半导体器件物理1-2章量子力学初步

半导体器件物理

第一章：半导体材料

就其导电性而然，半导体材料的导电性能介于金属和绝缘体之间。半导体基本可以分为两类：位于元素周期表IV族的元素半导体和化合物半导体。大部分化合物半导体材料是Ⅲ族和V族元素化合而成的。表1.1是元素周期表的一部分，包含了最常见的半导体元素。表1.2给出了较为常用的某些半导体材料。 表1.1部分半导体元素周期表 Ⅲ Ⅳ（元素半导体材Ⅴ 料） 硼（B） 碳（C） 铝（AL） 硅（Si） 镓（Ga） 锗（Ge） 铟（In） 表1.2半导体材料 元素半导体 Si 硅 Ge 锗 化合物半导体 AlP 磷化铝 AlAs 砷化铝 GaP 磷化镓 GaAs 砷化镓 InP 磷化铟 磷（P） 砷（As） 锑（Sb） 由一种元素组成的半导体称为元素半导体，如Si和Ge。硅是制

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作半导体器件和集成电路最常用的半导体材料。

由两种或两种以上半导体元素组成的半导体称为化合物半导体，如GaAs或GaP是由Ⅲ族和Ⅴ族元素化合而成的。其中GaAs是应用最为广泛的一种化合物半导体材料，它具有较高的载流子迁移率，因此一般应用在制作高速器件或高速集成电路的场合。 1.1半导体的价键和价电子

硅是用于制作半导体器件和集成电路的重要材料之一， 它具有金刚石晶格结构，是IV族元素；锗也具有金刚石晶格结构，也是IV族元素。其它化合物半导体材料如砷化镓具有闪锌矿晶格结构。

由于硅是主流集成电路工艺普遍使用的半导体材料，所以我们主要研究该材料的物理特性。无限多的硅原子按一定规律在三维空间上的集合就形成硅晶体（通常是形成单晶体结构）是什么因素导致硅原子的集合能够形成特定的硅晶格结构？统计物理学给出了答案：热平衡系统的总能量总是趋于达到某个最小值。原子间价键的作用使它们“粘合”在一起形成晶体。

原子间的相互作用倾向于形成满价壳层。元素周期表中的Ⅳ族元素Si和Ge，其原子序数是14，包围着硅原子有3个电子壳层，最外层壳层上有4个价电子，需要另外4个价电子来填满该壳层。当硅原子组成晶体时，最外层壳层上的4个价电子与紧邻的硅原子的最外层4电子组成共价键。大量的硅、锗原子组成晶体靠的是共价键的结合。图1.1a显示了有4个价电子的5个无相

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互作用的硅原子，图1.1b显示了硅原子共价键的二维视图。中间的那个硅原子就有8个被共享的价电子，因此它是稳定的。其它4个硅原子有3个价键是悬空的，没有形成稳定的共价键。硅半导体材料的价键是共价键，空着的价键有两个作用：一是能够与更多的硅原子结合形成更大的硅晶体；二是由于硅晶体不能无限大，因此其表面必然形成悬挂键，悬挂键的存在对其后讲述的MOSFET的阈值电压大小有着密切的联系。

价电子：原子周围的最外层的非饱和电子称为价电子。我们

知道原子的最外层电子层上如果有2个或8个电子，通常称为饱和层。惰性元素氦（He）氖（Ne）原子的最外层分别有2个电子和8个电子，因此氦、氖原子的最外层电子不是价电子。元素周期表中的I族元素，外层有1个价电子，在与其它元素结合时，容易失掉该电子而成为带1个正电荷的离子；元素周期表中的VII族元素，外层有7个价电子，在与其它元素结合时，容易得到1个电子而成为带1个负电荷的离子。 1.2固体中的缺陷和半导体的掺杂

不同的固体材料有着各自固定的晶格结构，自然界中不存在 完整晶格结构的固体材料，也不可能人工制造出完美晶格结构的

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固体，它们或多或少会存在着一定的缺陷；这些缺陷的存在破坏了完美晶格的几何周期性，同时也改变了材料的电学特性。 1.2.1固体中的缺陷类型

所有晶体都有一类缺陷是原子的热振动。理想的单晶固体其 原子都位于晶格的特定位臵，这些原子以一定的距离与其它相邻 原子彼此分开。由于热效应的因素，晶体中的原子具有一定的热 能，温度越高热能越大，它是温度的函数。具有热能的原子会在 晶格的平衡处产生随机振动，随机热振动又会引起原子间距的随 机波动，轻微地破坏了晶体中原子的完美几何排列。

晶体中的另一类缺陷称为点缺陷，点缺陷分为填隙缺陷和空 位缺陷。我们已经知道，理想的单晶晶格中，原子是按完美的周期性排列的。但实际的晶体中，某些特定晶格格点上的原子可能会缺失，这种缺陷称为空位缺陷；如图1.2a所示。在其它位臵，原子可能位于晶格格点之间，这种缺陷称为填隙缺陷；如图1.2b所示。

图1.2a晶格中的空位缺陷 1.2b晶格中填隙缺陷

晶体中存在空位和填隙缺陷时，不仅原子排列的完整性受到破坏，而且理想的原子间的化学键也被打乱，靠的足够近的空位

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或填隙原子会在两个缺陷间发生相互作用，这都将改变材料的电学特性。

点缺陷的特征包含单个原子或单个原子位臵。在单晶的形成过程中，还会出现更为复杂的缺陷。当一整列的原子从正常的晶格位臵缺失时，就会出现线缺陷。这种缺陷还可以形象地称为线错位。如图1.3。与点缺陷一样，线错位也破坏了正常晶格的几何周期性和晶体中理想的原子键。线错位也会改变材料的电学特性。

图1.3线缺陷的二维表示

1.2.2半导体材料中的杂质类型

上面讲述的在固体中的缺陷，对制作器件的半导体材料不会带来任何好处，因此，在制作半导体材料的过程中应采取某种方法（比如提纯技术）尽量减少其缺陷密度。以达到符合制作半导体器件的材料质量要求。

半导体材料中的杂质不应完全被看成是对材料性能的破坏。严格地讲，人为地控制掺杂元素和掺杂浓度，以提高半导体材料的电性能，对制作半导体器件或电路只会带来更大的好处。

由于制备半导体材料的纯度不够，或在制备材料过程中及器

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