文档介绍：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。,包含了最常见的半导体元素。。
Ⅲ
Ⅳ(元素半导体材料)
Ⅴ
硼(B)
碳(C)
铝(AL)
硅(Si)
磷(P)
镓(Ga)
锗(Ge)
***(As)
铟(In)
锑(Sb)
元素半导体
化合物半导体
Si 硅
AlP 磷化铝
Ge 锗
AlAs ***化铝
GaP 磷化镓
GaAs ***化镓
InP 磷化铟
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。
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***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。,。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。
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。
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置,这些原子以一定的距离与其它原子彼此分开。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;。在其它位置,原子可能位于晶格格点之间,这种缺陷称为填隙缺陷;。
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置。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置缺失