绪论和预备知识

0.0 绪论

《半导体物理》讲了什么？

研究半导体材料受外界因素变化的原因和规律

什么是半导体？

  • 按电阻率划分：
导体 半导体 绝缘体
电阻率ρ\rhoρ（Ω⋅cm\Omega·cmΩ⋅cm） <10−310^{-3}10−3 10−3−10910^{-3}-10^{9}10−3−109 >10910^{9}109

  • 此外，半导体具有如下特性：

    1. 温度的升高可以显著提升半导体的导电能力
    2. 微量杂质的含量可以显著改变半导体的导电能力
    3. 光照可以显著改变半导体的导电能力
    4. 磁场和电场的改变可以显著改变半导体的导电能力

  • 例如：100万个Si原子中，掺入一个杂质原子（99.999%纯度硅），在室温下（27°C，T = 300K ）电阻率由214,000 Ω\OmegaΩ·cm 降低至 0.2 Ω\OmegaΩ·cm

  • 半导体的定义：电阻率容易受光、热、磁、电及微量杂质含量变化而变化的材料。

0.1 化学键和晶体结构

0.1.1 基本概念

晶体

#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .label text,#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node rect,#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node circle,#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node ellipse,#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node polygon,#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-00tNdkSUfyRDqIB8 :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

固体
晶体
非晶体: 非晶硅a-Si
单晶体: Si Ge GaAs
多晶体
  • 晶体具有一定规则的外形和固定的熔点，组成晶体的离子或原子（在较大的范围内，至少是 μm\mu mμm 数量级）都是按照一定的方式有规则地排列而成的（长程有序）。
  • 非晶体无规则外形和固定熔点，内部也无长程有序，但是短程有序。
  • 单晶是原子或离子的一种排列方式贯穿始终，而多晶由许多小晶粒杂乱堆积而成。

化学键

  • 化学键：组成晶体的原子或离子之间的结合力

原子的负电性

  • 原子的负电性：衡量原子对核外电子束缚能力的强弱的量，包括电离能和亲合能
  • 电离能：原子失去价电子需要的能量
  • 亲合能：由中性原子获取一个价电子成为负离子所释放的能量
  • 原子的负电性 = （电离能 + 亲合能）× 0.18（使Li的亲合能为1）
  • 负电性反映了原子相互键合时最外层电子得失的难易程度
  • 负电性大 ⇒ 电离能大或亲合能大：电离能大说明电子很难挣脱原子束缚；亲合能大说明电子有较大能力获得外来电子。
  • 结论：价电子总是向负电性大的原子转移。
ⅠA ⅡA ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB
Li1.0 Be1.5 B2.0 C2.5 N3.0 O3.5 F4.0
Na0,9 Mg1.2 Al1.5 Si1.8 P2.1 S2.5 Cl3.0
K0.8 Ca1.0 Ga1.5 Ge1.8 As2.0 Se2,4 Br2.8
In1.5 Sn1.8 Sb1.9 Te2.1 I2.6