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1、会计学1西安电子科技大学微电子半导体西安电子科技大学微电子半导体绪绪 论论n n什么是半导体什么是半导体按不同的标准，有不同的分类方式。按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 表表1.1 1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料导体半导体绝缘体电阻率(cm)10-310-3109109第1页/共28页 此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括：此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括：n n温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电
2、阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅如室温附近的纯硅(Si)(Si)，温度每增加，温度每增加88，电阻率相应地降低，电阻率相应地降低50%50%左右左右n n微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每以纯硅中每100100万个硅原子掺进一个万个硅原子掺进一个 族杂质（比如磷）为例，这时族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达硅的纯度仍高达99.9999%99.9999%，但电阻率在室温下却由大约
3、，但电阻率在室温下却由大约214,000cm214,000cm降至降至0.2cm0.2cm以下以下n n适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力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如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十薄膜，无光照时的暗电阻为几十MM，当受光照后电阻值可以下降为几十，当受光照后电阻值可以下降为几十KKn n此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的
4、作用而改此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变变变变第2页/共28页n n本课程的内容安排本课程的内容安排 以元素半导体硅以元素半导体硅(Si)(Si)和锗和锗(Ge)(Ge)为对象：为对象：n n介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面n n讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其杂质能级及其杂质能级n n在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子的产生与复合n n
5、对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程介绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程n n简要介绍了半导体表面的相关知识简要介绍了半导体表面的相关知识第3页/共28页1.1 1.1 半导体的晶体结构半导体的晶体结构半导体的晶体结构半导体的晶体结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识长期以来将固体分为：长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体的基本特点：晶体的基本特点：晶体的基本特点：晶体的基本特点：具有一定的外形和固
6、定的熔点，组成晶体的原子（或具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成有规则的排列而成长程有序。（如长程有序。（如SiSi，GeGe，GaAsGaAs）第4页/共28页晶体又可分为：晶体又可分为：单晶和多晶。单晶和多晶。单晶和多晶。单晶和多晶。单晶：单晶：单晶：单晶：指整个晶体主要由原子指整个晶体主要由原子(或离子或离子)的一种规则排列方式的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化镓、砷化镓 (G
7、aAs)(GaAs)都是单晶。都是单晶。多晶：多晶：多晶：多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。第5页/共28页 非晶（体）的基本特点：非晶（体）的基本特点：非晶（体）的基本特点：非晶（体）的基本特点：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列的有序排列短程有序短程有序 （如非晶硅：（如非晶硅：a-Sia-Si）第6
8、页/共28页图图图图1.1 1.1 非晶、多晶和单晶示意图非晶、多晶和单晶示意图非晶、多晶和单晶示意图非晶、多晶和单晶示意图第7页/共28页n n对于单晶对于单晶SiSi或或GeGe，它们分别由同一种原子组成，通过二个，它们分别由同一种原子组成，通过二个原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。n n这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力，称为合力，称为共价键共价键共价键共价键。n n由共价键结合而成的晶体称为由共价键结合而成的晶体称为共价晶体共价晶体共价晶体共价晶体
9、。SiSi、GeGe都是典型都是典型的共价晶体。的共价晶体。二、共价键的形成和性质二、共价键的形成和性质第8页/共28页共价键的性质：共价键的性质：共价键的性质：共价键的性质：饱和性和方向性饱和性和方向性饱和性和方向性饱和性和方向性n n饱和性：饱和性：饱和性：饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制。定的限制。SiSi、GeGe等等族元素有族元素有4 4个未配对的价电子，每个原子只能与周围个未配对的价电子，每个原子只能与周围4 4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8 8个电子的闭合壳层，个电
10、子的闭合壳层，因此因此共价晶体的配位数共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是只能是4 4。n n方向性：方向性：方向性：方向性：指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为共价键之间的夹角为1092810928，这种正四，这种正四面体称为共价
11、四面体。面体称为共价四面体。第9页/共28页 图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。线的方向表示共价键方向。共价四面体中如果把原子粗共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。为共价四面体半径。图1.2 共价四面体第10页/共28页三、三、三、三、SiSi、GeGe晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构n n图图1.3(a)1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个画出了由四个共价四面体所组成的一个SiSi、GeGe晶体结晶体结构
12、的晶胞，统称为金刚石结构晶胞构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞n n整个整个SiSi、GeGe晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成n n它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/41/4对角线长度处各对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8 8个原子个原子n n金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移互平移1/41
13、/4对角线长度套构而成的对角线长度套构而成的n n面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个面心立方是指一个正立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子的结构，如图原子的结构，如图1.3(b)1.3(b)所示所示第11页/共28页图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方第12页/共28页四、四、四、四、GaAsGaAs晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构n n具有类似于金刚石结构的硫化锌具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)(ZnS)晶体结构，或称为闪锌晶体结构，或称为闪锌矿结构。矿结构。n nGaAsGaAs晶体中每个晶体中每个GaGa原子和原子和AsAs原子共有一对价电子，形成四
14、原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。个共价键，组成共价四面体。n n闪锌矿结构和金刚石结构闪锌矿结构和金刚石结构 的不同之处在于套构成晶的不同之处在于套构成晶 胞的两个面心立方分别是胞的两个面心立方分别是 由两种不同原子组成的。由两种不同原子组成的。图1.4 GaAs的闪锌矿结构第13页/共28页 1.2 1.2 晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面 n n晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为格，称为晶格晶格晶格晶格，组成晶体的原子，组成晶体的原子(或离子或离子)的重心位置称为的重心
15、位置称为格点格点格点格点，格点的总体称为，格点的总体称为点阵点阵点阵点阵。n n对半导体对半导体SiSi、GeGe和和GaAsGaAs等具有等具有 金刚石或闪锌矿结构的立方晶金刚石或闪锌矿结构的立方晶 系，通常取某个格点为原点，系，通常取某个格点为原点，再取立方晶胞的三个互相垂直再取立方晶胞的三个互相垂直 的边的边OA,OB,OCOA,OB,OC为三个坐标轴，为三个坐标轴，称为晶轴，见图称为晶轴，见图1.51.5。图1.5 立方晶系的晶轴第14页/共28页n n通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线
16、，而晶格中格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，而晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为些直线系称为晶列晶列晶列晶列。图1.6 两种不同的晶列 第15页/共28页n n晶列的取向称为晶列的取向称为晶向晶向晶向晶向。n n为表示晶向，从一个格点为表示晶向，从一个格点O O沿某个晶向到另一格点沿某个晶向到另一格点P P作位作位移矢量移矢量R R，如图，如图1.71.7，则，则 R=lR=l1 1a+la+l2 2b+lb+l3 3c cn n若若l l1 1:l:l2 2:l:l3 3不是互质的，通过不是互质的，通过 l
17、 l1 1:l:l2 2:l:l3 3 m:n:pm:n:p化为互质整数，化为互质整数，mnpmnp就称为晶列指数，写成就称为晶列指数，写成 mnpmnp，用来表示某个晶向。，用来表示某个晶向。图1.7 晶向的表示 第16页/共28页n n晶列指数晶列指数晶列指数晶列指数就是某个晶向矢量在三晶轴上投影的互质整数。就是某个晶向矢量在三晶轴上投影的互质整数。若若mnpmnp中有负数，负号写在该指数的上方，中有负数，负号写在该指数的上方，mnpmnp 和和 表示正好相反的晶向。表示正好相反的晶向。n n同类晶向记为同类晶向记为 。例：例：代表了代表了100100、0000、010010、00 00、
18、001001、0000 六个同类晶向；六个同类晶向；代表了立方晶胞所有空间对角线的代表了立方晶胞所有空间对角线的8 8个晶向；而个晶向；而表示立方晶胞所有表示立方晶胞所有1212个面对角线的晶个面对角线的晶向向第17页/共28页n n晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为距的平面系上，这样的平面系称为晶面族晶面族晶面族晶面族，如图，如图1.81.8所示。所示。n n为表示不同的晶面，在三个晶轴上取某一晶面与三晶轴为表示不同的晶面，在三个晶轴上取某一晶面与三晶轴的截距的截距r r、s s、t t，如图，如图1
19、.91.9所示。所示。图1.8 晶面族 图1.9 晶面的截距第18页/共28页n n将晶面与三晶轴的截距将晶面与三晶轴的截距r r、s s、t t的倒数的互质整数的倒数的互质整数h h、k k、l l称为称为晶面指数或密勒指数晶面指数或密勒指数晶面指数或密勒指数晶面指数或密勒指数，记作，记作(hkl)(hkl)并用来表示某一个并用来表示某一个晶面晶面n n截距为负时，在指数上方加一短横。截距为负时，在指数上方加一短横。n n如果晶面和某个晶轴平行，截距为如果晶面和某个晶轴平行，截距为 ，相应指数为零。，相应指数为零。n n同类型的晶面通常用同类型的晶面通常用hklhkl表示。表示。图1.10
20、立方晶系的一些常用晶向和晶面第19页/共28页1.3 1.3 半导体中的缺陷半导体中的缺陷半导体中的缺陷半导体中的缺陷n n弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。的缺
21、陷称为弗仑克尔缺陷。n n肖特基缺陷：肖特基缺陷：肖特基缺陷：肖特基缺陷：由于原子挤入间隙位置需要较大的能量，所以由于原子挤入间隙位置需要较大的能量，所以常常是表面附近的原子常常是表面附近的原子A A和和B B依靠热运动能量运动到外面新的依靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而一层格点位置上，而A A和和B B处的空位由晶体内部原子逐次填充，处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。陷。第
22、20页/共28页n n肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷。n n虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在SiSi、GeGe中形成间中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可隙原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此能性远比弗仑克尔缺陷大，因此SiSi、GeGe中主要的点缺陷中主要的点缺陷是空位是空位(a)弗仑克尔缺陷 (b)肖特基缺陷 图1.11 点缺陷第21页/共28页n n化合物半导体化合物半导体GaAsGaAs中，如果成份偏离正常化学比，也会中，如果成份偏离正常化学比
23、，也会出现间隙原子和空位。如果出现间隙原子和空位。如果GaGa成份偏多会造成成份偏多会造成GaGa间隙原间隙原子和子和AsAs空位；空位；AsAs成份偏多会造成成份偏多会造成AsAs间隙原子和间隙原子和GaGa空位。空位。n n化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAsGaAs晶体中晶体中AsAs的成份偏多，不仅形成的成份偏多，不仅形成GaGa空位，而且空位，而且AsAs原子还可占据原子还可占据GaGa空位，称为反结构缺陷。空位，称为反结构缺陷。n n此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位置，
24、形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。位置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。第22页/共28页n n位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。n n半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在晶体中会产生一定应力。而在晶体中会产生一定应力。n n在应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子会沿着在应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子会沿着某一晶面发生移动，如图某一晶面发生移动，如图1.12(a)1.12(a)所示。这种相对移动称为滑移，所示。这种相对移动称为滑移
25、，在其上产生滑移的晶面称为滑移面，滑移的方向称为滑移向。在其上产生滑移的晶面称为滑移面，滑移的方向称为滑移向。(a)(b)图1.12 应力作用下晶体沿某一晶面的滑移第23页/共28页n n实验表明滑移运动所需应力并不很大，因为参加滑移的所有实验表明滑移运动所需应力并不很大，因为参加滑移的所有原子并非整体同时进行相对移动，而是左端原子先发生移动原子并非整体同时进行相对移动，而是左端原子先发生移动推动相邻原子使其发生移动，然后再逐次推动右端的原子，推动相邻原子使其发生移动，然后再逐次推动右端的原子，最终是上下两部分原子整体相对滑移了一个原子间距最终是上下两部分原子整体相对滑移了一个原子间距b b，
26、见图，见图1.12(b)1.12(b)。n n这时虽然在晶体两侧表面产生小台阶，但由于内部原子都相这时虽然在晶体两侧表面产生小台阶，但由于内部原子都相对移动了一个原子间距，因此晶体内部原子相互排列位置并对移动了一个原子间距，因此晶体内部原子相互排列位置并没有发生畸变。没有发生畸变。n n在上述逐级滑移中会因为应力变小而使滑移中途中止，就出在上述逐级滑移中会因为应力变小而使滑移中途中止，就出现了图现了图1.13(a)1.13(a)所示的情况。所示的情况。n n如果中途应力变小使滑移中止，滑移的最前端原子面如果中途应力变小使滑移中止，滑移的最前端原子面AEFDAEFD左左侧原子都完成了一个原子间距
27、的移动，而右侧原子都没有移侧原子都完成了一个原子间距的移动，而右侧原子都没有移动，其结果是好像有一个多余的半晶面动，其结果是好像有一个多余的半晶面AEFDAEFD插在晶体中，见插在晶体中，见图图1.13(b)1.13(b)。第24页/共28页n n在在ADAD线周围晶格产生畸变，而距线周围晶格产生畸变，而距ADAD线较远处似乎没有影响，线较远处似乎没有影响，原子仍然规则排列，这种缺陷称为位错，它是一种发生在原子仍然规则排列，这种缺陷称为位错，它是一种发生在ADAD线附近的线缺陷，线附近的线缺陷，ADAD线称为位错线。线称为位错线。n n图图1.131.13中滑移方向中滑移方向BABA与位错线与
28、位错线ADAD垂直，称为棱位错。因为它垂直，称为棱位错。因为它有一个多余的半晶面有一个多余的半晶面AEFDAEFD像刀一样插入晶体，也称刃形位错像刀一样插入晶体，也称刃形位错 (a)(b)图1.13 刃型位错第25页/共28页n n图图1.141.14所示的称为螺旋位错的滑移是沿所示的称为螺旋位错的滑移是沿BCBC方向，而原子方向，而原子移动沿移动沿BABA方向传递，位错线方向传递，位错线ADAD和滑移方向平行。与刃和滑移方向平行。与刃型位错不同的是，这时晶体中与位错线型位错不同的是，这时晶体中与位错线ADAD垂直的晶面族垂直的晶面族不再是一个个平行面，而是相互连接、延续不断并形成不再是一个个平行面，而是相互连接、延续不断并形成一个整体的螺旋面。一个整体的螺旋面。图1.14 螺旋位错第26页/共28页n n半导体中往往包含很多彼此平行的位错线，它们一般从半导体中往往包含很多彼此平行的位错线，它们一般从晶体一端沿伸到另一端，与表面相交。晶体一端沿伸到另一端，与表面相交。n n半导体中还存在因原子排列次序的错乱而形成的一种面半导体中还存在因原子排列次序的错乱而形成的一种面缺陷，称为层错。缺陷，称为层错。n nSiSi晶体中常见的层错有外延层错和热氧化层错。晶体中常见的层错有外延层错和热氧化层错。第27页/共28页