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11是元素周期表的一部分，包含了最常见的半导体元素。表12给出了较为常用
的某些半导体材料。表11部分半导体元素周期表
Ⅲ
Ⅳ（元素半导体材Ⅴ
料）
硼（B）碳（C）
铝（AL）硅（Si）
磷（P）
镓（Ga）锗（Ge）
砷（As）
铟（I
）
锑（Sb）
表12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
I
P
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
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f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。11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11a显示了有4个价电子的5个无相互作用的硅原子，图11b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
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f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r