第二章半导体中的基本性质 了解掌握半导体一些基本的材料性质,主要包括:Si为代表 的半导体的基本性质、概念、物理规律。包括:半导体的电 学性质和晶体结构、结合性质、能带和量子力学基础、导电 机制等 本章内容(安排4次课) §21半导体材料特征(一次课) §22半导体结合的性质(一次课) §23量子力学基础(一次课) §24半导体能带和导电机制(一次课) 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 第二章 半导体中的基本性质 半导体中的基本性质 本章内容（安排 本章内容（安排 4次课） §2.1 半导体材料特征（一次课） §2.2 半导体结合的性质（一次课） §2.3 量子力学基础（一次课） §2.4 半导体能带和导电机制 （一次课） 了解掌握半导体一些基本的材料性质，主要包括：Si为代表 的半导体的基本性质、概念、物理规律。包括：半导体的电 学性质和晶体结构、结合性质、能带和量子力学基础、导电 机制等
第二章半导体中的基本性质 §2.1半导体材料特征 从基本的材料性质层面了解半导体的电学和结构特征 21.1什么是半导体 2.1.2晶体、多晶和非晶 2.13晶体的特征和基本性质 2.1.4晶体的晶向和晶面 2.1.5元素半导体S、Ge晶体的金刚石结构 2.1.6化合物半导体GaA的闪锌矿结构 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 第二章 半导体中的基本性质 半导体中的基本性质 § 2.1 半导体材料特征 半导体材料特征 2.1.1 什么是半导体 2.1.2 晶体、多晶和非晶 晶体、多晶和非晶 2.1.3 晶体的特征和基本性质 晶体的特征和基本性质 2.1.4 晶体的晶向和晶面 晶体的晶向和晶面 2.1.5 元素半导体Si、Ge晶体的金刚石结构 晶体的金刚石结构 2.1.6 化合物半导体GaAs的闪锌矿结构 从基本的材料性质层面了解半导体的电学和结构特征
第二章半导体中的基本性质 §2.1半导体材料特征 211么是半导体 了解:为什么称为半导体?与其 他材料相比还有什么特点?如何 区分半导体? 为了表征和研究不同的材料,通常需要对材料根据其不同的 特征进行分类。半导体是固体材料的一种。按照材料的导电 能力分类,固体材料可分:超导体、导体、半导体、绝缘体 导体:p~103-1099.cm 绝缘体:p~10209.cm 半导体:p~106-1029.Cm 超导体:电阻率~0 半导体称谓源于其导电能力介于导体和绝缘体间。 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 第二章 半导体中的基本性质 半导体中的基本性质 为了表征和研究不同的材料，通常需要对材料根据其不同的 特征进行分类。半导体是固体材料的一种。按照材料的导电 能力分类，固体材料可分：超导体、导体、 半导体、绝缘体 2.1.1 什么是半导体 导体：ρ∼10-3 - 10-9 Ω. cm 绝缘体： ρ∼ 1020 Ω. cm 半导体： ρ∼106 - 10-2 Ω. Cm 超导体：电阻率～0 半导体称谓源于其导电能力介于导体和绝缘体间。 § 2.1 半导体材料特征 半导体材料特征 了解：为什么称为半导体？与其 他材料相比还有什么特点？如何 区分半导体？
第二章半导体中的基本性质 §2.1半导体材料特征 进一步的研究显示,可以根据导电能 211什么是半导体力的温度依赖特征更好地区分金属 半导体、超导体 不同的电阻温 度特性,说明 半导体与金属 platinum的电阻率独特 不同材料之间 的温度特性, 具有不同的导 ner 常被用来鉴别 电机制 半导体材料与 金属。 ·真正了解半导体的性质和特征,需要从能带论出发 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 第二章 半导体中的基本性质 半导体中的基本性质 不同的电阻温 度特性，说明 不同材料之间 具有不同的导 电机制 2.1.1 什么是半导体 •真正了解半导体的性质和特征，需要从能带论出发 Si 进一步的研究显示，可以根据导电能 力的温度依赖特征更好地区分金属、 半导体、超导体 § 2.1 半导体材料特征 半导体材料特征 半导体与金属 的电阻率独特 的温度特性， 常被用来鉴别 半导体材料与 金属
2.1.1什么是半导体 半导体的导电能力可以通过掺杂,在很宽的范围内调制; ·半导体可以通过的掺杂使其导电类型发生变化(可区分为N 型和P型); 通过掺杂实现导电能力和类型的可控调制( Engineering),是 半导体材料不同于其他材料的最大特征之 半导体能够得到广泛应用的主要原因: 能够通过掺杂改变半导体的导电类型和导电能力; 不同类型半导体接触可形成具有单向导电性的pn结二极管 半导体材料被提纯后,才能得到应用; Ge首先被应用,但Si应用更为广泛; Ge器件重新收到重视。 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 2.1.1 什么是半导体 半导体能够得到广泛应用的主要原因： 能够通过掺杂改变半导体的导电类型和导电能力； 不同类型半导体接触可形成具有单向导电性的pn结二极管； 半导体材料被提纯后，才能得到应用； Ge首先被应用，但Si应用更为广泛； Ge器件重新收到重视。 •半导体的导电能力可以通过掺杂，在很宽的范围内调制； •半导体可以通过的掺杂使其导电类型发生变化（可区分为N 型和P型）； •通过掺杂实现导电能力和类型的可控调制 (Engineering)，是 半导体材料不同于其他材料的最大特征之一
2.1,1什么是半导体 Si是得到最广泛应用的半导体,其原因一是,Si器件性能优于Ge器件; 更重要的是,Si与SiO2构成非常理想的兼容材料体系; 但随着微电子技术的发展,SiO2已逐渐不能满足微电子发展的需要,高 K、低K介质需要得到应用;其次,Ge材料由于其高的迁移率,高K介质 的应用使得Ge器件的弱点,变得弱化,重新受到重视。 Elemental and compound semiconductors Binan Binary Il∨ Binary II-v Elemental compounds compounds compounds Sic AIP Zns Si AAs Znse AISb ZnTe Cds GaAs Case GaSb CdTe 各种半导体材料mP InAs In Sb 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 各种半导体材料 各种半导体材料 2.1.1 什么是半导体 Si是得到最广泛应用的半导体，其原因一是，Si器件性能优于Ge器件； 更重要的是，Si与SiO2构成非常理想的兼容材料体系； 但随着微电子技术的发展，SiO2已逐渐不能满足微电子发展的需要，高 K、低K介质需要得到应用；其次，Ge材料由于其高的迁移率，高K介质 的应用使得Ge器件的弱点，变得弱化，重新受到重视
第二章半导体中的基本性质 §2.1半导体材料特征 2.12单晶、多晶、非晶 材料形态:固体、液体 气体、液晶、等离子体 S等半导体材料是固体材料的一种,是原子按一定的规律结合形成, 固体材料按照结合排列的结构不同,可分为单晶、多晶、非晶三类。 resta 单晶( Crysta:原子的排列在很长 晶体大小 的尺度下完全按规则排列,则称原 Si晶片 子排列具有长程有序。原子排列具 有三维长程有序,则构成的固体为 钻石 单晶。单晶S即是典型的单晶半导 体材料,也是研究的主要内容。 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 第二章 半导体中的基本性质 半导体中的基本性质 2.1.2 单晶、多晶、非晶 单晶、多晶、非晶 Si等半导体材料是固体材料的一种，是原子按一定的规律结合形成， 固体材料按照结合排列的结构不同，可分为单晶、多晶、非晶三类。 单晶(Crystal)：原子的排列在很长 的尺度下完全按规则排列，则称原 子排列具有长程有序。原子排列具 有三维长程有序，则构成的固体为 单晶。单晶Si即是典型的单晶半导 体材料，也是研究的主要内容。 § 2.1 半导体材料特征 半导体材料特征 材料形态：固体、液体、 气体、液晶、等离子体 晶体大小 •Si晶片 •钻石
2.12单晶、多晶、非晶 多晶( Polycrystalline):如果构成固体的原子在局域空间内为有序排列,但 在不同区域(晶粒, Grain)间又无序排列,则构成的固体为多晶,典型 材料如多晶硅等。在局域空间内类似单晶有序排列的部分,称为晶粒;不 同的晶粒间的界面称为晶界( Grain boundary), 非晶( Amorphous):原子排列完全无序,则为非晶,如SiO2等 morphous Polycrystalline P。 Grain Grain boundary 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 2.1.2 单晶、多晶、非晶 单晶、多晶、非晶 多晶(Polycrystalline)：如果构成固体的原子在局域空间内为有序排列，但 在不同区域（晶粒，Grain）间又无序排列，则构成的固体为多晶，典型 材料如多晶硅等。在局域空间内类似单晶有序排列的部分，称为晶粒；不 同的晶粒间的界面称为晶界(Grain boundary)， 非晶(Amorphous)：原子排列完全无序，则为非晶，如SiO2等
晶体的主要特征是:周期性、对称性和方向性; 同时,具有固定的熔点。 2.1.3晶体周期1.晶体的周期性 性和对称性 晶体中原子排列的有序性,可用周期性来描述。 1)原胞和基矢:为了描述晶体的周期性,引入 了原胞的概念。原胞( Primitive Cell)是构 成晶体的最小重复单元。描述原胞空间特征 的坐标矢量称为基矢。所谓晶格的基矢 ( Primitive vector)是指原胞的基矢量。通常 称基矢所在的坐标空间为实空间 1)晶格:晶体的具体排列或构成形式可由一些 基本单元如原子(离子或分子)重复排列而 成。这些基本单元的具体排列形式可抽象表 示为晶格。 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 2.1.3 晶体周期 性和对称性 1. 晶体的周期性 晶体中原子排列的有序性，可用周期性来描述。 1）原胞和基矢：为了描述晶体的周期性，引入 了原胞的概念。原胞（Primitive Cell）是构 成晶体的最小重复单元。描述原胞空间特征 的坐标矢量称为基矢。所谓晶格的基矢 (Primitive Vector)是指原胞的基矢量。通常 称基矢所在的坐标空间为实空间 1）晶格：晶体的具体排列或构成形式可由一些 基本单元如原子（离子或分子）重复排列而 成。这些基本单元的具体排列形式可抽象表 示为晶格。 晶体的主要特征是：周期性、对称性和方向性； 同时，具有固定的熔点
2.1.3晶体周期性和对称性 晶体周期性的数学表征 假设原胞选定,其基矢表示为a1,a2,a3 则区=几可+n可十n 称为位移矢量。晶体的周期性可以表示为: f(r)=f(+r 根据晶体具体排列形的不同,可抽象出14种不同的晶体格子(布拉伐格子): 简单三斜、(简单单斜、底心单斜)、(简单正交、底心正交、提心正交、 面心正交)、(简单四方、体心四方)、三角、六角、(简单立方、提心立 方、面心立方) 北京大学微电子学研究所
北京大学 北京大学 微电子学研究所 微电子学研究所 2.1.3 晶体周期性和对称性 晶体周期性和对称性 1. 晶体周期性的数学表征 假设原胞选定，其基矢表示为a1，a2，a3。 则 称为位移矢量。晶体的周期性可以表示为： 简单三斜、（简单单斜、底心单斜）、（简单正交、底心正交、提心正交、 面心正交）、（简单四方、体心四方）、三角、六角、（简单立方、提心立 方、面心立方） 根据晶体具体排列形的不同，可抽象出14种不同的晶体格子（布拉伐格子）：