第一章 半导体物理与性质综述---①

1.1介绍

半导体器件的物理本质上依赖于（naturally dependent on）半导体材料本身的物理性质。本章对半导体的基本物理和性质进行了总结和回顾。它只代表了有关半导体的大量文献的一小部分；这里只包括与器件操作（operation）相关的主题（subject）。

为了将大量的信息浓缩成一章，本文编制了（compiled）四个表格（一些在附录中）和30多个从实验数据中提取的插图。本章着重介绍（emphasizes）两种最重要的半导体：硅（Si）和砷化镓（GaAs）。硅在商业电子产品中得到了广泛的研究和广泛的应用。近年来人们对砷化镓进行了深入的（intensively）研究（investigated）。主要研究了它直接带隙在光学中的应用和谷间载流子传输和产生微波时的高迁移率。

1.2 晶格结构

1.2.1 原胞和晶格平面

晶体的特点是具有结构良好的周期性原子排列（well-structured periodic placement of atoms）。可以重复形成整个晶体的最小的原子集合（assembly/set）称为原胞，晶格常数为a。

许多重要的半导体都有属于四面体（tetrahedral）相的金刚石（diamond）或闪锌矿（zincblende）晶格结构，也就是说（that is），每个原子被位于四面体角的四个等距最近的邻居包围。两个最近邻之间的键是由自旋相反（opposite spins）的两个电子形成的。金刚石和锌合金晶格可以看作是两个互穿的面心立方（fcc）晶格。对于金刚石晶格，如硅，所有原子都是相同的；而在闪锌矿晶格中，例如砷化镓，一个子晶格（sub-lattice）是镓，另一个子晶格是砷。砷化镓是一种III-V化合物，因为它是由元素周期表的III和V族元素形成的。

大多数III-V化合物晶体形式为闪锌矿结构；然而，许多半导体（包括一些III-V化合物）结晶形式为岩盐或纤锌矿结构。岩盐晶格，又可以看作两个互穿的面心立方晶格。在这个岩盐结构中，每个原子有六个最近的邻居。纤锌矿晶格可以看作是两个互穿的六方密排晶格（如镉（cadmium，Cd）和硫（sulfur，S）的子晶格）。对于每个子晶格（Cd或s），相邻层的两个平面水平位移，使得这两个平面之间的距离最小（对于两个原子中心之间的固定距离而言），因此称为密排（closed-packed）。纤锌矿结构具有四个等距最近的四面体排列，类似于闪锌矿结构。有些化合物，如硫化锌和硫化镉，既可以是闪锌矿结构，又可以是纤锌矿结构。

由于半导体器件是建立在半导体表面上或附近的，因此表面晶面的方向（orientations）和性质（properties）非常重要。定义晶体中不同平面的一种简便（convenient）方法是使用米勒指数。这些指数首先根据晶格常数（或原胞）找到三个基轴的平面的截距，然后取这些数的倒数并将它们还原为具有相同比率的最小三个整数。结果用括号（hkl）括起来，称为单个平面或一组平行平面的Miller指数{hkl}。

These  indices are determined by first finding the intercepts of the plane with the three basis axes in terms of the lattice constants (or primitive cells), and then taking the reciprocals of these numbers and reducing them to the smallest three integers having the same ratio.

硅是一种单元素半导体，最容易断裂（breakage）或解理（cleavage）的面是{111}面。相比之下（In contrast），砷化镓具有相似的晶格结构，但在键中也有少量的离子成分，它在{110}平面上裂解。

1.2.2 倒格子

对于给定的直接基向量，一组倒格基向量可以被定义为

倒数晶格的原胞可以用Wigner-Seitz胞来表示。Wigner-Seitz胞是通过在倒数晶格中从所选中心到最近的等效倒易晶格位置绘制垂直（perpendicular）平分（bisector）面来构造的。这种技术也可以应用于直接晶格。倒数晶格中的Wigner-Seitz胞称为第一布里渊区。如果首先从中心点（r）到立方体的八个角绘制直线，则形成平分面，立方体中的八面体（octahedron）被截断（truncated）。结果表明，面心立方（fcc）直接晶格具有间距为4π/a的bcc倒易晶格。当波向量k（lkl=k=2dA）的坐标映射到倒数格坐标（coordinates）时，倒数格有助于可视化E-k关系。特别是，fcc晶格的Brillouin区非常重要，因为它与我们感兴趣的大多数半导体材料有关。