)初步的概念，這種介紹是必要的。n只有認(rèn)識了半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)以及這種微觀結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系，才能從根本上了解半導(dǎo)體的性質(zhì)與性能及其與金屬、絕緣體的區(qū)別，也才能理解半導(dǎo)體材料應(yīng)用的根據(jù)。n為此要闡述半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)等。這要求具備固體物理、固體化學(xué)、量子力學(xué)等近代科學(xué)理論，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了本課程的范圍。n本課程試圖深入淺出地對一些原理

2、進(jìn)行介紹，以便獲得必要的概念。知識與概念才能對本課程以下各章節(jié)的內(nèi)容有較深入的理解，并它們之間的聯(lián)系。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述2.1 導(dǎo)電現(xiàn)象2.1.1 為什么半導(dǎo)體的導(dǎo)電性不如金屬n所有材料的導(dǎo)電率（s）可用下式表達(dá)：s = s = nem m (2-1)其中：p n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;p e 為電子的電荷，單位為C（庫侖），e對所有材料都是一樣，10-19C 。p m為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動(dòng)速度，單位為cm2；p電導(dǎo)率s的單位為S/cm(S為西門子）。我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因：n(2-1)式中的遷移

3、率的差別遷移率的差別：而半導(dǎo)體材料的遷移率一般都高于金屬， 例如金屬銅的室溫電子遷移率為30 cm2，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n載流子濃度：載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級的原因從（2-1）式看，只能是載流子濃度的差別。 在金屬中，價(jià)電子全部解離參加導(dǎo)電，例如導(dǎo)電性能好的金屬銅的載流子濃度為1022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在1061020/cm3范圍內(nèi)，與金屬相差可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級。于是，金屬的電導(dǎo)率一般要高于半導(dǎo)體材料是顯而易見的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導(dǎo)電。n既然金屬中的價(jià)電子全部參加導(dǎo)電，

4、因此無法再增加載流子，也無法束縛住載流子，所以金屬的導(dǎo)電率難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻入雜質(zhì)和升溫會(huì)在一定程度上能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。n而半導(dǎo)體的載流子濃度可通過升溫、摻入雜質(zhì)、幅照予以大幅度地增加，使其電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。n為什么金屬的價(jià)電子會(huì)全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)電子只局部解離，而絕緣體又不解為什么金屬的價(jià)電子會(huì)全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)電子只局部解離，而絕緣體又不解離？離？這些將在能帶結(jié)構(gòu)等章節(jié)中加以說明。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述 早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個(gè)方向通過電流，在與電流的垂直方向加上磁場(H)，那么在樣品的第三個(gè)方向就可以出現(xiàn)電動(dòng)勢，稱霍爾電動(dòng)

5、勢，此效應(yīng)稱霍爾效應(yīng)。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理l 負(fù)電荷 正電荷+dHIx（a）負(fù)電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子2.1.1 存在兩種載流子的證明半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n從這個(gè)電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是洛侖茨力作用的結(jié)果，也就是當(dāng)電流通過磁場時(shí)，不管載流子是正還是負(fù)，只要電流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，這就使得載流子的分配偏在同一方向，如圖所示。l 負(fù)電荷 正電荷+dHIx（a）負(fù)電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子n顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動(dòng)勢也不相同?？梢?，霍爾電動(dòng)勢的方向取決于載流子帶的電荷是正還是負(fù)。n用此法測量金屬時(shí)，證明絕大多數(shù)的

6、金屬都是靠帶負(fù)電荷的載流子-電子進(jìn)行導(dǎo)電的。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述l 負(fù)電荷 正電荷+dHIx（a）負(fù)電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子圖2.1 霍爾效應(yīng)原理n測量半導(dǎo)體時(shí)發(fā)現(xiàn)，一種材料既可以靠帶負(fù)電荷的電子進(jìn)行導(dǎo)電，又可以靠帶正電荷的載流子進(jìn)行導(dǎo)電。這種帶正電荷的載流子稱為空穴這種帶正電荷的載流子稱為空穴。n那么空穴的本性是什么？為什么半導(dǎo)體能產(chǎn)生空穴？那么空穴的本性是什么？為什么半導(dǎo)體能產(chǎn)生空穴？這要在下面的關(guān)于能帶結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的兩節(jié)中加以說明。n 既然半導(dǎo)體中可以存在兩種載流子，那么式（既然半導(dǎo)體中可以存在兩種載流子，那么式（2-1)可以寫成可以寫成ns = nem

7、e + pemp (2-2)n其中n為電子濃度； p為空 穴濃度；me,mp分別為電子與空穴的遷 移率。n如果np ，則，s = neme，n反之，若pn, s = pemp。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述2.2 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)我們首先看看單個(gè)原子的情況。我們首先看看單個(gè)原子的情況。n大家都知道原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，外圍的電子數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。n這些電子都有自己的能量，根據(jù)現(xiàn)代量子力學(xué)的理論，這些能量是量子化的，即有一定的數(shù)值，而且是不連續(xù)的，這些彼此不連續(xù)而有一定數(shù)值的能量稱為能級。n一個(gè)電子的能量只能從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級，不可能連續(xù)地變化，伴隨這種跳躍會(huì)吸收或放出一定的能量。

8、n根據(jù)鮑林 (）的不相容理論，不可能有兩個(gè)電子的量子數(shù)完全相同。這樣，在原子的一個(gè)能級上，只能有兩個(gè)電子，它們的量子數(shù)區(qū)別在于其自旋（spin)的正與反。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)，各原子的電子間發(fā)生相互作用，各原子間原來在分散狀態(tài)的能級擴(kuò)展成為能帶，n這能帶是由彼此能量相差比較小的能級所組成的準(zhǔn)連續(xù)組。因?yàn)橹挥羞@樣才能保持電子能量的量子化并符合鮑林的不相容原理。n圖2.2 示出了元素銅的能帶形成過程，當(dāng)原子相靠近時(shí)能級擴(kuò)展為能帶的情形以及在形成晶體時(shí)，在晶體內(nèi)的原子間距（即晶格常數(shù)）上，能帶發(fā)生的搭接的現(xiàn)象。原子間距離a03p3d4s4p

9、E=0能量圖2.2元素銅的能帶形成 （其中ao為晶格常數(shù)）許多原子形成晶體的情況：許多原子形成晶體的情況：半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述圖2.3 碳原子彼此接近形成金剛石的能帶示意圖 1一價(jià)帶；2一禁帶；3一導(dǎo)帶；ao金剛石晶格常數(shù)；xo一能帶搭接時(shí)的原子距離n圖2.3 示出了碳原子形成金剛石晶體時(shí)能帶的形成，以及能帶間禁帶的形成。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n按照能帶搭接或分立的情況，我們可以把金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別用圖加以簡單表示。原子間距離（）能量（eV）半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描

10、述n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖，可以把固體材料分成兩大類：p一類是價(jià)帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；p另一類則在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n在導(dǎo)體中：p一類材料是由于電子在價(jià)帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個(gè)能級上自由流動(dòng)，這需要的能量非常之??；p另一類材料雖然在價(jià)帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價(jià)電子很容易從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n而半導(dǎo)體材料則因其價(jià)帶已填滿，在價(jià)帶和導(dǎo)帶間存在有禁帶，價(jià)電子必須要具有足

11、夠的能量躍過禁帶才能進(jìn)入導(dǎo)帶而導(dǎo)電，在常溫或更高一些溫度下，由于能量的不均勻分布，總有一部分價(jià)電子能進(jìn)入導(dǎo)帶，使其具有一定的電導(dǎo)率。n對絕緣體而言，其禁帶寬度大，以致在常溫或較高溫度下均不能使其價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶所以不能導(dǎo)電。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n能帶理論能帶理論是從固體的整體出發(fā)，主要考慮到晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期性晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期性。用這個(gè)理論容易說明導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體之間的區(qū)別以及半導(dǎo)體材料的一些本性。n化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論主要從物質(zhì)的化學(xué)組成、

12、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列從物質(zhì)的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列來說明半導(dǎo)體材料的物性與化學(xué)組成、雜質(zhì)行為等問題。n固體的化學(xué)鍵主要有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵等。n它們的特征列入表2.1 中。2.3 化學(xué)鍵化學(xué)鍵半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述表表2.1 化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述圖2.5 不同化學(xué)鍵的電子分布n 各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電子對各個(gè)原子間的不同分配關(guān)系各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電子對各個(gè)原子間的不同分配關(guān)系，圖示出了前四種化學(xué)鍵的價(jià)電子分配關(guān)系。p 在離子鍵中，如NaCl，Na原子將其價(jià)電子完全給了原子將其價(jià)電子完全給了Cl而形成而形成Na+離子與離子與Cl

13、-離子離子。這種物質(zhì)在常溫下為絕緣體，但在熔融狀態(tài)則靠離子導(dǎo)電。p 以金剛石為代表的是外圍價(jià)電子共用外圍價(jià)電子共用的共價(jià)鍵。p 以Ar為代表的范德華鍵是靠瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)和引力瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)和引力形成的鍵。p以金屬M(fèi)g的外圍電子形成自由電子為正離子正離子Mg2+所共享，并被正離子產(chǎn)生的庫侖力所吸引。(a) 離子鍵(b) 共價(jià)鍵(c) 范德華鍵(d) 金屬鍵半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述將硅作為半導(dǎo)體的代表，其共價(jià)鍵的示意圖見圖2.6。n從圖2.6 中可看出每個(gè)硅原子共有4個(gè)共價(jià)鍵，有8個(gè)電子。n按照鮑林的不相容理論，每個(gè)能級上只有一對電子。n這可用雜化軌道來解釋，即在組成晶體時(shí)，原子的勢場受到周圍原

14、子的影響而產(chǎn)生微擾，從而雜化組成新的軌道。n從圖中可以看到，在這種共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，這反映在絕對零度的溫度條件下，半導(dǎo)體是呈絕緣體的情形。圖2.6 硅的共價(jià)鍵半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述圖2.7 硅的本征激發(fā)示意圖n隨著溫度的升高，電子的能量也隨之增高，但能量在電子之間并非是均勻分布的能量在電子之間并非是均勻分布的，其中能量高的電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，如圖所示。n這反映在能帶結(jié)構(gòu)上，就是電子從價(jià)帶進(jìn)電子從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶的空閑著的能級上入到導(dǎo)帶的空閑著的能級上。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n從圖可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)

15、正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導(dǎo)電的原理。n當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（為本征導(dǎo)電（intrinsic conductivity） ，這種半導(dǎo)，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconduct

16、or)。n其特點(diǎn)是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對應(yīng)關(guān)系。圖2.7 硅的本征激發(fā)示意圖利用這個(gè)機(jī)可理，可以方便地解釋什么是空穴：利用這個(gè)機(jī)可理，可以方便地解釋什么是空穴：半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n如果在硅中摻入磷(P)，P外圍有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si原子的位置時(shí)，在電子軌道上只能容納4個(gè)電子，另一個(gè)電子就成為自由載流子，如圖2.8 （a）所示。n但這時(shí)并未產(chǎn)生空穴，P原子由于失掉一個(gè)電子，就呈帶正電的離子，這種離子在固體中只能振動(dòng)，而不可能移動(dòng)，所以不能參加導(dǎo)電。圖2.8 硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；我們再看看雜質(zhì)參加導(dǎo)電的情況：我們再看看雜質(zhì)

17、參加導(dǎo)電的情況：n每個(gè)P原子可貢獻(xiàn)一 個(gè)電子，如果P在硅中具有一定的濃度，當(dāng)它所貢獻(xiàn)的自由電子的數(shù)目明顯地超過由上述的本征激發(fā)所產(chǎn)生載流子的數(shù)目時(shí)，這種半導(dǎo)體就呈電子型導(dǎo)電，被稱為n型（negative-負(fù)的）半導(dǎo)體。n這時(shí) P及其相類似雜質(zhì)就被稱為施主（donor-給予者）雜質(zhì)，簡稱施主。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n 相反，如果雜質(zhì)是鋁（Al）而不是P，Al只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si的位置與其他Si原子形成共價(jià)鍵時(shí)，則少了一個(gè)電子子，見圖（b）。n 別的Si原子的價(jià)電子可以來補(bǔ)充，這就形成帶正電的空穴載流子。n 同樣，當(dāng)Al 的濃度足夠高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電是以空穴為主，稱為p型（positive-正

18、的）半導(dǎo)體。n 類似Al這種雜質(zhì)被稱為受主（acceptor-接受者）雜質(zhì)，或受主。圖圖2.8 硅中雜質(zhì)的作用硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；的受主作用；半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述從化學(xué)鍵的角度更容易理解各種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性。從化學(xué)鍵的角度更容易理解各種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性。n我們首先看看元素半導(dǎo)體，它們的化學(xué)鍵屬于單純的共價(jià)鍵。在周期表同一族內(nèi)，其原子序數(shù)愈大，共價(jià)鍵的鍵合能愈弱，因此它的熔點(diǎn)愈低，它的禁帶寬度也愈小，如表所示。表2.2 IV族元素的原子序數(shù)與性質(zhì)半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述這一規(guī)律性也基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖這一規(guī)律性也

19、基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖2.9示出了示出了III-V 族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度與原子序數(shù)和的關(guān)系。族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度與原子序數(shù)和的關(guān)系。n化合物半導(dǎo)體的化學(xué)鍵較為復(fù)雜。因?yàn)閮煞N或兩種以上的元素對電子的親和力不可能完全相等，因此化合物的化學(xué)鍵就不可能是純的共價(jià)鍵。n假定一個(gè)化合物由A，B兩個(gè)元素形成，如果A的價(jià)電子在形成化合物時(shí)完全給B，就形成了離子鍵，這種化合物就屬于絕緣體，它在室溫下不導(dǎo)電，而當(dāng)熔融時(shí)， 靠（A+）和（B-）的離子導(dǎo)電。n屬于化合物半導(dǎo)體的則是那種價(jià)電子朝一種元素靠近而與另一種疏遠(yuǎn)，但仍以共價(jià)鍵結(jié)合為主的化合物。n這種共價(jià)鍵有一定的離子性。n元素對電子的親和力稱為負(fù)電

20、性，化合物化合物AB的負(fù)電性之差的負(fù)電性之差x = xB - xA可以在一定程度上反映化學(xué)鍵的極性可以在一定程度上反映化學(xué)鍵的極性，其中 xB， xA分別為 B ，A的負(fù)電性。 圖2.9 III-V族化合物原子序數(shù)（N1+N2）與禁帶寬度的關(guān)系禁帶寬度（eV）原子序數(shù)（N1+N2）半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n從中可以看出，在同一平均原子序數(shù)的條件下，有極性的化合物半導(dǎo)體比元素半導(dǎo)體的禁帶寬度大。n這是因?yàn)殡x子鍵的存在會(huì)增加總鍵能，但在有極性的化合物之間卻不是完全按其負(fù)電性差來排列的，這反映了極性對其作用的復(fù)雜性。n極性對材料的載流子遷移率也有影響，但其作用就更為復(fù)雜了。極性對材料的載流子遷移率也有影響

21、，但其作用就更為復(fù)雜了?；瘜W(xué)鍵的極性對半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有明顯的影響，表化學(xué)鍵的極性對半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有明顯的影響，表2.3示出了極性對禁帶寬度的影響。示出了極性對禁帶寬度的影響。材料性質(zhì)SiAlPGeGaAsInPAlSbZnSeSeInSbCdTe平均原子序數(shù)14143232323232505050禁帶寬度1.13.00.621.351.251.522.60.080.181.4Dx00.600.40.50.30.900.20.4半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述 2.4.1 單晶、多晶、微晶、非晶單晶、多晶、微晶、非晶p單晶是原子或離子沿著三個(gè)不同方向按一定的周期有規(guī)則地排列，并沿一致的晶體學(xué)取向所堆垛起來

22、的遠(yuǎn)程有序的晶體。p多晶則是由多個(gè)單晶顆粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學(xué)取向彼此不同，其周期性與規(guī)則性亦在此處遭到破壞。p微晶是組成粒度小于一定尺寸（對半導(dǎo)體而言，大約小于小于100nm）的多晶體。p非晶材料的原子排列是近程有序遠(yuǎn)程無序，即最鄰近的原子排列包括原子間距、配位數(shù)與單晶的情況相似，在次鄰近位置的原子則上述參數(shù)相差很大。在半導(dǎo)體材料中，單晶使用得最多，其次是多晶，非晶與微晶也開始使用在半導(dǎo)體材料中，單晶使用得最多，其次是多晶，非晶與微晶也開始使用。2.4 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶、化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)是從不同角度來闡述材料的本性的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)半導(dǎo)體的能帶、化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)是

23、從不同角度來闡述材料的本性的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是能看得見并與材料的制備和應(yīng)用有著密切關(guān)系的，同時(shí)它又是上述的體的晶體結(jié)構(gòu)是能看得見并與材料的制備和應(yīng)用有著密切關(guān)系的，同時(shí)它又是上述的能帶結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵的一些特征的反映能帶結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵的一些特征的反映。我們首先介紹一下有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本知識。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述2.4.2 晶胞與晶系晶胞與晶系n為了弄清晶體內(nèi)部的周期性與規(guī)律性，首先我們把構(gòu)成晶體的原子、離子看成分立的點(diǎn)，然后研究其構(gòu)成的點(diǎn)陣的特點(diǎn)。n這種點(diǎn)陣具有其不同的周期性、規(guī)律性，我們?nèi)缦胂笥弥本€把點(diǎn)陣中的“點(diǎn)”連接起來，就形成各種格子，稱為晶格。n布喇菲（Bravias ）證明，雖然晶

24、體有多種多樣，但只存在14種晶格，稱為 布喇菲格子，如圖所示，這些這些格子分屬于格子分屬于7大晶系大晶系。 圖2.10 布喇菲格子半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n每一種點(diǎn)陣都可以取一個(gè)體積最小的單元，這種單元呈平行六面體，將它沿著三個(gè)不同的方向位移，就可形成整個(gè)晶體。這個(gè)最小的單元稱為晶最小的單元稱為晶胞（胞（unit cell），或原胞），或原胞。n晶胞的三個(gè)棱邊的單位矢量用a、b、c表示；夾角用a、b、g表示，見圖。n用這用這6個(gè)參數(shù)可以決定晶體結(jié)構(gòu)，見個(gè)參數(shù)可以決定晶體結(jié)構(gòu)，見表。表。 這里稱為矢量這里稱為矢量，是因?yàn)樗蔷哂忻鞔_方向的邊長。n通常將晶胞所必需指明的矢量稱為將晶胞所必需指明的矢量稱為

25、晶格常數(shù)晶格常數(shù)。 圖2.11 晶胞的矢量與夾角半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述表2.4 晶系與布喇菲格子及其矢量半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述（a）金剛石型；（b）閃鋅礦型；（c）纖鋅礦型半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)也不盡相同，但就目前使用最廣的元素半導(dǎo)體及二元化合物半導(dǎo)體而言，最主要的晶體結(jié)構(gòu)是：金剛石型、閃鋅礦型和纖鋅礦型，金剛石型、閃鋅礦型和纖鋅礦型，其結(jié)構(gòu)如圖2.12 所示。半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n其中金剛石型乍一看來，難以找到相應(yīng)的布喇菲格子，其實(shí)它是由兩個(gè)面心立方的布喇菲格子沿方向(體對角線）相互位移a/4套構(gòu)所形成的，n而閃鋅礦結(jié)構(gòu)則由不同原子的兩個(gè)面心立方格子套構(gòu)而成的，如圖所示。n常用的硅、鍺都屬于金剛石型晶體

26、結(jié)構(gòu)，n一些重要的化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、磷化銦、碲化鎘等屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)。n纖鋅礦型屬六角晶系的布喇菲六角格子。硫化鋅、氮化鎵等具有這種結(jié)構(gòu)。兩套晶胞沿a/4套構(gòu)同種元素原子套構(gòu)不同元素原子套構(gòu)金剛石型閃鋅礦型面心立方晶胞圖圖2.13 金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)與面心立方晶胞的關(guān)系金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)與面心立方晶胞的關(guān)系半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。n以硅為例，它的每個(gè)原子的四周雜化軌道以及它的共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)決定了它必然是面心立方的金剛石結(jié)構(gòu)，見圖。n而且周期表的4個(gè)IV族元素半導(dǎo)體都是這種結(jié)構(gòu)。n在化合物半導(dǎo)體中，以共價(jià)鍵為主的材料多呈閃鋅礦結(jié)構(gòu)。n閃鋅礦與金剛石完全是一種類型，只不過前者是兩種元素相互交替，而后者只是一種元素。n隨著極性的增大，有可能變成纖鋅礦結(jié)構(gòu)，但這種變化并非單一性的，因?yàn)闃O性對物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的影響是復(fù)雜的。圖2.14 硅的雜化軌道與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系2.4.3 晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系（a）硅的雜化軌道（b）晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料導(dǎo)論描述n如上所述，不論晶