简单认识半导体的晶体结构

半导体材料按其化学组分,可分为无机半导体和有机半导体。目前应用于微电子和光电子产业的大多数都是无机半导体。无机半导体按组成可分为元素半导体(如硅、锗)、化合物半导体(如砷化镓)和合金半导体(如硅锗、铝镓砷),其中,以硅和砷化镓为代表的元素半导体和化合物半导体是两类最常用的半导体。半导体按结晶状态又可分为单晶、多晶和非晶半导体。在现代集成电路工业中大量使用的是单晶半导体,本节将对常用半导体的晶体结构以及晶体学一些基本概念进行介绍。

2.2.1金刚石结构与闪锌矿结构

硅和砷化镓是现代半导体工业最常见的两类半导体,它们的晶体结构分别属于立方晶系的金刚石结构和闪锌矿结构,分别如图2.4(a)和(b)所示[。半导体技术发展早期使用的锗也同属金刚石结构,而其他许多-V族化合物半导体(如GaP、GaSb)也同属闪锌矿结构。

金刚石结构和闪锌矿结构，都可以看成是面心立方结构沿体对角线平移1/4对角线长度而成。两者区别在于，金刚石结构中只有一种原子(如硅)，而闪锌矿结构中面心结构上的原子与体内对角线处的4个原子属两种原子(如砷和镓)。可以看出，不管是金刚石结构还是闪锌矿结构，每个原子周围都有4个最近邻原子，它们位于一个正四面体的顶点上，这正是由于sp杂化后每个原子可提供4个等价成键轨道。

2.2.2 晶体的晶向与晶面

单晶体通过这种结构单元按周期性排列组成。单晶材料的物理特性一般具有较强的各向异性,因此,实际工作中在描述半导体具有某种特性时往往需要指明一定的方向。晶体中有两种方向的定义:一种是晶列的方向,即晶向;另一种是晶面的方向,即晶面法线的方向。只要取定一个描述晶体点阵的坐标系(即基矢)，某一方向在该坐标系中的投影(基矢的倍数)即可以标志该方向,晶向用[hkl]或(hkl)表示,晶面指数用(hkl)表示。在晶体中为最大限度地表现晶体对称性,如在金刚石结构和闪锌矿结构中分别取立方体的3条相互垂直的棱作为基矢,该立方体的棱长称为晶格常数,硅、锗和砷化镓这3种半导体的晶格常数分别为5.43A、5.65A和5.63A。在这种具有高度对称性的坐标系中的晶面指数又称为密勒指数,图2.5表示了密勒指数分别为(100)、(110)和(111)的3个晶面[1]。