復(fù)旦大學(xué)微電子器件第一章電子態(tài)

1、半導(dǎo)體物理、器件和工藝導(dǎo)論（第一部分）半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理復(fù)旦大學(xué)微電子研究院包宗明Baozm本課程的目的為后繼課程的學(xué)習打基礎(chǔ)；提高工作中分析問題和解決問題的能力；提高今后工作中繼續(xù)學(xué)習和研究的能力。主要參考書：雙極型與MOS半導(dǎo)體器件原理黃均鼐湯庭鰲編著其他參考書：1、半導(dǎo)體物理學(xué)劉恩科國防工業(yè)出版社（1994）2、R.M.Warner,B.L.Grung<Semiconductor-Device Electronics>(半導(dǎo)體器件電子學(xué)呂長志等譯，電子工業(yè)出版社2005年2月出版)3、Robert F. Pierret<Semiconductor Device

2、Fundamental>(半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)黃如等譯，電子工業(yè)出版社2004年11月出版)要求這門課程是本科三門課程的集合，本科課堂教學(xué)約200學(xué)時，而且學(xué)習難度比較大，和后繼課程關(guān)系密切，你們必須努力學(xué)習。本課程學(xué)習范圍限于課堂內(nèi)容。參考書中相關(guān)的內(nèi)容自己選擇閱讀。不無故缺課。認真聽課（記筆記)。認真復(fù)習(研讀筆記或ppt，看參考書相關(guān)內(nèi)容）。認真整理重點內(nèi)容。認真做習題。半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)平衡態(tài)電子統(tǒng)計分布電導(dǎo)率和遷移率非平衡載流子結(jié)MOSC-VBJT（雙極型晶體管）MOSFET(MOS晶體管）單晶半導(dǎo)體單晶：原子在空間按一定的規(guī)律周期性排列。金剛石、硅、砷化鎵

3、等大部分半導(dǎo)體是兩個面心立方晶格的套移。后者兩個格子是由異種原子組成。晶列指數(shù)-晶向指數(shù)任何兩個原子之間的連線在空間有許多與它相同的平行線。一族平行線所指的方向用晶列指數(shù)表示晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標軸上的投影的比例取互質(zhì)數(shù)111、100、110第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子可能處在哪些能量狀態(tài)處在不同能量狀態(tài)的電子的行為不同。引入有效質(zhì)量就可以用經(jīng)典力學(xué)的方法處理半導(dǎo)體中電子的運動規(guī)律，有效質(zhì)量和能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質(zhì)量，能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負質(zhì)量。接近填滿的能帶中電子運動的總效果可以用虛擬的粒子空穴來描述。單晶體中電子允許存在的狀態(tài)？不同狀態(tài)電子的行

4、為？單晶體中電子的能帶結(jié)構(gòu)（E、k關(guān)系）薛定諤方程勢能模型求解能帶結(jié)構(gòu)（E-k關(guān)系）。用量子力學(xué)的方法可以求出各種單晶體中的電子在理想狀態(tài)下的能量（E）、波矢（k）關(guān)系。它既不同于自由電子的能量隨波矢連續(xù)增加也不同于原子中的電子處于分立的能量狀態(tài)，而是形成能帶。E是k的周期性函數(shù)，而且和方向有關(guān)。從Ek關(guān)系可以說明半導(dǎo)體的各種電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)：可以得到有效質(zhì)量；可以知道在相同的電場作用下，那些半導(dǎo)體中的電子速度比較快；可以解釋為什么有的半導(dǎo)體在強電場時會出現(xiàn)微分負阻效應(yīng)；可以了解那些半導(dǎo)體適合于制造發(fā)光器件。軌道交疊當空間周期性排列的原子間距縮小使原子的價電子軌道發(fā)生交疊時就會出現(xiàn)共有化運動。能

5、級轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒М斣又g距離逐步接近時，原子周圍電子的能級逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒В聢D是金剛石結(jié)構(gòu)能級向能帶演變的示意圖。晶體中電子的運動對電流的貢獻量子力學(xué)計算表明單晶體中電子運動對電流的貢獻可以用自由電子類似的方法處理。當能帶中電子的填充率比較低的時候，只需把電子的質(zhì)量改為有效質(zhì)量。當能帶接近填滿的情況下，可以引入空穴來替代該能帶中所有電子對電流的總貢獻?？昭ㄊ且粋€虛擬的粒子，它帶有正電荷，電量是一個電子電荷，有效質(zhì)量是該能帶頂電子有效質(zhì)量的負值。因為能帶頂電子的有效質(zhì)量是負值，所以空穴的有效質(zhì)量是正值。硅和砷化鎵的能帶硅和砷化鎵能帶的特征砷化鎵導(dǎo)帶底和價帶頂同時在波矢為零處，稱為直接能帶，而硅導(dǎo)帶

6、底不在波矢為零處，稱為間接能帶；硅在第一布里淵區(qū)導(dǎo)帶底有六個最小值；價帶頂都有兩個分支，所以有兩種載流子（輕空穴和重空穴），變化比較大的曲線對應(yīng)的有效質(zhì)量??；砷化鎵導(dǎo)帶的底部（稱為主能谷）和上面的極小值(稱為子能谷）之間能量差只有0.29eV，高于常溫電子的熱運動能量0.026eV；砷化鎵的導(dǎo)帶中，和主能谷相比，子能谷的電子狀態(tài)密度大而電子遷移率低；砷化鎵在第一布里淵區(qū)有八個子能谷。施主和受主能級硅：P(0.045)、As(0.049)、Sb(0.039)B(0.045)、Al(0.057)、Ga(0.065)、In(0.16)鍺：P(0.012)、As(0.013)、Sb(0.01)B(0.

7、01)、Al(0.01)、Ga(0.011)、In(0.011)雜質(zhì)補償和深能級（鍺中金）局域能級處在導(dǎo)帶和價帶中的電子是共有化電子，它們在晶體中的許多位置上情況基本相同。被雜質(zhì)和缺陷束縛的電子是局域電子，它被束縛在某個雜質(zhì)附近的局部區(qū)域。必須給于能量，才能激發(fā)它脫離束縛參與共有化運動。所以它們束縛的電子處于禁帶中間的能級上。能級位置距離導(dǎo)帶或價帶比較近，以至于常溫下就可以幾乎全部被熱激發(fā)的能級叫淺能級，其它叫深能級。淺能級雜質(zhì)通常用于有目的地摻入半導(dǎo)體中控制它的導(dǎo)電類型和電阻率。如施主雜質(zhì)：磷、砷、銻；受主雜質(zhì)：硼、鋁、鎵、銦。雜質(zhì)缺陷形成的深能級的濃度通常比淺能級雜質(zhì)少很多，它有顯著的復(fù)合

8、和陷阱效應(yīng)，在濃度高的時候也會有顯著的補償效應(yīng)。絕大多數(shù)情況下是對器件性能不利的有害因素，常常是我們要防范的對象。這也就是我們半導(dǎo)體工藝線對保持高度凈化特別重視的原因。重點內(nèi)容半導(dǎo)體單晶中原子在空間按一定規(guī)律周期性排列。用晶列指數(shù)或晶面指數(shù)表示晶體的取向。晶體中的一個電子受到晶體內(nèi)部的原子和其他許多電子的作用，所以在外力作用下的運動規(guī)律和自由電子不同。量子力學(xué)計算表明引入電子有效質(zhì)量就可以用經(jīng)典力學(xué)的方法來處理單晶中電子行為。薛定諤方程勢能模型求解出E-k關(guān)系為一系列能帶。晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質(zhì)量，而能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負質(zhì)量。接近填滿的能帶中電子的整體行為可以用空穴來描述?？昭ㄊ菐д姾傻奶摂M粒子，其有效質(zhì)量是空狀態(tài)電子有效質(zhì)量的負值。電子和空穴兩種不同載流子的存在和可控是集成電路工藝的前提?？炊韬蜕榛壍哪軒D。習題立方晶體有幾個<111>、<100>?試說明有效質(zhì)量