第二章能帶和載流子濃度1

1、2.1 半導(dǎo)體材料2.2 基本晶體結(jié)構(gòu)2.3 基本晶體生長技術(shù)2.4 共價鍵2.5 能帶2.6 本征載流子濃度2.7 施主與受主2微電子器件原理微電子器件原理微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ)集成電路集成電路功率器件功率器件MEMS傳感器傳感器光電器件光電器件課程知識應(yīng)用領(lǐng)域課程知識應(yīng)用領(lǐng)域固體物理固體物理半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件量子力學(xué)量子力學(xué)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料統(tǒng)計學(xué)物理統(tǒng)計學(xué)物理2.1 2.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料l1、從導(dǎo)電性劃分l固體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可分為導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體絕緣體和半導(dǎo)體。 （看P18圖2.1）l半導(dǎo)體易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子

2、(占影響.l元素半導(dǎo)體：硅、鍺。電阻率在cmcm一、半導(dǎo)體材料分類一、半導(dǎo)體材料分類6108102106101010141018102210210:/S cm金屬半導(dǎo)體絕緣體各種材料的電導(dǎo)率5鍺和銅的電導(dǎo)率隨溫度的變化鍺和銅的電導(dǎo)率隨溫度的變化100 300 1000 T(K) : /S cm6 純硅的電導(dǎo)率很低，純硅的電導(dǎo)率很低，電導(dǎo)率約為電導(dǎo)率約為1010-3-3S/cm;S/cm;室溫時的載流室溫時的載流子濃度約為子濃度約為2 210101010cmcm-3-3 。若在這種純硅中摻入雜質(zhì)磷，并。若在這種純硅中摻入雜質(zhì)磷，并使磷原子在純硅中的濃度達(dá)到使磷原子在純硅中的濃度達(dá)到2 21010

3、1616cmcm-3-3 時，硅在室溫下時，硅在室溫下的電導(dǎo)率可相應(yīng)增加到的電導(dǎo)率可相應(yīng)增加到10102 2S/cmS/cm左右，即比純硅的電導(dǎo)率左右，即比純硅的電導(dǎo)率增加增加5 5個數(shù)量級。硅的原子數(shù)密度為個數(shù)量級。硅的原子數(shù)密度為5 510101212cmcm-3-3 ，所以濃，所以濃度僅為基質(zhì)硅原子數(shù)密度百萬分之一的雜質(zhì)就可使硅的電度僅為基質(zhì)硅原子數(shù)密度百萬分之一的雜質(zhì)就可使硅的電導(dǎo)率發(fā)生驚人的變化。由于摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量可以精導(dǎo)率發(fā)生驚人的變化。由于摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量可以精確控制，因此利用這一特點可在很寬的范圍內(nèi)改變半導(dǎo)體確控制，因此利用這一特點可在很寬的范圍內(nèi)改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，

4、甚至改變電傳導(dǎo)的類型，使負(fù)載流子傳導(dǎo)變?yōu)榈碾妼?dǎo)率，甚至改變電傳導(dǎo)的類型，使負(fù)載流子傳導(dǎo)變?yōu)檎d流子傳導(dǎo)正載流子傳導(dǎo)( (或相反或相反) )。 2、電導(dǎo)率隨摻雜的變化電導(dǎo)率隨摻雜的變化：71 1）、）、 變化范圍很寬；變化范圍很寬；2 2）、）、 隨溫度上升明顯；隨溫度上升明顯；3 3）、）、 隨摻雜濃度增加（其中少量雜質(zhì)電離，隨摻雜濃度增加（其中少量雜質(zhì)電離，載流子濃度劇增），電導(dǎo)率急劇增加）；載流子濃度劇增），電導(dǎo)率急劇增加）；4 4）、）、 波長合適的光照射，光激發(fā)會使載流子波長合適的光照射，光激發(fā)會使載流子濃度和電導(dǎo)率增加（這實際上就是半導(dǎo)體的濃度和電導(dǎo)率增加（這實際上就是半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

5、現(xiàn)象）。光電導(dǎo)現(xiàn)象）。 3、半導(dǎo)體電導(dǎo)率的特征： 8半導(dǎo)體的電導(dǎo)率除了具有以上幾方面特征外，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率除了具有以上幾方面特征外，許多半導(dǎo)體材料還有比許多半導(dǎo)體材料還有比金屬金屬更明顯的更明顯的溫差電效應(yīng)、溫差電效應(yīng)、磁電效應(yīng)磁電效應(yīng)和和壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。此外，半導(dǎo)體的此外，半導(dǎo)體的pnpn結(jié)、金屬與半導(dǎo)體的接觸、不同結(jié)、金屬與半導(dǎo)體的接觸、不同種半導(dǎo)體材料的接觸種半導(dǎo)體材料的接觸( (即異質(zhì)結(jié)即異質(zhì)結(jié)) )等由界面所表現(xiàn)出等由界面所表現(xiàn)出來的結(jié)特性以及電場對半導(dǎo)體表面的場效應(yīng)等也是來的結(jié)特性以及電場對半導(dǎo)體表面的場效應(yīng)等也是半導(dǎo)體的一些重要特性。半導(dǎo)體的一些重要特性。 這些特性是一些半導(dǎo)體

6、器件工作的基礎(chǔ)。這些特性是一些半導(dǎo)體器件工作的基礎(chǔ)。94 4、半導(dǎo)體材料的種類、半導(dǎo)體材料的種類： 半導(dǎo)體材料在元素周期表中位于周期表半導(dǎo)體材料在元素周期表中位于周期表（Periodic Table）第）第族（族（ column or family） 及其鄰近的族。及其鄰近的族。按照組成分類無機(jī)半導(dǎo)體10按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類按功能分類11按照研究及應(yīng)用時代分類按照研究及應(yīng)用時代分類目前主要材料仍然是目前主要材料仍然是Si,占占80%。12元素半導(dǎo)體族：Zn,Cd 族：B,Al,Ga,In 族：C,Si,Ge,Sn 族：P,As,Sb 族：N,S,Se,Te 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 131420世

7、紀(jì)50年代初期：鍺（Ge）60年代初期以后：硅（Si）周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS鎂鋁硅磷硫4ZnGaGeAsSe鋅鎵鍺砷硒5CdInSnSbTe鉻銦錫銻碲6HgPb汞鉛硅的優(yōu)勢：室溫下有較佳的特性；生長成本低；地表儲量豐富，僅次于氧。1)、元素半導(dǎo)體-族-族-族-族-族-族金屬氧化物 SiCInP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSGaN,AlN,InN

8、GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO2）、化合物半導(dǎo)體 1516可分類型：二元、三元、四元化合物 GaAs 、InP、 AlxGa1-xAs、MgZnO、 Gaxln1-xAsyP1-y、CIGS、IGZO等等3）、多元素半導(dǎo)體 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體 175 5、半導(dǎo)體材料的主要性質(zhì)、半導(dǎo)體材料的主要性質(zhì)室溫下室溫下純純Si 2.14105 cm摻入摻入10-6（原子比）（原子比）P原子原子 0.2 cmTkEexp0g純純Si，溫度每增加，溫度每增加8度，電阻度，電阻率相應(yīng)

9、降低率相應(yīng)降低50%左右左右 霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)。霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)。 CdS光敏光敏電阻電阻6 6、主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀：、主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀： 增大直拉硅單晶的直徑仍是今后CZ-Si發(fā)展的總趨勢。8英寸，12英寸已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，18英寸也進(jìn)入生產(chǎn)，27英寸正在研制中。SiSi單單晶晶: :GaAs和 InP單晶： 世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產(chǎn)量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯密度生長的23英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主。 InP具有比GaAs 更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快；但不幸的是，研制直徑3英寸以上大直徑的InP單

10、晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。20GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010英國自然雜志報告說，美國伊利諾伊大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員研發(fā)出一種可批量生產(chǎn) GaAs 晶片的技術(shù)，克服了成本上的瓶頸，從而使 GaAs 這種感光性能比硅更優(yōu)良的材料有望大規(guī)模用于半導(dǎo)體和太陽能相關(guān)產(chǎn)業(yè)。 21l砷化鎵的感光性能比硅更優(yōu)良，理論上對陽光40%轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化率約是硅的兩倍，l因此衛(wèi)星和太空飛船等多采用砷化鎵作為太陽能電池板。然而，

11、傳統(tǒng)的砷化鎵晶片制造技術(shù)每次只能生成一層晶片，成本居高不下，限制了砷化鎵的廣泛應(yīng)用。l 美國伊利諾伊大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員說，他們開發(fā)出的新技術(shù)可以生成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然后利用化學(xué)物質(zhì)使砷化鎵層分離出來，可同時生成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。22在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，三代半導(dǎo)體材料中，有代表性的是硅（Si）、砷化鎵（GaAs)和氮化鎵(GaN)。 硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料；將砷化鎵、磷化錮、磷化鎵、砷化錮、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料；將寬禁帶(Eg2.3eV)的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。23半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。半導(dǎo)體材料多以晶體

12、的形式存在。半導(dǎo)體與金屬、絕緣體之間的界限也不是絕對的。l重?fù)诫s半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與金屬類似（可具有正l的電阻溫度系數(shù)）；l在低于1K溫度下，有些半導(dǎo)體（如GeTe、SnTe、SrTiO3等）可顯示出超導(dǎo)性；l純凈的半導(dǎo)體材料在較低溫度下（低于其本征激發(fā)溫度）下就是絕緣體；l半導(dǎo)體材料并不僅限于固體，也有液態(tài)半導(dǎo)體。24半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料，支撐著通信、計算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國電子信息產(chǎn)品發(fā)展訊速，在2003年中國電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入1.88萬億元，折合22002300億美元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過日本位居世界第二，成為中國

13、第一大支柱產(chǎn)業(yè)。252627首批產(chǎn)品預(yù)計生產(chǎn)年份首批產(chǎn)品預(yù)計生產(chǎn)年份2005200820112014工藝代（特征尺寸工藝代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸晶片尺寸/mm300300300450去邊去邊/mm1111正表面顆粒和正表面顆粒和COP尺寸尺寸/mm50352525顆粒和顆粒和COP密度密度/mm-20.100.100.100.10表面臨界金屬元素密度表面臨界金屬元素密度/109at.mm-24.94.23.63.0局部平整度局部平整度/nm100706035中心氧含量中心氧含量/1017cm-39.0/15.59.0/15.59.0/15.59.0/15.5Fe濃度濃度/

14、1010cm-31111復(fù)合壽命復(fù)合壽命/s325350350400現(xiàn)代微電子工業(yè)對硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求現(xiàn)代微電子工業(yè)對硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求l材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)，l表1列出了三種常見半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)及應(yīng)用情況。l禁帶寬度決定發(fā)射光的波長，禁帶越大發(fā)射光波長越短(藍(lán)光發(fā)射)；禁帶越小發(fā)射光波長越長。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導(dǎo)體性能越好。l電子遷移速率決定半導(dǎo)體低壓條件下的高頻工作性能；l飽和速率決定半導(dǎo)體高壓條件下的高頻工作性能。 28表表1 主要半導(dǎo)體材料的比較主要半導(dǎo)體材料的比較 材料材料SiGaAsGaN物物理理性性質(zhì)質(zhì)禁帶寬度（禁帶寬度（ev）1.111.423.4飽和速率（飽和

15、速率（10-7cm/s）1.02.12.7熱導(dǎo)（熱導(dǎo)（W/cK）1.30.62.0擊穿電壓（擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（電子遷移速率（cm2/Vs應(yīng)用用情情況況光學(xué)應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用無無紅外紅外藍(lán)光藍(lán)光/紫外紫外高頻性能高頻性能差差好好好好高溫性能高溫性能中中差差好好發(fā)展階段發(fā)展階段成熟成熟發(fā)展中發(fā)展中初期初期相對制造成本相對制造成本低低高高高高29l硅材料優(yōu)點：儲量豐富、價格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易生長大尺寸高純度晶體。l目前，硅材料仍是電子信息產(chǎn)業(yè)最主要的基礎(chǔ)材料，處在成熟的發(fā)展階段。l95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路(IC)是

16、用硅材料制作的。l在21世紀(jì)，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。Si30l GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能。lGaAs材料可在同一芯片同時處理光電信號，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。l隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展， GaAs材料成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。l其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，并占據(jù)不可取代的重要地位。l但是，由于SiC材料的出現(xiàn)，人們對GaAs的興趣降低了。GaAs3132寬帶隙半導(dǎo)體材料：寬帶隙半導(dǎo)體材料： 寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石、

17、III族氮化物（GaN、SiN等）、碳化硅（SiC）、立方氮化硼以及II-VI族硫、錫碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN 和金剛石薄膜等材料,因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。lGaN的熱導(dǎo)率明顯高于常規(guī)半導(dǎo)體。l這一屬性在高功率放大器和激光器中是很起作用的。帶隙大小本身是熱生率的主要貢獻(xiàn)者。在任意給定的溫度下，寬帶隙材料的熱生率（單位體積的熱流率）比常規(guī)半導(dǎo)體的小1014個數(shù)量級。這一特性在電荷耦合器件、新型非

18、易失性高速存儲器中起很大的作用，并能實質(zhì)性地減小光探測器的暗電流。GaN33lGaN的高介電強(qiáng)度（靜態(tài)9.7-高頻5.3）適合用于高功率放大器、開關(guān)和二極管。l寬帶隙材料的相對介電常數(shù)比常規(guī)材料的要小，由于對寄生參數(shù)影響小，這對毫米波放大器而言是有利用價值的。l寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般低于多數(shù)常用半導(dǎo)體，其空穴遷移率一般較高。l石墨和金剛石電子遷移率則很高（15000 cm2/Vs）。34l寬帶隙材料的高電場電子速度(飽和速度)一般較常規(guī)半導(dǎo)體高得多，這就使得寬帶隙材料成為毫米波放大器的首選材料。 lGaN材料的禁帶寬度（3.4eV)為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和

19、光電子應(yīng)用方面具有遠(yuǎn)比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍(lán)綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測器件。 35l目前GaN的制造技術(shù)面臨的最主要挑戰(zhàn)是：l尋找適合GaN薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的氮化鎵體單晶生長工藝。3637SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展。2、3英寸的4H和6H-SiC單晶與外延片，以及4英寸的4H SiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件 的研制也取得了長足的進(jìn)步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。384H-SiC單晶能帶寬度3.26eV，熱導(dǎo)率3.7

20、W/cm.K,大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實驗室研制階段。仍有很多關(guān)鍵問題沒有解決,如GaN襯底，ZnO單晶簿膜和P型摻雜的制備， P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，IIVI族材料的退化機(jī)理等等。國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。39材料名稱材料名稱制作器件制作器件主要用途主要用途硅硅二極管、晶體管二極管、晶體管通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動控制通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動控制集成電路集成電路各種計算機(jī)、通訊、廣播、自動控制、電子鐘表、儀表各種計算機(jī)、通訊、廣播、自動控制、電子鐘表、儀表整流器晶閘管整流器晶閘管整流、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器整流、

21、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器射線探測器射線探測器原子能分析、光量子檢測原子能分析、光量子檢測太陽能電池太陽能電池太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電砷化鎵砷化鎵各種微波管各種微波管雷達(dá)、微波通訊、電視、移動通訊雷達(dá)、微波通訊、電視、移動通訊激光管激光管光纖通訊光纖通訊紅外發(fā)光管紅外發(fā)光管小功率紅外光源小功率紅外光源霍爾元件霍爾元件磁場控制磁場控制激光調(diào)制器激光調(diào)制器激光通訊激光通訊高速集成電路高速集成電路高速計算機(jī)、移動通訊高速計算機(jī)、移動通訊太陽能電池太陽能電池太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電氮化鎵氮化鎵激光器件激光器件光學(xué)存儲、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用光學(xué)存儲、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用發(fā)光二極管發(fā)光

22、二極管信號燈、視頻顯示、微型燈泡、移動電話信號燈、視頻顯示、微型燈泡、移動電話紫外探測器紫外探測器分析儀器、火焰檢測、臭氧監(jiān)測分析儀器、火焰檢測、臭氧監(jiān)測集成電路集成電路通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開關(guān)、導(dǎo)彈通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開關(guān)、導(dǎo)彈表表2 半導(dǎo)體材料器件的主要用途半導(dǎo)體材料器件的主要用途402.22.2晶體基本結(jié)構(gòu)晶體基本結(jié)構(gòu)l2.2.1晶體結(jié)構(gòu)知識l2.2.2金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)l2.2.3晶面及密勒指數(shù)理想晶體的原子排列具有周期性，或長程有序。1.晶格晶體中原子的周期性排列的具體形式稱為晶格，晶格中的原子被抽象為一個點，稱為格點。2.2.1、晶體結(jié)構(gòu)知識

23、原子球的正方排列體心立方晶格的堆積方式2. 原胞一個晶格的最小的周期性單元。原胞示意圖單胞（晶胞）單胞（晶胞）：以格點為頂點、以三個獨(dú)立方向上的周期為邊長所構(gòu)成的平行六面體；可復(fù)制出整個晶體，通常用來代表整個晶格。三個向量彼此間不需正交，長度也可不相等，基矢長度稱為晶格常數(shù) 。acbacbRm anbp c3. 晶格基矢原胞的邊矢量（單位矢量） 能通過平移畫出整個點陣 的最小可能的矢量。kaajaaiaa3322111a2a3akaajaaiaa321簡單立方：)(2)(2)(2321ikaakjaajiaa1a2a3a面心立方：)(2)(2)(2321kjiaakjiaakjiaa體心立方：

24、yxz立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)：立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)：44 簡立方晶格 每個頂角有一個原子，且每個原子都有6個等距最鄰近原子（如釙Po） 體心立方晶格 除頂角外在立方體中 心還有一個原子。且 每一原子有8個最鄰近 原子 (如Na,W)yxzxzayzxy 面心立方晶格 簡立方的六個面的中心各有一個原子，且每個原子有12個最鄰近原子（如Cu，Al,Au,Pt、Si、Ge)在結(jié)晶學(xué)中，選某一格點為原點O，任一格點A的格矢為4. 格矢（平移矢量）332211alalalRA123, ,l l l321,aaa為對應(yīng)晶軸上的投影，取整數(shù)，如果三個數(shù)是互質(zhì)的。為晶軸上的單位矢量。5. 布拉菲格子點陣晶格

25、內(nèi)部的結(jié)點在空間作規(guī)則的周期性的無限分布即為布拉菲格子點陣。466. 復(fù)式格子結(jié)點由兩種或兩種以上原子構(gòu)成的基元，各種原子各自構(gòu)成相同的布拉菲格子，但相互有一個位移，形成一個復(fù)式點陣。7. 晶列布拉菲格子的格點可以看成分布在一系列相互平行的直線系上，這些直線系叫晶列。晶列8. 晶向每一個晶列定義了一個方向，稱為晶向。如果從一個原子沿晶向到最近的原子的位移矢量為332211alalalRA則晶向就用l1, l2, l3來標(biāo)志，如果三個數(shù)是互質(zhì)的，可以直接表示晶列的方向，寫成l1 l2 l3稱晶向指數(shù)。OABC100110111晶向481223ARaa晶向指數(shù)230491233ARaaa晶向指數(shù)3

26、11509. 晶面布拉菲格點還可看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面。密勒指數(shù)-晶面指數(shù)（h1h2h3）： | h1 | 、| h2 | 、| h3 |表示等距的晶面分別把基矢a1、a2、a3分割成多少個等份。晶面在三個軸上的截距倒數(shù)的互質(zhì)數(shù)為晶面指數(shù)（h1h2h3）。(110)等效晶面數(shù)6個(111)等效晶面數(shù)4個(100)等效晶面數(shù)3個52立方晶格的幾種主要晶面 53(100)面等效的晶面數(shù)分別為：3個。表示為100，晶面族。符號相反的晶面指數(shù)只是在區(qū)別晶體的外表面時才有意義, 在晶體內(nèi)部這些面都是等效的。(110)面等效的晶面數(shù)分別為：6個。表示為110。(111)面等效的晶

27、面數(shù)分別為：4個。表示為111。5410. 倒格矢與真實空間的晶格對應(yīng)，動量空間也有一套相應(yīng)的點陣，即倒易點陣。X射線、透射電子顯微鏡等利用衍射得到的是倒格子信息。STM（掃描透視顯微鏡）得到的是真實空間結(jié)構(gòu)。條件：條件：X射線源、觀測點與晶體的距離都比晶體的線度射線源、觀測點與晶體的距離都比晶體的線度大的多；大的多；入射線和衍射線可看成平行光線；入射線和衍射線可看成平行光線；散射前后的波長不變散射前后的波長不變,且為單色。且為單色。 從X射線衍射方程、反射公式引出倒格矢概念CO= -Rl S0 OD= Rl S衍射加強(qiáng)條件：衍射加強(qiáng)條件： CO + OD =Rl （ SS0 ）=有有：ko=

28、(2 / ) S0 k=(2 / ) S得得：Rl （ kk0 ）= 2 設(shè)設(shè)： kk0 =n Kh1）. 衍射方程CRlD衍射線單位基矢S OA入射線單位基矢S0晶面晶面58kk0 =n Kh的物理意義：當(dāng)入射波矢和衍射波矢相差一個或幾個Kh（倒格矢）時，滿足衍射加強(qiáng)條件， n為衍射級數(shù)。2）. 反射公式反射公式 |kk0 |= 2 |S/ - S0 / | =( 4/ ) sin |kk0 | = | n Kh |= 2n/dh1h2h3 | Kh |= 2/dh1h2h3PATAPQQSd入射線與反射線之間的光程差：入射線與反射線之間的光程差： =SA +A T=2d sin 滿足衍射方

29、程：滿足衍射方程：2dh1h2h3 sin =n kk0kk060物理意義：從2dh1h2h3 sin =n 中可知：對于某一個確定的晶面族，要滿足衍射加強(qiáng)條件，可以改變?nèi)肷洳ㄊ傅姆较?，即改變，或改變?nèi)肷洳ㄊ傅拇笮?，即改變。設(shè)一晶格的基矢為設(shè)一晶格的基矢為 a1 、 a2、a3，有如下的關(guān)系：有如下的關(guān)系： b1= 2 (a2 a3) 說明說明b1垂直于垂直于a2和和a3所確定的面；所確定的面； b2= 2 (a3 a1) 說明說明b2垂直于垂直于a3和和a1所確定的面所確定的面 b3= 2 (a1 a2 說明說明b3垂直于垂直于a1和和a2所確定的面所確定的面 式中：式中： = a1 ( a

30、2 a3)為晶格原胞的體積為晶格原胞的體積V。3）、倒格子的概念VaaaaaaabVaaaaaaabVaaaaaaab213212131332113232321321222222正空間基矢 與倒空間基矢 關(guān)系：321,aaa321,bbb另外，正空間基矢與倒空間基矢關(guān)系：333211332211,bnbnbnGamamamRNmnmnmnGR2)(23322111或GRie倒格子倒格子：以以b1、b2、b3為基矢的格子是為基矢的格子是 以以a1、a2、a3為基矢的格子的倒格子。為基矢的格子的倒格子。（1） 正格子基矢和倒格子基矢的關(guān)系2. 正格子與倒格子的幾何關(guān)系 =2 (i=j) aibj=

31、2i j =0 (ij)證明如下： a1b1=2 a1 ( a2a3) / a1 ( a2a3) = 2 因為倒格子基矢與不同下腳標(biāo)的正格子基矢垂直，有： a2b1=0 a3b1=0 （2）除（）除（2 ）3因子外，正格子原胞體積因子外，正格子原胞體積 和倒和倒格子原胞體積格子原胞體積 *互為倒數(shù)互為倒數(shù)。 *=b1 ( b2 b3) = (2 ）3/ （3）正格子中一族晶面（h1h2h3）和倒格矢 k h=h1b1+h2b2+h3b3 正交，即晶面的彌勒指數(shù)是垂直于該晶面的最短倒格矢坐標(biāo).（4）倒格矢的長度正比于晶面族（h1h2h3）的面間距的倒數(shù)。dh1h2h3=a1/h1kh/|kh|=

32、a1(h1b1+h2b2+h3b3)/h1|kh|=2/|kh|65由上可知：一個倒格矢代表正格子中的一族平行晶面 。 晶面族（h1h2h3）中離原點的距離為 d h1h2h3的晶面的方程式可寫成： R l kh/|kh|= d h1h2h3 (=0,1,2,)得出正格矢和倒格矢的關(guān)系： R l kh= 2 結(jié)論：如果兩矢量的關(guān)系滿足：R l kh= 2，則其中一個為正格子，另一個必為倒格子；即正格矢和倒格矢恒滿足正格矢和倒格矢的關(guān)系。結(jié)論：倒格矢Kh垂直某一晶面（ h1h2h3 ），也即該晶面的法線方向與此倒格矢方向一致。 倒格矢Kh的大小與和其垂直的晶面間距倒數(shù)成正比。dh1h2h3=2/

33、|kh| 一個倒格矢對應(yīng)一族晶面，但一族晶面可以對應(yīng)無數(shù)個倒格矢，這些倒格矢的方向一致，大小為最小倒格矢的整數(shù)倍。 滿足X射線衍射的一族晶面產(chǎn)生一個斑點，該斑點代表一個倒格點，即該倒格點對應(yīng)一族晶面指數(shù)。 每個晶體結(jié)構(gòu)有兩個點陣：晶體點陣和倒格子點陣，正格子點陣是真實每個晶體結(jié)構(gòu)有兩個點陣：晶體點陣和倒格子點陣，正格子點陣是真實空間的點陣，倒格子點陣是在波矢空間的點陣?？臻g的點陣，倒格子點陣是在波矢空間的點陣。結(jié)晶學(xué)家喜歡用正格子，結(jié)晶學(xué)家喜歡用正格子，而物理學(xué)家喜歡用倒格子，而物理學(xué)家喜歡用倒格子，因為它在數(shù)學(xué)處理上具有優(yōu)越性。因為它在數(shù)學(xué)處理上具有優(yōu)越性。 兩個點陣的基矢具有一定的幾何關(guān)系

34、（包括方向、大?。?。兩個點陣的基矢具有一定的幾何關(guān)系（包括方向、大小）。 倒格子原胞的選取：作由原點出發(fā)的諸倒格矢的垂直平分面，為這些平面倒格子原胞的選?。鹤饔稍c出發(fā)的諸倒格矢的垂直平分面，為這些平面所完全封閉的最小體積所完全封閉的最小體積-第一布里淵區(qū)第一布里淵區(qū)。其體積與正格子體積成正比。其體積與正格子體積成正比。 衍射條件：入射波矢和反射波矢之差為該平面族所對應(yīng)的倒格矢的整數(shù)倍。衍射條件：入射波矢和反射波矢之差為該平面族所對應(yīng)的倒格矢的整數(shù)倍。 晶體衍射的過程就是把正格子中一族晶面轉(zhuǎn)化為倒格子中的一點的過程。晶體衍射的過程就是把正格子中一族晶面轉(zhuǎn)化為倒格子中的一點的過程。倒格矢與晶面間

35、距 dd2nG納米ZnO的XRD及TEM正格子中的一族晶面轉(zhuǎn)化為倒格子中的一點金剛石晶格結(jié)構(gòu)金剛石晶格結(jié)構(gòu) (硅、鍺)：屬面心立方晶體家族，視為兩個相互套構(gòu)的面心立方副晶格， 此兩個副晶格偏移的距離為立方體體對角線的1/4。此兩個副晶格中的兩組原子雖在化學(xué)結(jié)構(gòu)上相同，但以晶格觀點看卻不同。69金剛石結(jié)構(gòu)2.2.2 金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)70vSi,Ge,C 等IV族元素，原子的最外層有四個價電子v金剛石正四面體結(jié)構(gòu)：每個原子周圍有4個最近鄰的原子。71金剛石晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)式晶格。SiGeGaAs C金剛石金剛石 5.430895.657545.6419 3.567 5X1022

36、4.42X1022晶格常數(shù)晶格常數(shù) a ()原子密度原子密度金剛石與石墨金剛石與石墨l金剛石晶體結(jié)構(gòu)為：正四面體、FCC，碳原子位于FCC點陣的結(jié)合點和四個不相鄰的四面體間隙位置。碳原子之間都由共價鍵結(jié)合，因此金剛石硬度高，結(jié)構(gòu)致密，不導(dǎo)電。l石墨晶體結(jié)構(gòu)為：簡單六方點陣層狀結(jié)構(gòu)，碳原子位于點陣結(jié)點上，同層原子之間由共價鍵結(jié)合，鄰層之間由范德華力結(jié)合，因此石墨組織稀松，有一定的導(dǎo)電性，常用作潤滑劑。7273閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu) (GaAs)：與金剛石晶格結(jié)構(gòu)類似，只是兩個相互套構(gòu)的面心立方副晶格中的組成原子不同，其中一個副晶格為III族原子(Ga)，另一個副晶格為V族原子(As)。閃鋅

37、礦結(jié)構(gòu)ZnS74晶格由兩種不同原子組成的面心立方晶格套構(gòu)而成。IIIV族化合物，每個原子被四個異族原子包圍。共價鍵中有一定的離子性，稱為極性半導(dǎo)體。ZnO,GaAs, InP屬于閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)(Zincblende Structure),雙原子復(fù)式格子75金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別l不同：金剛石結(jié)構(gòu)由兩種相同的原子組成，閃鋅礦結(jié)構(gòu)由兩類不同的原子組成。l相同：都由兩面心立方晶格，沿空間對角線彼此位移四分之一空間對角線長度套構(gòu)而成?？碢21-23 例1、22.2.3 晶面及密勒指數(shù)晶面及密勒指數(shù)晶面晶面：晶格的格點可以看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面

38、。76由于不同平面的原子空間不同；因此沿不同平面的晶體特性各不相同，且電特性及其他器件特性與晶體方向有重要關(guān)聯(lián)。密勒指數(shù)（Miller indices）：界定一晶體中不同平面的方法。可由下列步驟確定：1.找出平面在三坐標(biāo)軸上的截距值r、s、t（以晶格常數(shù)為單位）；2.取這三個截距的倒數(shù)，并將其化簡成最簡單整數(shù)比 : ；h、k、l為互質(zhì)的整數(shù)，3.以（hkl）來表示單一平面的密勒指數(shù)。1 1 1:h k lrs tP23 例32.2.3 晶面及密勒指數(shù)77以下是一些其他規(guī)定：1.(hkl)：代表在x軸上截距為負(fù)的平面，如(100)。2.hkl：代表相對稱的平面群，如在立方對稱平面中，3.可用10

39、0表示(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)；4.hkl：代表一晶體的方向，如100表示x軸方向。100方向定義為垂直于(100)平面的方向，而111則為垂直于(111)平面的方向。78_l：代表等效方向的所有方向組，如代表100、010、001、 100、010、001 。79(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(110)yxzaaaO(111)yxz_80l1、硅材料的制備、硅材料的制備l硅晶體、目前占電子工業(yè)半導(dǎo)體材料的95%。高純度的硅砂與不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入爐中，產(chǎn)生反應(yīng)：( )2( )( )( )( )SiC sSiOs

40、Si sSiO gCO g此步驟獲得冶金級硅，純度98%，然后與HCl反應(yīng)，生成三氯硅烷：32( )3( )300( )( )Si sHCl gCSiHCl gHgSiHCl3沸點32度，分餾提純，得到電子級硅，32( )( )( )3( )SiHCl gHgSi gHCl g晶格常數(shù)晶格常數(shù)=0.5430nm=0.5430nm223385.00 10 cma930.23557 104am原子間最短距離（將原子看成剛性球），原子間最短距離（將原子看成剛性球），原子密度，原子密度，l 硅晶格的一些理論數(shù)據(jù)硅晶格的一些理論數(shù)據(jù) 共價半徑，共價半徑，990.23557 100.117 102m硅原子

41、核硅原子核K K層層L L層層M M層層硅原子及其電子組態(tài)和表示方法硅原子及其電子組態(tài)和表示方法 Si Si+ + 半徑半徑.039nm.039nm 1414個核外電子組態(tài)個核外電子組態(tài)1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p2 2 價電子組態(tài)價電子組態(tài)3s3s2 23p3p2 22 2、半導(dǎo)體材料制備技術(shù)發(fā)展、半導(dǎo)體材料制備技術(shù)發(fā)展： 196019508319701960硅外延技術(shù) 1963年 用液相外延法生長砷化鎵外延層，半導(dǎo)體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應(yīng) 1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶841）.硅、鍺單晶生長的直拉法直拉法又稱柴

42、可拉斯基法(Czochralski)，簡稱CZ法,是生長半導(dǎo)體單晶的主要方法。生長方法： 在直拉單晶爐內(nèi)，向盛有熔硅（鍺）坩堝中，引人籽晶作為非均勻晶核，然后控制熱場，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，單晶便在籽晶下按籽晶的方向長大。直拉單晶爐及其熱系統(tǒng)直拉單晶爐的結(jié)構(gòu)如圖所示86晶體拉晶儀的三個主要部分：爐子：坩堝、石墨基座、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、加熱拉晶機(jī)械：子晶夾持器與旋轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)：進(jìn)氣、排氣、流量控制。整個儀器的微機(jī)控制系統(tǒng)。在晶體生長過程中，籽晶方向、熔化、提拉速度、外加磁場等都很重要。單晶爐單晶爐89一個合理的熱場，必須使熔體的任何部分都高于熔點。要求： 熔體縱向溫度梯度 徑向溫度梯度 晶體中溫度

43、梯度0)(LdzdT0)(LdrdT0)(SdzdT一臺好的單晶爐除了有平穩(wěn)的機(jī)械系統(tǒng)、方便的供水系統(tǒng)、供電加熱及自動控制系統(tǒng)、抽真空與充氣系統(tǒng)等幾部分外，關(guān)鍵是要有一個合理的熱場。它應(yīng)保證熔體的任何部分不產(chǎn)生新的晶核，從而使單晶能順利長大。2） 直拉法單晶生長工藝直拉法工藝流程單晶生長：下種（潤晶）引晶縮頸放肩等徑生長收尾拉光潤晶：當(dāng)熔體溫度穩(wěn)定在稍高于熔點，將籽晶放在上面烘烤幾分鐘后將籽晶與熔體 熔接。92l1、金剛石共價鍵結(jié)構(gòu)：l2、閃鋅礦共價鍵結(jié)構(gòu)： 但存在微量離子鍵成分l3、熱激發(fā)載流子： 電子與空穴2.4.1、金剛石共價鍵結(jié)構(gòu)：、金剛石共價鍵結(jié)構(gòu)：在金剛石中，每個碳原子都以SP3雜

44、化軌道與另外4個最鄰近的碳原子形成共價鍵，構(gòu)成正四面體。這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵(covalent bonding)。由于金剛石中的C-C鍵很強(qiáng)，鍵長0.154nm，所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成，沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點極高，而且不導(dǎo)電。44444（a）四面體結(jié)構(gòu)的二維空間結(jié)構(gòu)圖94 共價鍵產(chǎn)生在兩個相同元素的原子間，或具有相似外層電子結(jié)構(gòu)的不同元素原子之間，每個原子核擁有每個電子的時間相同。然而這些電子大部分的時間是存在兩個原子核間。原子核對電子的吸引力使得兩個原子結(jié)合在一起。右圖是其二維空間結(jié)構(gòu)簡圖。右圖是其二維空間結(jié)構(gòu)簡圖。（b）四面體結(jié)構(gòu)2.4.2.2.4

45、.2.閃鋅礦共價鍵閃鋅礦共價鍵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)砷化鎵為四面體閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)合也是共價鍵，但在砷化鎵中存在微量離子鍵成分，即Ga離子與其四個鄰近As離子或As離子與其四個鄰近Ga離子間的靜電吸引力。以電子觀來看，這表示每對共價鍵電子存在于As原子的時間比在Ga原子中稍長。 （a）四面體結(jié)構(gòu)的二維空間結(jié)構(gòu)圖（b）四面體結(jié)構(gòu) 2.4.3 2.4.3 、熱激、熱激發(fā)發(fā)載流子載流子：低溫時，電子分別被束縛在四面體晶格中，因此無法參與導(dǎo)電。但在高溫時，熱振動可以打斷共價鍵。當(dāng)一些鍵被打斷時，所產(chǎn)生的自由電子可以參與電的傳導(dǎo)。而一個自由電子產(chǎn)生時，會在原處產(chǎn)生一個空位。此空位可由鄰近的一個電子填滿，從而產(chǎn)生空

46、位的移動，并可以被看作是與電子運(yùn)動方向相反的正電荷，稱為空穴(hole)。半導(dǎo)體中可移動的電子與空穴統(tǒng)稱為載流子。 97l2.5.1、孤立原子的能級l2.5.2、原子能級分裂成能帶l2.5.3、電子共有化運(yùn)動l2.5.4、能量-動能圖l2.5.5、絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶l2.5.12.5.1、孤立原子的能級、孤立原子的能級 對一孤立原子，電子的能級是分離的。例如，孤立氫原子的玻爾能級模型： 其中，m0是自由電子的質(zhì)量，q是電荷量，0是真空介電常數(shù)，h是普朗克常數(shù)；n是正整數(shù)，稱為主量子數(shù)。 當(dāng)主量子數(shù)高時（n2），由于角量子數(shù)（l=0，1，2，n-1）的關(guān)系，能級會分裂。l2.5.2、原子

47、能級分裂成能帶 N個原子形成一固體，能級將分裂成N個接近的分離能級。當(dāng)N很大時，將形成一連續(xù)能帶。此N個能級可延伸幾個電子伏特，視晶體內(nèi)原子的間距而定。如右圖所示，a代表平衡狀態(tài)下晶體原子的間距。 兩個相同原子距離很遠(yuǎn)時，對同一個主量子數(shù)（如n=1），其能級為雙重簡并，即2個原子具有相同的能量。但當(dāng)兩個 原子接近時，由于兩原子間的交互作用，會使得雙重簡并能級一分為二。圖2.13 簡并能級分裂成一允帶半導(dǎo)體中實際能帶的分裂更為復(fù)雜 其中10個電子占據(jù)深層能級，它們的電子軌道比晶體中的原子間距小得多 其余4個價電子的結(jié)合相當(dāng)微弱，且可以參與化學(xué)作用。因為2個內(nèi)層價電子被完全占據(jù)，且與原子核緊密束縛

48、，因此只需考慮外層的價電子。下圖為擁有14個電子的孤立硅原子圖2.14 一孤立硅原子的圖示101原子能級分裂為能帶的示意圖lN個原子互相靠近結(jié)合成晶體后，每個電子都要受到周圍原子勢場的作用，其結(jié)果是每一個N度簡并的能級都分裂成N個彼此相距很近的能級，這N個能級組成一個能帶。分裂的每一個能帶都稱為允帶，允帶之間因沒有能級稱為禁帶。能級的分裂和能帶的形成能級的分裂和能帶的形成 當(dāng)原子間距離縮短時，N個硅原子的3s及3p副外層將彼此交互作用及重疊。在平衡狀態(tài)下的原子間距時，能帶將再度分裂，使得每個原子在較低能帶（即價帶）有4個量子態(tài)，在較高能帶（即導(dǎo)帶）也有4個量子態(tài)。圖2.15 孤立原子聚集形成金

49、剛石晶格的能帶形成圖下圖是N個孤立硅原子形成一硅晶體的能帶形成圖。103 絕對零度時，電子占據(jù)最低能態(tài)，因此價帶所有能態(tài)將被電子填滿，而導(dǎo)帶所有能態(tài)將沒有電子，導(dǎo)帶的底部稱為EC，價帶的頂部稱為EV。導(dǎo)帶底部與價帶頂部間的禁止能量間隔(EC-EV)稱為禁帶寬度Eg，如圖所示。價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶所需要的能量。1042.5.3、電子共有化運(yùn)動、電子共有化運(yùn)動2p3s3s3s3s2p2p2p原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上，可以由 一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子中去，可以在整個晶體中運(yùn)動。稱為電子的共有化運(yùn)動。電子的共有化運(yùn)動。1051、晶體電子兼有、晶體電子兼有原子運(yùn)動

50、原子運(yùn)動和和共有化運(yùn)動共有化運(yùn)動原子運(yùn)動原子運(yùn)動 電子在原子核周圍作局域運(yùn)動電子在原子核周圍作局域運(yùn)動共有化運(yùn)動共有化運(yùn)動 電子在電子在不同原子的相同軌道不同原子的相同軌道上轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)移2、不同軌道電子的共有化運(yùn)動程度不同（附圖如后）、不同軌道電子的共有化運(yùn)動程度不同（附圖如后）內(nèi)層電子內(nèi)層電子 弱弱外層電子外層電子 強(qiáng)強(qiáng)3、 共有化運(yùn)動是晶體電子運(yùn)動的特征，也是使晶體原子相共有化運(yùn)動是晶體電子運(yùn)動的特征，也是使晶體原子相互結(jié)合形成周期性晶格的原因互結(jié)合形成周期性晶格的原因4、 電子共有化運(yùn)動的產(chǎn)生是由于不同原子的相似殼層間的電子共有化運(yùn)動的產(chǎn)生是由于不同原子的相似殼層間的交疊形成的。交疊形成的。1065、共有化運(yùn)動的強(qiáng)弱、共有化運(yùn)動的強(qiáng)弱 決定于決定于 形式（擴(kuò)展形式（擴(kuò)展性）（原子的相互作用勢）性）（原子的相互作用勢）u=-A/rm