中国科学技术大学：《半导体器件原理》课程教学资源（课件讲稿）第一章 半导体物理基础

中国科学技木大学物理系微电子专业 第一章半导体物理基础 §1-1半导体物理中基本概念 §1-2半导体材料特性 §1-3半导体能带论 §1-4平衡载流子和非平衡载流子 §1-5载流子输运理论 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 1 第一章 半导体物理基础 §1-1 半导体物理中基本概念 §1-2 半导体材料特性 §1-3 半导体能带论 §1-4 平衡载流子和非平衡载流子 §1-5 载流子输运理论

中国科学技木大学物理系微电子专业 §1-1半导体物理中基本概念 载流子：电子与空穴 有效质量 ·费米能级与准费米能级 热平衡态与非平衡态 本征与掺杂 ·施主与受主 散射与碰撞 漂移与扩散 稳态与非稳态 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 2

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 2 §1-1 半导体物理中基本概念 • 载流子：电子与空穴 • 有效质量 • 费米能级与准费米能级 • 热平衡态与非平衡态 • 本征与掺杂 • 施主与受主 • 散射与碰撞 • 漂移与扩散 • 稳态与非稳态

中国科学技木大学物理系微电子专业 §1-2半导体材料特性 晶格结构 。 密勒指数 载流子的概念 半导体器件理论基础 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 3

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 3 §1-2 半导体材料特性 • 晶格结构 • 密勒指数 • 载流子的概念 • 半导体器件理论基础

中国科学技木大学物理系微电子专业 Resistivity p(a-cm】 10181016101410121010109 105 104 1021 102104 10610 T Germanium(Ge） Silver ●Glass Nickel oxide Silicon(Si) Copper (pure) Aluminum Diamond Gallium arsenide(GaAs) (pure) Gallium phosphide(GaP) Platinum .Sulfur Fused Cadmium sulfide(CdS) Bismuth quartz 1018 101610141012101010-8106 104 102 1 102104 105 105 Conductivity (S/cm) Insulator Semiconductor Conductor Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 4

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 4

中国科学技木大学物理系微电子专业 固体结构 Grain boundary Grain 0 0000000000 0 0 0 0 0000000000 0 0 0 0000000000 0 0000000000 8 0 0 0000000000 00 0000000000 0 00000Q000Q 8 000 0 0000000000 0 0000000000 Amorphous Polycrystalline Crystal Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 5

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 5 固体结构

中国科学技木大学物理系微电子专业 晶体结构 ·硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 Ⅱ-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于 闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。 晶格常数是晶体的重要参数。 ·ace=0.5658nm,as=0.5431nm Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 6

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 6 晶体结构 • 硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 • III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于 闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。 • 晶格常数是晶体的重要参数。 • aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm

中国科学技术大学物理系微电子专业 常用半导体材料的晶格结构 Two intervening FCC cells offset by '4 of the cubic diagonal from diamond structure and zincblende structure: X a a Si,Ge C,etc GaAs,AlAs,GaP,ZnS etc Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 7

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 7 常用半导体材料的晶格结构  Two intervening FCC cells offset by ¼ of the cubic diagonal from diamond structure and zincblende structure:

中国科学技木大学物理系微电子专业 一倒格矢： 基本参数：a*,b*,c* 6x8 8-2g.BxB B 8xa 2g62 Gxb e=2g68 (a●a*=2元，ab*=0,etc.) 应用：波矢k空间的布里渊区 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 8

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 8 —倒格矢： 基本参数: a*, b*, c* (aa*=2, a b*=0, etc.) 应用：波矢k空间的布里渊区 a b c b c a            2 a b c c a b            2 a b c a b c            2

中国科学技木大学物理系微电子专业 晶体的各向异性 一沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也 是不相同的，这种情况称为晶体的各向异性。用 密勒指数表示晶面 密勒指数(Miller indices):表示晶面 (1)确定某一平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测出相应的截距： (2)取截距的倒数，然后约化为三个最小的整数，这 就是密勒指数。 Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 9

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 9 —沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也 是不相同的，这种情况称为晶体的各向异性。用 密勒指数表示晶面。 —密勒指数（Miller indices)：表示晶面 （1）确定某一平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测出相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约化为三个最小的整数，这 就是密勒指数。 晶体的各向异性

中国科学技木大学物理系微电子专业 密勒指数 一6 (100) (110) →密勒指数[43] (111) Principle of Semiconductor Devices 2023/4/10 10

Principle of Semiconductor Devices 中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/4/10 Monday 10 密勒指数 密勒指数[4 3]       4 1 3 1