半导体器件物理12章量子力学初步

1 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（元素半导体材料） Ⅴ 硼（B） 碳（C） 铝（AL） 硅（Si） 磷（P） 镓（Ga） 锗（Ge） 砷（As） 铟（In） 锑（Sb） 表1.2半导体材料 元素半导体 化合物半导体 Si 硅 AlP 磷化铝 Ge 锗 AlAs 砷化铝 GaP 磷化镓 GaAs 砷化镓 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 2 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 3 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...