第二章 硅.ppt

第二章???? 硅及相关半导体知识 §2.1 晶体,半导体硅，能带论 自然界的物质通常分为三态：气，液，固。 固体可分为晶体和非晶体两大类，二者之间有很大差别。这种物理和化学性质上的差别是由固体的内部结构决定的。 晶体 ：具有周期性重复原子排列的固态物质 这种周期性排列结构称为晶体格子，简称 晶格 单晶：由单一的晶格连续组成 多晶：由相同结构的很多小晶粒无规则堆积而成。 晶胞：能反映晶体对称性的最小单元 晶格中的原子可以看成是在某一系列方向相同的直线上，晶向 就是一族晶列所指的方向。晶格结构的某一平面叫做晶面，它和对应的晶向垂直。 不同晶面上的原子分布不同 图 示出面心立方结构： 硅单晶的结构 硅单晶的晶胞结构称为金钢石结构，这是因为硅锗和金刚石都是一样的，只不过晶胞的边长 a 不同 硅的晶格结构 a ＝5.4 锗的晶格结构 a ＝5.6 知道了晶格常数，就可以计算出晶体中的原子度。 图 示出了硅的晶胞结构： 从图中看出硅单晶是由两套面心立方格子在对角线方向位移四分子一长度套构尔成。也可看成是在面心立方格子的内部加入四个原子，其位置位于从中心到顶角方向不相邻四条线的中点。该晶胞中的每一个原子都有四个最临近的原子，可以把它们看成一个正四面体，原子处在正四面体的顶点上。 双层密排面：由于硅单晶是由两套面心立方格子在对角线方向位移四分子一长度套构尔成，造成（111）面为原子密排面，而在111方向形成双层密排面。 共价键 原子外层电子称为价电子，两个（相同或不同）的原子共同享有价层电子，使得价层完全填充而变得稳定。 HCL就是一个共价键的例子（图 ） 硅是周期表中第四族元素，每个原子外层轨道有四个原子，在形成晶体时 它同相邻的四个原子共有点子对,形成四个共价键。（图 ） 纯硅原子通过共价键形成固态的电学上稳定的不导电材料。纯硅是一个不良导体，其电阻率（ρ）约2.5Χ105 ?－CM， 离子键：当价电子从一种元素的原子转移到另一种原子上就形成了不稳定的离子键。NaCL就是一个例子，在氯化钠形成过程中Na原子失去一个电子（还原）成为带负电的CL－离子。 如果一百万个硅原子中有一个硅原子被杂质原子（砷）取代，电阻率要下降到0.2 ?－CM，即导电性能提高约一百万倍。向硅中掺入杂质可以改变该材料的导电性能，这是制作半导体器件的关键。 硅位于周期表的第四族，占地壳成分地25％，1412οС 的熔点，（锗937 οС ）并能生成稳定的氧化层，所以在半导体发展地历史上，它很快就取代了硅成为最主要的半导体材料。 固体能带理论 前面讲过五族元素加入到硅中，外层的五个价电子有四个和硅形成了稳定的共价键结构，多余的第五个原子并不束缚在任何原子周围，只要很小的能量就能使其处在游离状态。为了能更方便的描述固体中电子被束缚的状态，人们发明了能带理论。它用价带，导带和禁带描述 固体及其中电子的状态。（图 ）如果导带和价带的帶隙很宽，价电子完全不能到达导带，这种材料称为绝缘体；电子只需很小的能量就能到达导带，这种材料称为导体；介于二者之间禁带宽度处于 中等程度，这种材料称为半导体（硅的禁带宽度1.11电子伏） N型半导体：五族元素为掺杂剂 电子为多数载流子 P型半导体：三族元素（硼）为掺杂剂，硅原子和硼原子之间形成共价键。受主原子中由于缺乏第四个电子，因而产生了一个空穴，这时的硅称为P型半导体。 价带空穴多于导带电子 空穴为多数载流子 如果在N（P）型硅中施加一直流电压，电子或空穴会聚成电流形式流过该材料。杂质原子在硅中的固溶度决定了电流的流动能力，加入杂质越多，电阻率下降，导电性能增加。 对于硅中的三族和五族杂质，他们作为受主和施主时其电离能大小并不一样。但有一个共同特点，就是电离能和禁带宽度相比都非常小。（B：0.045ev，P：0.044ev)这些杂质形成的能级在禁带中很靠近价带顶和导带底，这种能级被称之为浅能级。 图 给出了硅的能级图 例：硅原子密度5.22 Χ1022 /cm3 搀杂浓度为百万分之一（ 10－6）时要掺1016 /cm3量级的杂质， 室温下本征硅的载流子浓度 1010 /cm3 ，所以杂质所提供的载流子是主要的。 杂质补偿：同一块半导体同时存在施主和受主两种杂质，这时导电类型由杂质浓度高的那种元素决定。而电流（导电能力）的大小由杂质浓度差决定。这是因为电子首先填满