半导体物理与器件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

半导体物理与器件半导体物理与器件半导体物理与器件中北大学电子科学与技术系中北大学电子科学与技术系梁梁 庭庭E-mail:Tel:[phone] 158340126319月月3日日1第一章 绪论固体晶格结构第1页半导体物理与器件教材与参考书教材与参考书推荐教材推荐教材电子工业出版社出版半导体物理与器件，作电子工业出版社出版半导体物理与器件，作者者Donald A.NeamenDonald A.Neamen。2 2参考书：参考书：刘恩科刘恩科 半导体物理学，西安交通大学出版社，半导体物理学，西安交通大学出版社，顾祖毅，田立林等半导体物理学，顾祖毅，田立林等半导体物理学，电子工业电子工业出版社，出版社，19951995半导体器件半导体器件 物理与工艺物理与工艺(美美)施敏施敏(S.M.Sze)(S.M.Sze)著，王阳元等译著，王阳元等译 2第一章 绪论固体晶格结构第2页半导体物理与器件课时分配课时分配本课程讲授内容本课程讲授内容 第一章第一章 固体晶体结构（固体晶体结构（2课时）课时）第三章第三章 固体量子理论初步固体量子理论初步（6课时）课时）第四章第四章 平衡状态下半导体（平衡状态下半导体（7课时）课时）第五章第五章 载流子输运与过剩载流子现象（载流子输运与过剩载流子现象（7课时）课时）第六章第六章 半导体中非平衡过剩载流子半导体中非平衡过剩载流子（9课时）课时）第七章第七章 PN结结（4课时）课时）第八章第八章 pn结二极管结二极管（7课时）课时）第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结（5课时）课时）第十章第十章 双极晶体管（双极晶体管（10课时）课时）第十一章第十一章 金属金属/氧化物氧化物/半导体场效应晶体管基础（半导体场效应晶体管基础（10课时）课时）第十二章第十二章 小尺寸小尺寸MOS器件物理（器件物理（5课时）课时）总计：总计：72课时课时3第一章 绪论固体晶格结构第3页半导体物理与器件 本课程目标 经过本课程学习，学生将全方面了解电子科学与技术与微电子学专业基础知识与基本技能、应用领域及研究热点、学科方向与发展趋势等内容，为学生进入相关研究领域或相关交叉学科，打下一个初步基础。4第一章 绪论固体晶格结构第4页半导体物理与器件 考评与记分方式平时成绩占20，期末考试占80。考试采取闭卷形式。5第一章 绪论固体晶格结构第5页半导体物理与器件课程意义课程意义q半导体器件在人们生活中主要作用半导体器件在人们生活中主要作用信息领域：计算机及网络设备（信息领域：计算机及网络设备（CPU、Memory、Chips）通信）通信（移动电话）（移动电话）能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环境保能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环境保护、自动化护、自动化军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、电喷、照明）、空调、彩电（电动车门、电喷、照明）、空调、彩电半导体半导体微电子微电子IC电子计算电子计算信息技术信息技术传统行业传统行业6第一章 绪论固体晶格结构第6页半导体物理与器件这门课主要内容这门课主要内容半导体物理半导体物理固体晶格机构固体晶格机构固体量子理论初步固体量子理论初步平衡半导体平衡半导体载流子输运现象载流子输运现象半导体中非平衡过剩载流半导体中非平衡过剩载流子子pnpn结结PnPn结二极管结二极管金属半导体和半导体异质金属半导体和半导体异质结结半导体器件半导体器件双极晶体管双极晶体管 金属氧化物半导体场金属氧化物半导体场效应晶体管基础效应晶体管基础 小尺寸小尺寸MOSMOS器件物理器件物理 7第一章 绪论固体晶格结构第7页半导体物理与器件第一章第一章 绪论绪论固体晶格结构固体晶格结构1.1 1.1 半导体材料半导体材料经典半导体及分类经典半导体及分类1.2 1.2 固体类型固体类型三种固体形态三种固体形态1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构晶体学基本概念和基本晶格结构晶体学基本概念和基本晶格结构1.4 1.4 晶体中原子之间价键晶体中原子之间价键离子、原子、金属及分子晶体离子、原子、金属及分子晶体1.5 1.5 晶体中缺点与杂质晶体中缺点与杂质缺点类型和杂质类型缺点类型和杂质类型1.6 1.6 半导体单晶材料生长半导体单晶材料生长单晶材料及外延生长单晶材料及外延生长1.7 1.7 小结小结8第一章 绪论固体晶格结构第8页半导体物理与器件1.1 1.1 半导体材料半导体材料半导体半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体物质与绝缘体物质9第一章 绪论固体晶格结构第9页半导体物理与器件半导体基本特征半导体基本特征电阻率介于电阻率介于10e-310e-3 10e6.cm10e6.cm，可改变区间大，介于金属，可改变区间大，介于金属（10e-6.cm10e-6.cm）和绝缘体（）和绝缘体（10e12.cm10e12.cm）之间）之间纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数正温度系数不一样掺杂类型半导体做成不一样掺杂类型半导体做成pnpn结后，或是金属与半导体接结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，能够有整流效应触后，电流与电压呈非线性关系，能够有整流效应含有光敏性，用适当波长光照射后，材料电阻率会改变，含有光敏性，用适当波长光照射后，材料电阻率会改变，即产生所谓光电导即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子半导体中存在着电子与空穴两种载流子10第一章 绪论固体晶格结构第10页半导体物理与器件1.1 1.1 半导体材料半导体材料元素半导体与化合物半导体元素半导体与化合物半导体11第一章 绪论固体晶格结构第11页半导体物理与器件1.1 1.1 半导体材料半导体材料组成半导体材料主要元素及其在周期表中位置组成半导体材料主要元素及其在周期表中位置以四族元素对称以四族元素对称III-VIII-V族和族和II-VIII-VI化化合物半导体合物半导体氮化物？氮化物？氧化物？氧化物？I-VIII-VII12第一章 绪论固体晶格结构第12页半导体物理与器件1.2 1.2 固体类型固体类型固体固体：处于凝固状态下物体，通常含有一定形状：处于凝固状态下物体，通常含有一定形状和体积。按其内部原子排列情况可分为以下三种主和体积。按其内部原子排列情况可分为以下三种主要结构类型，即单晶、多晶和非晶。要结构类型，即单晶、多晶和非晶。固体材料三种主要结构类型及其特征：固体材料三种主要结构类型及其特征：（1 1）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，普通在毫米量级以上）；包含整块晶体材料，普通在毫米量级以上）；（2 2）多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百）多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通常是在微米上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通常是在微米量级）；量级）；（3 3）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子尺度，即纳米量观尺度，通常包含几个原子或分子尺度，即纳米量级，普通只有十几埃至几十埃范围）级，普通只有十几埃至几十埃范围）13第一章 绪论固体晶格结构第13页半导体物理与器件1.2 1.2 固体类型固体类型单晶单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，普通在毫米量：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，普通在毫米量级以上）；级以上）；多晶多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通常是在微米量级）；常是在微米量级）；非晶（无定形）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子尺度，即纳米量级，普通只有十几埃至几十埃范围）原子或分子尺度，即纳米量级，普通只有十几埃至几十埃范围）单晶单晶有周期性有周期性非晶非晶有周期性有周期性多晶多晶短区域内周期性短区域内周期性14第一章 绪论固体晶格结构第14页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构固体最终形成使系统能量最小结构固体最终形成使系统能量最小结构u保持电中性（静电能最小）保持电中性（静电能最小）u使离子间强烈排斥最小使离子间强烈排斥最小u使原子尽可能靠近使原子尽可能靠近u满足键方向性满足键方向性因为组成晶体粒子不一样性质，使得其空间周因为组成晶体粒子不一样性质，使得其空间周期性排列也不相同；为了研究晶体结构，将组成期性排列也不相同；为了研究晶体结构，将组成晶体粒子抽象为一个点，这么得到空间点阵成为晶体粒子抽象为一个点，这么得到空间点阵成为晶格晶格15第一章 绪论固体晶格结构第15页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构晶格周期性晶格周期性晶格周期性通惯用原胞和基矢来描述。晶格周期性通惯用原胞和基矢来描述。p原胞：一个晶格原胞：一个晶格最小最小周期性单元周期性单元原胞选取不是原胞选取不是唯一唯一;三维晶格原胞三维晶格原胞通常是一个平行通常是一个平行六面体六面体16第一章 绪论固体晶格结构第16页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上周期为边长所组成平行六面体。它个独立方向上周期为边长所组成平行六面体。它是晶体中一个小单元，能够用来不停重复，从而是晶体中一个小单元，能够用来不停重复，从而得到整个晶体，通常能够反应出整块晶体所含有得到整个晶体，通常能够反应出整块晶体所含有对称性对称性p相同点相同点l用来描述晶体中晶格周期性最小重复单元用来描述晶体中晶格周期性最小重复单元p不一样点：不一样点：l固体物理学：原胞只强调晶格周期性，其最小重复单固体物理学：原胞只强调晶格周期性，其最小重复单元为原胞元为原胞 l结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布对称性。结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布对称性。17第一章 绪论固体晶格结构第17页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p基矢：晶胞三个相互独立边矢量。基矢：晶胞三个相互独立边矢量。如：简立方晶格立方单元就是最小周期性单元，通常就选取它为原胞，如：简立方晶格立方单元就是最小周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：晶格基矢沿三个立方边，长短相等：18第一章 绪论固体晶格结构第18页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p立方晶系基本晶体结构：立方晶系基本晶体结构：常见三个基本立方结构及其晶格常数，分别是常见三个基本立方结构及其晶格常数，分别是简单立方、体心立方和面心立方，立方体边长即简单立方、体心立方和面心立方，立方体边长即为晶格常数。为晶格常数。（1 1）简单立方结构（）简单立方结构（SCSC）（2 2）体心立方结构（）体心立方结构（BCCBCC）（3 3）面心立方结构（）面心立方结构（FCCFCC）19第一章 绪论固体晶格结构第19页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构u简单立方结构简单立方结构Simple CubicSimple Cubic20第一章 绪论固体晶格结构第20页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构u体心立方结构体心立方结构Body-Centered-CubicBody-Centered-Cubic21第一章 绪论固体晶格结构第21页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构u面心立方结构面心立方结构Face-Centered-CubicFace-Centered-Cubic22第一章 绪论固体晶格结构第22页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p晶向指数晶向指数晶体一个基本特点是含有方向性，沿晶体不一样方面晶体一个基本特点是含有方向性，沿晶体不一样方面晶体性质不一样。晶体性质不一样。晶格格点，能够看成份列在一系列相互平行直线系晶格格点，能够看成份列在一系列相互平行直线系上，这些直线系称为晶列。上，这些直线系称为晶列。同一个格子能够形成方向不一样同一个格子能够形成方向不一样晶列晶列每一个晶列定义了一个方向，每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向该方向称为晶向晶向用晶向指数标识晶向用晶向指数标识23第一章 绪论固体晶格结构第23页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构晶向指数确实定：假如沿着某一晶向，从一个原子到最近晶向指数确实定：假如沿着某一晶向，从一个原子到最近原子位移矢量为：原子位移矢量为：，则该晶向就用，则该晶向就用l l1 1、l l2 2、l l3 3来标志，写成来标志，写成 l l1 1 l l2 2 l l3 3。标志晶向这组数称为。标志晶向这组数称为晶向指数。晶向指数。以简立方晶格为例以简立方晶格为例24第一章 绪论固体晶格结构第24页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构立方边，面对角线，立方边，面对角线，体对角线都不止一个，它们晶体对角线都不止一个，它们晶向指数确定方法和以上一样，包括到负值指数，按通例，向指数确定方法和以上一样，包括到负值指数，按通例，负值指数用头顶上加一横来表示：负值指数用头顶上加一横来表示：用用 表示时代表全部等效晶向表示时代表全部等效晶向。25第一章 绪论固体晶格结构第25页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p晶面：晶格格点还能够看成份列在平行等距平晶面：晶格格点还能够看成份列在平行等距平面系上，这么平面称为晶面，面系上，这么平面称为晶面，26第一章 绪论固体晶格结构第26页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p晶面指数晶面指数详细讨论晶体时，经常要谈及一些详细晶面，所以需要有详细讨论晶体时，经常要谈及一些详细晶面，所以需要有一定方法标志不一样晶面，惯用是所谓密勒指数。一定方法标志不一样晶面，惯用是所谓密勒指数。密勒指数能够这么确定：在晶格中，选一格点为原点，密勒指数能够这么确定：在晶格中，选一格点为原点，并以并以3 3个基矢个基矢a a1 1、a a2 2、a a3 3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与中任一晶面与3 3个坐标轴交点位矢分别为个坐标轴交点位矢分别为rara1 1、sasa2 2、tata3 3，则它们倒数连比可化为互质整数，即则它们倒数连比可化为互质整数，即 其中其中h h、k k、l l为互质整数，晶体学中以（为互质整数，晶体学中以（hklhkl）来标志该晶）来标志该晶面，称为密勒指数。面，称为密勒指数。27第一章 绪论固体晶格结构第27页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构简立方格子中主要晶面简立方格子中主要晶面侧面（侧面（100100）、对角面（）、对角面（110110）、顶对角面（）、顶对角面（111111）28第一章 绪论固体晶格结构第28页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p等效晶面等效晶面立方晶体中立方体共有立方晶体中立方体共有6 6个不一样侧面，因为晶格对称性，个不一样侧面，因为晶格对称性，晶体在这些晶面性质完全相同，统称这些等效晶面时，写晶体在这些晶面性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成成100100；对角面共有对角面共有1212个，统称这些对角面时，写成个，统称这些对角面时，写成110110；顶对角面共有顶对角面共有8 8个，统称这些顶对角面时，写成个，统称这些顶对角面时，写成111111；29第一章 绪论固体晶格结构第29页半导体物理与器件1.3 1.3 晶体空间点阵结构晶体空间点阵结构p 金刚石结构与闪锌矿结构：金刚石结构与闪锌矿结构：图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构套构形成。是由两个面心立方结构套构形成。30第一章 绪论固体晶格结构第30页半导体物理与器件当当SiSi原子形成晶体时，原来在原子形成晶体时，原来在s s 轨道上二个价电轨道上二个价电子，有一个被激发到了子，有一个被激发到了p p 轨道，形成轨道，形成s s、p px x 、p py y 、p pz z四个轨道各有一个电子，然后它们再四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合混合”起来重新组成四个等价轨道，这种轨道称为起来重新组成四个等价轨道，这种轨道称为SPSP3 3杂杂化轨道，这么这四个电子，在四个新等价轨道上，化轨道，这么这四个电子，在四个新等价轨道上，都成为未配对电子，而且它们电子云分布基本上都成为未配对电子，而且它们电子云分布基本上是单侧地伸向四面体四个顶角，当原子结合成晶是单侧地伸向四面体四个顶角，当原子结合成晶体时，就依照电子云重合最多角度，也就是四面体时，就依照电子云重合最多角度，也就是四面体顶心这种角度进行体顶心这种角度进行(10928)(10928)。31第一章 绪论固体晶格结构第31页半导体物理与器件当原子结合成晶体时，就依照电子云重合最多角度，也就是当原子结合成晶体时，就依照电子云重合最多角度，也就是四面体顶心这种角度进行四面体顶心这种角度进行(10928)(10928)。在。在IIIIII族族A AIIIIIIB B)和和族族(A(AB B)化合物半导体中，每对化合物半导体中，每对A,BA,B原子，原子，亦完成亦完成SP3SP3杂化，然后，每个杂化，然后，每个A A原子与四面原子与四面4 4个个B B原子形成正四面体，原子形成正四面体，每个每个B B原子一样同四面原子一样同四面4 4个个A A原子形成正四面体原子形成正四面体,如如GaAsGaAs。p从正四面体搭接方式从正四面体搭接方式看正四面体搭接时能看正四面体搭接时能够有两种形式，称为够有两种形式，称为重合组态和交织组态。重合组态和交织组态。32第一章 绪论固体晶格结构第32页半导体物理与器件u闪锌矿结构是以交织组态搭接方式组成，假如搭接成晶体闪锌矿结构是以交织组态搭接方式组成，假如搭接成晶体正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，搭接方式一正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，搭接方式一定为闪锌矿结构，此时称之为金刚石结构；定为闪锌矿结构，此时称之为金刚石结构；33第一章 绪论固体晶格结构第33页半导体物理与器件p金刚石结构与闪锌矿结构物理化学性质金刚石结构与闪锌矿结构物理化学性质u 解理面解理面金刚石结构解理面为金刚石结构解理面为111111面。因为面。因为111111 面双面双厚子层与双原子层之间键面密度最低，面间距最大，因厚子层与双原子层之间键面密度最低，面间距最大，因而最轻易断开；如而最轻易断开；如SiSi、GeGe等元素半导体材料。等元素半导体材料。任何两个近邻原子连线都沿一个任何两个近邻原子连线都沿一个111111方方 向。向。处于四面体顶点两个原子连线都沿一个处于四面体顶点两个原子连线都沿一个110110方方向。四面体不共顶点两个棱中心连线都沿一个向。四面体不共顶点两个棱中心连线都沿一个100100方向。方向。34第一章 绪论固体晶格结构第34页半导体物理与器件u闪锌矿解理为闪锌矿解理为110110面面相比之下，每个相比之下，每个110110面都是由等量面都是由等量A A、B B原原子组成，面与面间没有附加库仑作用，而且子组成，面与面间没有附加库仑作用，而且面间键面密度较小，所以相比之下，比面间键面密度较小，所以相比之下，比111111面更轻易打开，因而成为解理面；面更轻易打开，因而成为解理面；如如GaAsGaAs、InPInP等化合物半导体材料。等化合物半导体材料。因为组成闪锌矿双厚子层为不一样原子层，因为原子电负性不一样，因为组成闪锌矿双厚子层为不一样原子层，因为原子电负性不一样，电子云会偏向电负性大那一层原子，这么分别由两种不一样原子组电子云会偏向电负性大那一层原子，这么分别由两种不一样原子组成面所形成双原子层就成为了一个电偶极层，偶极层之间库仑作用成面所形成双原子层就成为了一个电偶极层，偶极层之间库仑作用使得双原子层间结合加强。使得双原子层间结合加强。35第一章 绪论固体晶格结构第35页半导体物理与器件p化学腐蚀速度化学腐蚀速度 对于金刚石结构，其化学腐蚀速度沿对于金刚石结构，其化学腐蚀速度沿111111、100100、110110依次变快。依次变快。u对于闪锌矿结构对于闪锌矿结构,111111面两端由不一样原子组成，面两端由不一样原子组成，造成两端面性质不一样，造成在此方向两端面腐蚀速造成两端面性质不一样，造成在此方向两端面腐蚀速度不一样。如度不一样。如GaAsGaAs，AsAs面比面比GaGa面更轻易腐蚀；普通将面更轻易腐蚀；普通将电负性强一面电负性强一面(As(As 面面)称为称为()()面，电负性弱一面面，电负性弱一面(Ga(Ga面面)称为称为(111)(111)面。面。36第一章 绪论固体晶格结构第36页半导体物理与器件1.4 1.4 晶体中原子之间价键晶体中原子之间价键p原子或分子结合形成晶体，最终到达平衡时系统能量必须原子或分子结合形成晶体，最终到达平衡时系统能量必须到达最低。到达最低。1.1.离子晶体：离子键（离子晶体：离子键（Ionic bondingIonic bonding），比如），比如NaClNaCl晶晶 体等；体等；2.2.共价晶体：共价键（共价晶体：共价键（Covalent bondingCovalent bonding），比如），比如 Si Si、GeGe以及以及GaAsGaAs晶体等；晶体等；3.3.金属晶体：金属键（金属晶体：金属键（Metallic bondingMetallic bonding），比如），比如 Li Li、NaNa、K K、BeBe、MgMg以及以及FeFe、CuCu、AuAu、AgAg等；等；4.4.分子晶体：范德华键（分子晶体：范德华键（Van der Waals bondingVan der Waals bonding），），比如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成份比如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成份 子晶体，子晶体，HFHF分子之间在低温下也经过范德华键形成分子之间在低温下也经过范德华键形成 分子晶体。分子晶体。37第一章 绪论固体晶格结构第37页半导体物理与器件硅材料中共价键形成示意图硅材料中共价键形成示意图38第一章 绪论固体晶格结构第38页半导体物理与器件1.5 1.5 晶体中缺点与杂质晶体中缺点与杂质理想单晶材料中不含任何缺点与杂质，且晶体中原子理想单晶材料中不含任何缺点与杂质，且晶体中原子都处于晶格中平衡位置，实际晶体材料并非如此理想和完都处于晶格中平衡位置，实际晶体材料并非如此理想和完美无缺，存在晶格热振动。美无缺，存在晶格热振动。一、点缺点一、点缺点分为空位，间隙原子及杂质分为空位，间隙原子及杂质 空位与间隙原子空位与间隙原子因为晶格热振动，而且振动能量存在涨落总有一部分因为晶格热振动，而且振动能量存在涨落总有一部分原子热运动能量大到能克服其所在位置热能，脱离格点位原子热运动能量大到能克服其所在位置热能，脱离格点位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置原子可能落入置，使格点处出现空位，离开正常格点位置原子可能落入晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺点；或晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺点；或移动到晶体表面，形成肖特基缺点；若表面原子进入晶体移动到晶体表面，形成肖特基缺点；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独间隙原子。内部晶格，则形成单独间隙原子。39第一章 绪论固体晶格结构第39页半导体物理与器件p反结构缺点反结构缺点对于化合物半导体存在一个反结构缺点，即应该是对于化合物半导体存在一个反结构缺点，即应该是A A原子原子格点上为格点上为B B原子所占据，应为原子所占据，应为B B原子格点为原子格点为A A原子所据。原子所据。40第一章 绪论固体晶格结构第40页半导体物理与器件p杂质杂质晶体中与本体原子不一样元素原子均称为杂质。晶体中与本体原子不一样元素原子均称为杂质。起源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中沾污，也起源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中沾污，也有可能起源于人为引入，用以控制其电学及其它特征。有可能起源于人为引入，用以控制其电学及其它特征。杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式。杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式。间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如半径较小，如H H、LiLi41第一章 绪论固体晶格结构第41页半导体物理与器件替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构靠近本体原子，如质原子价电子壳层结构靠近本体原子，如、族在族在SiSi、GeGe(族族)中情况；中情况；、族在族在化合物中。化合物中。42第一章 绪论固体晶格结构第42页半导体物理与器件杂质原子激活：杂质原子激活：人为引入杂质原子，人为引入杂质原子，只有处于替位式时，才能激活，起到只有处于替位式时，才能激活，起到改变和控制半导体材料导电性作用。比如改变和控制半导体材料导电性作用。比如,族元素原子族元素原子掺入掺入SiSi、GeGe中，多以替位式存在。中，多以替位式存在。43第一章 绪论固体晶格结构第43页半导体物理与器件p晶体中引入杂质方法称为掺杂（晶体中引入杂质方法称为掺杂（DopingDoping），掺杂方法可分），掺杂方法可分为：为：（1 1）高温扩散掺杂（）高温扩散掺杂（high temperature diffusionhigh temperature diffusion）（2 2）离子注入掺杂（）离子注入掺杂（Ion implantationIon implantation）；）；当杂质存在浓度梯度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温当杂质存在浓度梯度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温度，晶格尺寸亲密相关。试验证实，扩散流密度度，晶格尺寸亲密相关。试验证实，扩散流密度J J与杂质浓度梯度与杂质浓度梯度N N/x x成正比，有成正比，有百分比系数百分比系数D D称为扩散系数，分析表明：称为扩散系数，分析表明：W W为杂质原子移动一个晶格位置需要能量，与晶格常数相关。能够为杂质原子移动一个晶格位置需要能量，与晶格常数相关。能够看到，看到，扩散系数和温度扩散系数和温度T T呈指数关系，因而呈指数关系，因而通常扩散工艺总是在高温下通常扩散工艺总是在高温下进行进行(700-1200)(700-1200)，以节约扩散时间。，以节约扩散时间。44第一章 绪论固体晶格结构第44页半导体物理与器件二、线缺点二、线缺点指位错，分为两类，刃位错和螺位错指位错，分为两类，刃位错和螺位错p刃位错、螺位错与混合位错刃位错、螺位错与混合位错刃位错刃位错45第一章 绪论固体晶格结构第45页半导体物理与器件螺位错螺位错46第一章 绪论固体晶格结构第46页半导体物理与器件三、面缺点三、面缺点主要指层错主要指层错p层错层错47第一章 绪论固体晶格结构第47页半导体物理与器件1.6 1.6 半导体单晶材料生长半导体单晶材料生长硅单晶材料能够说是当前纯度最高一个材料，硅单晶材料能够说是当前纯度最高一个材料，其纯度已到达百亿分之一。生长半导体单晶材料方法主要有其纯度已到达百亿分之一。生长半导体单晶材料方法主要有以下几个：以下几个：1.1.熔体生长法：又称为切克劳斯基（熔体生长法：又称为切克劳斯基（CzochralskiCzochralski）生长方）生长方法，或法，或CZCZ法。籽晶直拉法。法。籽晶直拉法。深入采取区熔再结晶方法提纯：深入采取区熔再结晶方法提纯：48第一章 绪论固体晶格结构第48页半导体物理与器件籽晶直拉法示意图籽晶直拉法示意图49第一章 绪论固体晶格结构第49页半导体物理与器件实际拉制出实际拉制出1212英寸硅单晶锭英寸硅单晶锭该硅单晶锭长该硅单晶锭长1 1米，直径米，直径300300毫米，重量达毫米，重量达140140千克千克50第一章 绪论固体晶格结构第50页半导体物理与器件将硅单晶锭切割成硅晶园片切片机将硅单晶锭切割成硅晶园片切片机51第一章 绪论固体晶格结构第51页半导体物理与器件工作人员利工作人员利用卡塞用卡塞(Cassette(Cassette）装载装载300300毫米硅毫米硅晶园片晶园片52第一章 绪论固体晶格结构第52页半导体物理与器件2.2.外延层生长法：外延层生长法：外延生长方法按照材料类型可分为以下两大类：外延生长方法按照材料类型可分为以下两大类：（1 1）同质外延（）同质外延（homoepitaxyhomoepitaxy）；）；（2 2）异质外延（）异质外延（heteroepitaxyheteroepitaxy）；）；惯用外延方法有：惯用外延方法有：（1 1）化学气相淀积法（）化学气相淀积法（CVDCVD）：也称为气相外延法）：也称为气相外延法（VPEVPE）SiClSiCl4 4+2H+2H2 2Si+4HClSi+4HCl（2 2）液相外延法（）液相外延法（LPELPE）：）：温度低于温度低于CZCZ法，惯用于化合物半导体材料外延。法，惯用于化合物半导体材料外延。（3 3）分子束外延法（）分子束外延法（MBEMBE）：）：高真空，高真空，400400至至800800，可准确控制。，可准确控制。53第一章 绪论固体晶格结构第53页半导体物理与器件气相外延法（气相外延法（VPEVPE）示意图）示意图54第一章 绪论固体晶格结构第54页半导体物理与器件分子束外延（分子束外延（MBEMBE）设备原理示意图）设备原理示意图55第一章 绪论固体晶格结构第55页半导体物理与器件实际实际MBEMBE设备设备56第一章 绪论固体晶格结构第56页半导体物理与器件小结小结半导体材料晶格结构描述金刚石结构闪锌矿结构密勒指数缺点材料生长技术介绍57第一章 绪论固体晶格结构第57页半导体物理与器件作业作业1.71.71.121.121.181.181.191.1958第一章 绪论固体晶格结构第58页半导体物理与器件谢谢 谢谢59第一章 绪论固体晶格结构第59页