半導體物理導論01

1、半導體物理導論半導體物理導論主講人：姚寶殿主講人：姚寶殿行政樓行政樓1615室，室，課程代碼課程代碼：050408課程性質課程性質：學科基礎課：學科基礎課 學分學分：2.0時間：時間：周三（周三（3, 4）、周五（）、周五（1, 2）教室：教室：D座座103課程特點：內容廣、概念多，理論和系統(tǒng)性較強。課程特點：內容廣、概念多，理論和系統(tǒng)性較強。課程要求：著重物理概念及物理模型；基本的計算公式課程要求：著重物理概念及物理模型；基本的計算公式課程考核：考勤（課程考核：考勤（10%），作業(yè)（），作業(yè)（20%），期末（），期末（70%）課程簡介課程簡介1 1：n教材：黃昆，韓汝琦，教材：黃昆，韓汝琦，

2、半導體物理基礎半導體物理基礎，科學出版社，科學出版社，2010n參考資料參考資料 劉恩科，朱秉升，羅晉生劉恩科，朱秉升，羅晉生 編著編著半導體物理學半導體物理學 (第七版第七版)，電子工業(yè)出版，電子工業(yè)出版（2011） 半導體物理半導體物理， 錢佑華，徐至中，高等教育出版社錢佑華，徐至中，高等教育出版社2003 半導體器件物理半導體器件物理(第第3版版)， 耿莉，張瑞智譯耿莉，張瑞智譯|(美美)S. M. Sze, Kwok K. Ng 著，著，西安交通大學出版社西安交通大學出版社 2008 Semiconductor Physics and Devices:Basic Principles

3、3rd Ed.半導體物理與器半導體物理與器件件-基本原理基本原理(第第3版版) (美美)Donald A. Neamen 清華大學出版社清華大學出版社 2003 半導體物理學學習輔導與典型題解半導體物理學學習輔導與典型題解-高等學校理工科電子科學與技術類課高等學校理工科電子科學與技術類課程學習輔導叢書，田敬民程學習輔導叢書，田敬民 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社2006 半導體物理講義與視頻資料，蔣玉龍半導體物理講義與視頻資料，蔣玉龍課程簡介課程簡介2 2：教材與參考書教材與參考書課程簡介課程簡介3 3：課程地位和知識應用領域課程地位和知識應用領域微電子器件原理微電子器件原理微電子工藝基礎微電子

4、工藝基礎集成電路集成電路微波器件微波器件MEMS傳感器傳感器光電器件光電器件固體物理固體物理半導體物理半導體物理量子力學量子力學半導體材料半導體材料統(tǒng)計學物理統(tǒng)計學物理課程簡介課程簡介4 4：本課程內容本課程內容1.1.摻雜半導體的導電性摻雜半導體的導電性 2. 2. 能級和載流子能級和載流子3. 3. p-np-n結結4 4. . 半導體表面半導體表面5.5.晶格和缺陷晶格和缺陷半導體概要半導體概要1 1一、什么是半導體一、什么是半導體(semiconductor)？ 帶隙帶隙 電阻率電阻率半導體半導體物理的物理的研究對研究對象：象： 半導體的半導體的電子運動電子運動規(guī)律和基規(guī)律和基本物理性

5、本物理性質質半導體概要半導體概要2 2 金剛石結構8硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共價鍵共用電子對共用電子對+4+4+4+4金剛石結構 閃鋅礦結構（GaAs） 不同原子構成的四面體10閃鋅礦與金剛石結構的比較二、半導體的主要特征二、半導體的主要特征： 溫度對半導體的影響溫度對半導體的影響 半導體概要半導體概要3 雜質對半導體電阻率的影響雜質對半導體電阻率的影響 TkEexp0g純純Si，溫度每增加，溫度每增加8度，電阻度，電阻率相應降低率相應降低50%左右左右 光照對半導體的影響光照對半導體的影響 半導體概要半導體概要4三、半導體的主要應用領域三、半導體的主要應用領域半導體概要半導

6、體概要5 LED照明照明 IC 光電器件光電器件 半導體一個充滿前途的領域！半導體一個充滿前途的領域！第一第一章章 摻雜半導體的導電性摻雜半導體的導電性1.1 摻雜和載流子摻雜和載流子1.2 電導率和電阻率電導率和電阻率1.3 遷移率遷移率1.4 測量電阻率的四探針方法測量電阻率的四探針方法1.5 擴散薄層的方塊電阻擴散薄層的方塊電阻 摻雜摻雜 為了改變半導體的導電性而向其中加入雜質的技術工藝：p高溫擴散度p離子注入50kev損傷與退火N型：P， As，Sb，BiP型：B，Al，Ga, In1.1.1 元素半導體的摻雜Si ， Ge (0.78 eV) 中摻雜 P， B 為例1.1.2 化合物

7、半導體的摻雜GaAs （1.43 eV) 為例 161.1 1.1 摻雜和載流子摻雜和載流子1.2 電導率和電阻率1.2.1 微分微分歐姆定律歐姆定律 j = E 半導體半導體某點的電流密度正比于該點的電場。某點的電流密度正比于該點的電場。 導體中某點導體中某點 j 和該處的和該處的 及及E直接聯(lián)系起來直接聯(lián)系起來歐姆定律微分形式歐姆定律微分形式(微分歐姆定律微分歐姆定律)。推導。推導。1.2. 2 半導體中電子的運動半導體中電子的運動p熱運動：熱運動： 熱運動熱運動速度的速度的推導推導 ，300K 時，時，120 km/sp漂移運動漂移運動: v=E, =nq1.2.3 計算計算 由電阻率估

8、算摻雜濃度由電阻率估算摻雜濃度 由電阻率和摻雜濃度關系曲線估算遷移率由電阻率和摻雜濃度關系曲線估算遷移率漂移運動E電子電子空穴空穴結論結論 在嚴格周期性勢場（理想）中運動的載流子在嚴格周期性勢場（理想）中運動的載流子在電場力的作用下將獲得加速度，其漂移速度應在電場力的作用下將獲得加速度，其漂移速度應越來越大。越來越大。 由電阻率可確定所含雜質的濃度。材料越純，電阻率由電阻率可確定所含雜質的濃度。材料越純，電阻率越高（不適于高度補償?shù)牟牧希Ｔ礁撸ú贿m于高度補償?shù)牟牧希?.3 1.3 遷移率（遷移率（mobilitymobility）遷移率的遷移率的物理意義物理意義表征載流子在電場作用下表征載

9、流子在電場作用下做漂移運動的能力。做漂移運動的能力。遷移率對半導體器件工作的速度有直接的影響。遷移率對半導體器件工作的速度有直接的影響。遷移率越大，越有利于高頻器件。遷移率越大，越有利于高頻器件。電子和空穴遷移率比較硅硅鍺鍺砷化鎵砷化鎵n (cm-2/V.s)135039008500p (cm-2/V.s)4801900400漂移運動E電子電子空穴空穴結論結論 在嚴格周期性勢場（理想）中運動的載流子在嚴格周期性勢場（理想）中運動的載流子在電場力的作用下將獲得加速度，其漂移速度應在電場力的作用下將獲得加速度，其漂移速度應越來越大。越來越大。E電子電子實際情況存在破壞周期性勢場的作用因素：雜質雜質

10、缺陷缺陷晶格熱振動晶格熱振動載流子在半導體中運動時，不斷與振動著載流子在半導體中運動時，不斷與振動著的晶格原子或雜質離子發(fā)生碰撞，碰撞后載的晶格原子或雜質離子發(fā)生碰撞，碰撞后載流子速度的大小及方向均發(fā)生改變，這種現(xiàn)流子速度的大小及方向均發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為載流子的散射。象稱為載流子的散射。 1.3.2 同一種材料，遷移率與雜質濃度的關系同一種材料，遷移率與雜質濃度的關系 下圖表示下圖表示鍺、硅、砷化鎵在室溫時遷移率與雜質濃度的關系。鍺、硅、砷化鎵在室溫時遷移率與雜質濃度的關系。雜質濃度增大時，遷移率雜質濃度增大時，遷移率下降下降。 在高純在高純樣品（如樣品（如Ni=1013cm-3）或雜質濃

11、度較或雜質濃度較低的樣品（到低的樣品（到Ni=1017cm-3）中，遷移率隨中，遷移率隨溫度升高迅速溫度升高迅速減小減小， 1.3.3 遷移率與溫度的關系遷移率與溫度的關系 低摻雜濃度低摻雜濃度 高摻雜濃度高摻雜濃度 高摻雜高摻雜濃度濃度雜 質 濃 度雜 質 濃 度 增增大 后 ，大 后 ， 遷 移遷 移率 隨 溫 度 增率 隨 溫 度 增加 而 下 降 的加 而 下 降 的趨 勢趨 勢 就 不 顯就 不 顯著了著了，問題：問題：1. 為什么不同材料的載流子遷移率不同？為什么不同材料的載流子遷移率不同？2. 為什么電子和空穴有不同的遷移率？為什么電子和空穴有不同的遷移率？3. 為什么溫度和摻雜

12、濃度影響遷移率？為什么溫度和摻雜濃度影響遷移率？電子電子E電子電子空穴空穴理想情況理想情況E電子電子實際情況實際情況外加電場：1）載流子作定向運動2）載流子不斷遭到散射運動軌跡：熱運動運動軌跡：熱運動和漂移運動的疊加和漂移運動的疊加散射幾率：散射幾率：單位時間內一個載流子被散射的次數(shù)單位時間內一個載流子被散射的次數(shù)半導體中載流子在運動過程中被散射原因？半導體中載流子在運動過程中被散射原因？周期性周期性勢場的被破壞！勢場的被破壞！引入附加勢場引入附加勢場導致導致電子運動過程中狀態(tài)不斷發(fā)生改變。電子運動過程中狀態(tài)不斷發(fā)生改變。II電離雜質的散射電離雜質的散射 雜質電離后是一個帶電離子，施主電離后帶

13、正電，受主雜質電離后是一個帶電離子，施主電離后帶正電，受主電離后帶負電。電離后帶負電。在電離施主或受主周圍形成一個庫侖勢場，局部地破壞在電離施主或受主周圍形成一個庫侖勢場，局部地破壞周期性勢場，是使周期性勢場，是使載流子散射的附加勢場載流子散射的附加勢場。 當載流子運動到電離雜質附近，庫侖勢場的作用，當載流子運動到電離雜質附近，庫侖勢場的作用，使載流子運動方向改變，以速度使載流子運動方向改變，以速度v接近電離雜質，而以接近電離雜質，而以 v 離開，類似離開，類似 粒子在原子核附近的散射粒子在原子核附近的散射。 下圖畫出電離施主和電離受主對下圖畫出電離施主和電離受主對電子和空穴散射電子和空穴散射

14、的示意圖，的示意圖，它們在散射過程中的軌跡是以施主或受主它們在散射過程中的軌跡是以施主或受主為一個焦點的雙曲線。為一個焦點的雙曲線。 濃度為濃度為Ni的電離雜質對載流子散射概率的電離雜質對載流子散射概率Pi與溫與溫度的關系為度的關系為 Pi NiT-3/2 討論：Ni越大，載流子遭受散射的機會越多T，載流子熱運動的平均速度越大，不易散射電場強度對遷移率的影響電場強度對遷移率的影響3 強電場下的效應、熱載流子歐姆定律的偏離現(xiàn)象：1低場下vdE線性關系2中等強度電場vdE1/2 亞線性關系3強場下vd飽和E10 102 103 104 106 10210310Evd0EEuvd04332E*038

15、ndmvEE A：輕摻（雜質濃度：輕摻（雜質濃度10161018cm-3），），遷移率隨雜質遷移率隨雜質濃度的變化變小濃度的變化變小1iNDAnNpN雜質全電離雜質全電離1nnnq輕摻雜，輕摻雜，n n隨雜質變化不大隨雜質變化不大 雜質濃度增高時，雜質濃度增高時，非線性曲線。非線性曲線。 原因：原因： 一是雜質在室溫下不能全部電離一是雜質在室溫下不能全部電離 二是遷移率隨雜質濃度的增加將顯著下降。二是遷移率隨雜質濃度的增加將顯著下降。電阻率電阻率隨溫度的變化隨溫度的變化 1npnqpq()iTnu幾乎不變1）本征半導體 2）摻雜半導體：）摻雜半導體：雜質電離、本征激發(fā)雜質電離、本征激發(fā)同時存在

16、，同時存在，電電離雜質散射和晶格散射離雜質散射和晶格散射機制的機制的存在，電阻率隨溫度的變化存在，電阻率隨溫度的變化關系復雜。（關系復雜。（AB BC C三段）三段）硅硅 與與T關系關系0 ABCT載流子來源載流子來源雜質電離雜質電離1本征激發(fā)本征激發(fā)2遷移率因素遷移率因素電離雜質散射電離雜質散射3晶格散射晶格散射41.4、測量電阻率的四探針方法一、概述一、概述四探針法用于測量半導體材料（厚材和薄片）電阻率以及硅片上的擴散層、離子注入層的方塊電阻，也可以測量玻璃或其他絕緣材料上所形成的導電膜方塊電阻。四探針測試技術已經成為半導體生產工藝中應用最為廣泛的工藝監(jiān)控手段之一。 與四探針法相比，傳統(tǒng)的

17、二探針法更方便些，因為它只需要操作兩個探針，但是處理二探針法得到的數(shù)據(jù)卻很復雜。測量電阻率的二探針方法：測量電阻率的四探針方法：四探針測試原理四根等距探針豎直的排成一排，同時施加適當?shù)膲毫κ蛊渑c被測樣品表面形成歐姆連接，用恒流源給兩個外探針通以小電流I，精準電壓表測量內側兩探針間電壓V，根據(jù)相應理論公式計算出樣品的薄膜電阻率1.工作原理簡單 2.測試精度高 3.操作方便 四探針測試原理圖四探針測試原理 1.1.厚塊原理（厚塊原理（3D3D模型）模型） 半導體材料的電阻率 在半無窮大樣品半無窮大樣品上的點電流源， 若樣品的電阻率均勻， 引入點電流源的探針其電流強度為I，則所產生的電力線具有球面的

18、對稱性， 即等位面為一系列以點電流為中心的半球面，如圖所示。在以為半徑的半球面上，電流密度的分布是均勻的： 若E為處的電場強度， 則：由電場強度和電位梯度以及球面對稱關系， 則取為無窮遠處的電位為零， 則drdEdrrIEdrd22)(022rrrrdrEdrd四探針測試原理 上式就是半無窮大均勻樣品上離開點電流源距離為的點的電位與探針流過的電流和樣品電阻率的關系式，它代表了一個點電流源對距離處的點的電勢的貢獻。 對上圖所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針1流入，從探針4流出， 則可將1和4探針認為是點電流源，由(2-6)式可知，2和3探針的電位為：任意位置的四探針 )11(22412

19、2rrI)11(234133rrI四探針測試原理2、3探針的電位差為： 此可得出樣品的電阻率為： 上式就是利用直流四探針法測量電阻率的普遍公式。 我們只需測出流過1、4 探針的電流I以及2、3 探針間的電位差V23，代入四根探針的間距， 就可以求出該樣品的電阻率。 實際測量中， 最常用的是直線型四探針直線型四探針， 即四根探針的針尖位于同一直線上，并且間距相等間距相等， 設r12=r23=r34=S，則有：)1111(2341324123223rrrrIV(223IV134132412)1111rrrr四探針測試原理 IV 需要指出的是： 這一公式是在半無限大樣品半無限大樣品的基礎上導出的，實

20、用中必需滿足樣品厚度及邊緣與探針之間邊緣與探針之間的最近距離大于四倍四倍探針間距， 這樣才能使該式具有足夠的精確度。 如果被測樣品不是半無窮大，而是厚度，橫向尺寸一定，進一步的分析表明，在四探針法中只要對公式引入適當?shù)男拚禂?shù)BO即可，此時：直線型四探針 四探針測試原理 樣品為片狀單晶，四探針針尖所連成的直線與樣品一個邊界平行，距離為L， 除樣品厚度及該邊界外，其余周界均為無窮遠，樣品周圍為絕緣介質包圍。 另一種情況是極薄樣品，極薄樣品是指樣品厚度d比探針間距小很多，而橫向尺寸為無窮大的樣品，這時從探針1流入和從探針4流出的電流，其等位面近似為圓柱面，高為d。 任一等位面的半徑設為，類似于上面對半無窮大