半導(dǎo)體物理與器件物理

1、Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體物理與器件物理半導(dǎo)體物理與器件物理Semiconductor Physics and Device Physics2011.4Semiconductor Physics and Device Physics 主要教材主要教材:半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)，劉恩科，朱秉升，羅晉生，電子工業(yè)，劉恩科，朱秉升，羅晉生，電子工業(yè)出版社，出版社，2008年年11月第月第7版版 半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝，施敏著，趙鶴鳴，錢敏，黃，施敏著，趙鶴鳴，錢敏，黃秋萍譯，蘇州大學(xué)出版社，秋萍譯，蘇州大學(xué)出版社，2002

2、年年12月第月第1版版 主要參考書：主要參考書：半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件（第三版），（第三版），Donald A. Neamen著，電子工業(yè)出版社著，電子工業(yè)出版社 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理，施敏，科學(xué)出版社，施敏，科學(xué)出版社，2001年年 集成電路器件電子學(xué)集成電路器件電子學(xué)，R. S. Muller, T. I. Kamins, M. Chan著，王燕等譯，電子工業(yè)出版社，著，王燕等譯，電子工業(yè)出版社，2004年第年第3版版Semiconductor Physics and Device Physics Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) Part 2: 半導(dǎo)體器

3、件物理學(xué)半導(dǎo)體器件物理學(xué)OutlineSemiconductor Physics and Device Physics一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)Semiconductor Physics and Device Physics固態(tài)電子學(xué)分支之一固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)微電子學(xué)光電子學(xué)光電子學(xué)

4、研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科型化器件、電路及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)微電子學(xué)半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要在學(xué)科分類中，微電子學(xué)既可以屬于理學(xué)（071202 ），也可以屬于工學(xué)（080903 微電子學(xué)與固體電子學(xué) ）Semiconductor Physics and Device Physics工學(xué)工學(xué) （08）0808 電氣工程電氣工程080801 電機(jī)與電氣080802 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化080803 高電壓與絕緣技術(shù)080804 電力電子與電力傳動(dòng)080805 電力理論與新技術(shù)0809 電子科學(xué)與技術(shù)電子科

5、學(xué)與技術(shù)（注：可授予工學(xué)、理學(xué)學(xué)位）080901 物理電子學(xué)080902 電路與系統(tǒng)080903 微電子學(xué)與固體電子學(xué)080904 電磁場與微波技術(shù)0810 信息與通信工程信息與通信工程081001 通信與信息系統(tǒng)081002 信號(hào)與信息處理0811 控制科學(xué)與工程控制科學(xué)與工程081101 控制理論與控制工程081102 檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置081103 系統(tǒng)工程081104 模式識(shí)別與智能系統(tǒng)081105 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制0812 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（注：可授予工學(xué)、理學(xué)學(xué)位）081201 計(jì)算機(jī)軟件與理論081202 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)081203 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) Semico

6、nductor Physics and Device Physics微電子學(xué)研究領(lǐng)域微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體物理、材料、工藝半導(dǎo)體物理、材料、工藝半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測試集成電路設(shè)計(jì)和測試微系統(tǒng)，系統(tǒng)微系統(tǒng)，系統(tǒng)微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、高性能、向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性電路低功耗、高可靠性電路方向發(fā)展方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光光電集成、電集成、MEMS、生物、生物芯片芯片半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要Semiconductor Physics and Device

7、Physics固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體 （其它：半金屬，超導(dǎo)體）（其它：半金屬，超導(dǎo)體）什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體及其基本特性Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics緒論：微電子、IC的發(fā)展歷史早期歷史發(fā)展Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and

8、Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemico

9、nductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSolutionsNew, new, newwe got to find something newSemiconductor Physics and Device Physics10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量 60%/年 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預(yù)測半

10、導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番Semiconductor Physics and Device Physics 1.E+91.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E +51.E +51.E+41.E+41.E+31.E+370 74 78 82 86 90 94 70 74 78 82 86 90 94 98 200298 2002芯片上的晶體管數(shù)目 微處理器性能 每三年翻兩番Semiconductor Physics and Device Physics微處理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020

11、002010Semiconductor Physics and Device Physics集成電路技術(shù)是近集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)年來發(fā)展最快的技術(shù)Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics等比例縮小(Scaling-down)定律 1974; Dennard; 基本指導(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場不變：恒定電場規(guī)律，簡稱CE律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)載電

12、容，提高集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數(shù)恒定電場定律的問題 閾值電壓不可能縮的太小 源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小 電源電壓標(biāo)準(zhǔn)的改變會(huì)帶來很大的不便Semiconductor Physics and Device Physics 恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小按CV律縮小后對電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且采用CV律會(huì)使溝道內(nèi)的電場大大增強(qiáng)CV律一般只適用于溝道長度大于1m的器件，它不適用于溝道長度較短的器件。 準(zhǔn)恒定電場等比例縮小規(guī)則，縮寫為QCE律CE律和CV律的折中，實(shí)際采用的最多隨器件尺寸進(jìn)一步縮小，強(qiáng)電場

13、、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進(jìn)一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時(shí)又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實(shí)際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小倍，而電源電壓則只變?yōu)樵瓉淼?倍Semiconductor Physics and Device Physics參參數(shù)數(shù) CE(恒恒場場)律律 CV(恒恒壓壓)律律 QCE(準(zhǔn)準(zhǔn)恒恒場場)律律 器器件件尺尺寸寸L, W, tox等等 1/ 1/ 1/ 電電源源電電壓壓 1/ 1 / 摻摻雜雜濃濃度度 2 閾閾值值電電壓壓 1/ 1 / 電電流流 1/ 2/ 負(fù)負(fù)載載電電容容 1/ 1/ 1/ 電電場場強(qiáng)

14、強(qiáng)度度 1 門門延延遲遲時(shí)時(shí)間間 1/ 1/ 2 1/ 功功耗耗 1/ 2 3/ 2 功功耗耗密密度度 1 3 3 功功耗耗延延遲遲積積 1/ 3 1/ 2/ 3 柵柵電電容容 面面積積 1/ 2 1/ 2 1/ 2 集集成成密密度度 2 2 2 Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsA、 特征尺寸繼續(xù)等比例縮小，晶圓尺寸增大（主要影響集成度、產(chǎn)量和性價(jià)比）B、 集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)（主要影響功能）C 、微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的

15、學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影響功能和新興交叉增長點(diǎn)）硅微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向Semiconductor Physics and Device Physics 第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：微細(xì)加工目前0.25m、0.18 m 、0.13 m、 0.11 m、90nm等已相繼開始進(jìn)入大生產(chǎn)90nm以下到45nm關(guān)鍵技術(shù)和大生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)完成開發(fā)，具備大生產(chǎn)的條件，有的已經(jīng)投產(chǎn)當(dāng)然仍有許多開發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開發(fā)，為EDA服務(wù)的器件模型模擬開發(fā)以及基于上述加工工藝的產(chǎn)品開發(fā)等在45nm以下？極限在哪里？22 nm? Intel, IBM10nm ? Atomic level?A、微電

16、子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小Semiconductor Physics and Device Physics互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮?。⊿olid state Technology Oct.,1998） 第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用；但在0.13um后，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用；在更小的特征尺寸階段，可靠性問題還有待繼續(xù)研究開發(fā)Semiconductor Physics and Device Physics 第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系高K介質(zhì)金屬柵電極低K介質(zhì)SOI材料Semiconductor Physi

17、cs and Device Physics 重?fù)诫s多晶硅重?fù)诫s多晶硅SiO2 硅化物硅化物 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)關(guān)系: L Tox Xj1/3對柵介質(zhì)層的要求對柵介質(zhì)層的要求 年年 份份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 技技 術(shù)術(shù) 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 等效柵氧化層厚度等效柵氧化層厚度(nm) 45 23 23 1.52 1.5 1nm + t柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層 Tox t多晶硅耗盡多晶硅耗盡 t柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層 t量子效應(yīng)量子效應(yīng) : : t多晶硅耗盡多晶硅耗盡 0.5nm t量子效應(yīng)量子效應(yīng) 0.5nm Semiconductor P

18、hysics and Device Physics隧穿效應(yīng)隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)的性質(zhì)柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層Tox1納米納米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介質(zhì)介質(zhì)? ?雜質(zhì)漲落雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級(jí)質(zhì)數(shù)僅為百的量級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)新型柵結(jié)構(gòu)? ?電子輸運(yùn)的電子輸運(yùn)的渡越時(shí)間渡越時(shí)間碰撞時(shí)間碰撞時(shí)間介觀物理的介觀物理的輸運(yùn)理論輸運(yùn)理論? ?溝道長度溝道長度 L50納米納米L源源漏漏柵柵Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 柵介質(zhì)層?xùn)沤橘|(zhì)層新一代小尺寸器件問題帶間隧穿帶間隧穿反型層的反型層的量子化效應(yīng)量子化效應(yīng)電源電壓電源電壓1V時(shí)，柵介質(zhì)層中

19、電場時(shí)，柵介質(zhì)層中電場約為約為5MV/cm，硅中電場約，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應(yīng)考慮量子化效應(yīng)的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性Semiconductor Physics and Device Physics0.1 m Sub 0.1 mSemiconductor Physics and Device Physics穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài)情情況況下下的的半半導(dǎo)導(dǎo)體體增增長長率率 1997 穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài)（2030） CMOS 技技術(shù)術(shù) 0.25m 0.035m 年年平平均均增增長長率率 16% 7% (約約為為 GDP 增增長長率率的的 2 倍倍) 半半導(dǎo)導(dǎo)體體產(chǎn)產(chǎn)業(yè)業(yè)/電電子

20、子工工業(yè)業(yè) 17% 35% 半半導(dǎo)導(dǎo)體體產(chǎn)產(chǎn)業(yè)業(yè)/GDP 0.7% 3% From Chemming Hu, (U.C.Berkely) 2030年后，半導(dǎo)體加工技術(shù)走向成熟，類似于現(xiàn)年后，半導(dǎo)體加工技術(shù)走向成熟，類似于現(xiàn)在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的情況在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的情況誕生基于新原理的器件和電路誕生基于新原理的器件和電路Semiconductor Physics and Device PhysicsSOCSystem On A ChipB、集成電路走向系統(tǒng)芯片Semiconductor Physics and Device Physics分分立立元元件件集成集成電路電路 I C 系系 統(tǒng)統(tǒng)

21、 芯芯 片片System On A Chip(簡稱簡稱SOC)將整個(gè)系統(tǒng)集成在將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)一個(gè)微電子芯片上微電子芯片上在需求牽引和技術(shù)在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下推動(dòng)的雙重作用下系統(tǒng)芯片系統(tǒng)芯片(SOC)與集成與集成電路電路(IC)的設(shè)計(jì)思想是的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子技不同的，它是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一場革命。術(shù)領(lǐng)域的一場革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片Semiconductor Physics and Device Physics微米級(jí)工藝微米級(jí)工藝基于晶體管級(jí)互連基于晶體管級(jí)互連主流主流CAD：圖形編輯：圖形編輯VddABOutSemiconductor Physics and D

22、evice PhysicsPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工藝無關(guān)工藝無關(guān)系統(tǒng)系統(tǒng)亞微米級(jí)工藝亞微米級(jí)工藝依賴工藝依賴工藝基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連主流主流CAD:門陣列門陣列 標(biāo)準(zhǔn)單元標(biāo)準(zhǔn)單元集成電路芯片集成電路芯片Semiconductor Physics and Device Physics深亞微米、超深亞深亞微米、超深亞 微米級(jí)工藝微米級(jí)工藝基于基于IP復(fù)用復(fù)用主流主流CAD：軟硬件協(xié)：軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)同設(shè)計(jì)Semiconductor Physics and Device Physics SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)

23、制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能 SOC必須采用從系統(tǒng)行為級(jí)開始自頂向下(Top-Down)地設(shè)計(jì) SOC的優(yōu)勢嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問題嵌入式CPU Core可以使設(shè)計(jì)者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的輸出緩沖器使DRAM和CPU之間的速度接近集成電路走向系統(tǒng)芯片Semiconductor Physics and Device Physics SOC與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)采用界面綜合(Interface Synthesi

24、s)技術(shù)和0.35m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0.25 0.18m工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比，采用SOC完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目可以有數(shù)量級(jí)的降低集成電路走向系統(tǒng)芯片21世紀(jì)的微電子世紀(jì)的微電子將是將是SOC的時(shí)代的時(shí)代Semiconductor Physics and Device Physics SOC的三大支持技術(shù)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：Co-DesignIP技術(shù)界面綜合(Interface Synthesis)技術(shù)集成電路走向系統(tǒng)芯片1) 軟硬件Co-Design面向各種系統(tǒng)的功能劃分理論(Function

25、Partition Theory)計(jì)算機(jī)通訊壓縮解壓縮加密與解密Semiconductor Physics and Device Physics2) IP技術(shù)軟IP核：Soft IP (行為描述)固IP核：Firm IP (門級(jí)描述，網(wǎng)單)硬IP核：Hard IP(版圖)通用模塊CMOS DRAM數(shù)?；旌希篋/A、A/D深亞微米電路優(yōu)化設(shè)計(jì)：在模型模擬的基礎(chǔ)上，對速度、功耗、可靠性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)最大工藝容差設(shè)計(jì)：與工藝有最大的容差Yesterdays chips are todays reusable IP blocks，and can be combined with other funct

26、ions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）。）。Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 Chipless 設(shè)計(jì) 與 制作 的分工 Fabless Foundry 系統(tǒng)設(shè)計(jì)師介入IC設(shè)計(jì) IP設(shè)計(jì) 與 SoC 的分工 ChiplessSemiconductor Physics and Device PhysicsIP的特點(diǎn)的特點(diǎn) 復(fù)用率高 易于嵌入 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 芯片面積最小 運(yùn)行速度最高 功

27、率消耗最低 工藝容差最大Semiconductor Physics and Device Physics3）Interface SynthesisIP + Glue Logic (膠連邏輯)面向IP綜合的算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù) SoC 設(shè)計(jì)示意設(shè)計(jì)示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicSemiconductor Physics and Device PhysicsC、MEMS技術(shù)和DNA芯片 微電子技術(shù)與其它學(xué)科結(jié)合，誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)) ：微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合DNA生物芯片：微電子技術(shù)與生物工

28、程技術(shù)結(jié)合1）MEMS: 目前的MEMS與IC初期情況相似 集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主 集成電路技術(shù)的進(jìn)步，加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對中央處理器（CPU）和隨機(jī)存貯器（RAM）的需求越來越大，反過來又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命 現(xiàn)階段的微系統(tǒng)專用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限，還沒有出現(xiàn)類似的CPU和RAM這樣量大而廣的產(chǎn)品Semiconductor Physics and Device PhysicsMEMS器件及應(yīng)用器件及應(yīng)用?汽車工業(yè)汽車工業(yè)安全氣囊加速計(jì)、發(fā)動(dòng)

29、機(jī)壓力計(jì)、自動(dòng)駕駛陀螺安全氣囊加速計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)壓力計(jì)、自動(dòng)駕駛陀螺?武器裝備武器裝備制導(dǎo)、戰(zhàn)場偵察（化學(xué)、震動(dòng)）、武器智能化制導(dǎo)、戰(zhàn)場偵察（化學(xué)、震動(dòng)）、武器智能化?生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)疾病診斷、藥物研究、微型手術(shù)儀器、植入式儀器疾病診斷、藥物研究、微型手術(shù)儀器、植入式儀器?信息和通訊信息和通訊光開關(guān)、波分復(fù)用器、集成化光開關(guān)、波分復(fù)用器、集成化RF組件、打印噴頭組件、打印噴頭?娛樂消費(fèi)類娛樂消費(fèi)類游戲棒、虛擬現(xiàn)時(shí)眼鏡、智能玩具游戲棒、虛擬現(xiàn)時(shí)眼鏡、智能玩具Semiconductor Physics and Device Physics大機(jī)器加工小大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器加工微

30、機(jī)器微機(jī)械微機(jī)械用微電子加用微電子加工技術(shù)工技術(shù)X光鑄模光鑄模+壓塑壓塑技術(shù)技術(shù)(LIGA)從頂層向下從頂層向下從底層向上從底層向上分子和原子級(jí)加工分子和原子級(jí)加工國防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境國防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。2000年有年有120-140億美元市場億美元市場 相關(guān)市場達(dá)相關(guān)市場達(dá)1000億美元億美元市場將迅速成長市場將迅速成長MEMS微系統(tǒng)微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)系統(tǒng)Semiconductor Physics and Device Physics 從廣義上講，從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理是指集微型傳感器、微

31、型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng) MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等Semiconductor Physics and Device Physics MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接

32、觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景應(yīng)用前景 微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控、穩(wěn)定控制和玩具制和玩具Semiconductor Physics and Device Physics2） DNA芯片 微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA(脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸)芯片等為代芯片等為代表的生物工程芯片將是表的生物工程芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域

33、的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)濟(jì)增長點(diǎn) 它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物 具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注。具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片芯片 采用微電子

34、加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達(dá)多達(dá)10萬種萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學(xué)研究、疾病診斷、檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用 Stanford和和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了或玻璃片上制作出了DNA芯片

35、，包括芯片，包括6000余種余種DNA基因片段基因片段Semiconductor Physics and Device Physics 一般意義上的系統(tǒng)集成芯片一般意義上的系統(tǒng)集成芯片 廣義上的系統(tǒng)集成芯片廣義上的系統(tǒng)集成芯片電 、 光電 、 光、 聲 、 聲 、熱 、 磁熱 、 磁力 等 外力 等 外界 信 號(hào)界 信 號(hào)的 采 集的 采 集 各 種各 種傳感器傳感器執(zhí)執(zhí)行行器器、顯顯示示器器等等信 息 輸信 息 輸入與模入與模/數(shù)傳輸數(shù)傳輸信信息息處處理理信 息 輸信 息 輸出與數(shù)出與數(shù)/模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)廣義上的系統(tǒng)集成芯片廣義上的系統(tǒng)集成芯片Semiconductor Phys

36、ics and Device Physics張海霞“微納大世界”演講視頻Semiconductor Physics and Device Physics一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的純度和

37、結(jié)構(gòu) 純度純度極高，雜質(zhì)1013cm-3 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Semiconductor Physics and Device Physics晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)具五次對稱軸定向長程有序但無重復(fù)周期的Semiconductor Physics and Device Physics晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 單胞單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元最小單元注：注：（a）單胞無需是唯一的

38、）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的）單胞無需是基本的Semiconductor Physics and Device Physics晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 三維立方單胞三維立方單胞 簡立方、簡立方、 體心立方、體心立方、 面立方面立方BCCFCCSemiconductor Physics and Device Physics金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)成一個(gè)正四構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有面體，具有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)Semiconductor Physics and Devic

39、e PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsGraphite 、C60 MovieSemiconductor Physics and Device Physics元元 素素 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 ：Si、Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)Semiconductor Physics and Device Physics例：如圖所示為一晶格常數(shù)為例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的的Si晶胞，求：晶胞，求： （a）Si原子半徑原子半徑 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占據(jù)

40、晶胞的百分比原子占據(jù)晶胞的百分比解：（解：（a）1 13(3 )2 48raa（b）3348330.3416raSemiconductor Physics and Device Physics化化 合合 物物 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 : GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型 VS 閃鋅礦型Semiconductor Physics and Device Physics金剛石結(jié)構(gòu)（黑白原子同類）金剛石結(jié)構(gòu)（黑白原子同類）硅硅; 鍺鍺; 灰錫（灰錫（ -Sn）; 人工合成立方氮化硼（人工合成立方氮化硼（c-BN）黑白原子不同類時(shí)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)黑白原子不同類時(shí)，閃鋅礦結(jié)構(gòu) -ZnS（

41、閃鋅礦）（閃鋅礦）; -SiC; GaAs; AlP; InSb 750,1000,1000,1000,1000,10050505050752525ABC晶胞圖晶胞圖投影圖投影圖Semiconductor Physics and Device Physics閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)750,1000,1000,1000,1000,10050505050752525Semiconductor Physics and Device PhysicsHCP movieSemiconductor Physics and Device PhysicsFCC vs HCPSemiconductor Phy

42、sics and Device Physics纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)復(fù)式格子復(fù)式格子六方晶系簡單六方格子P63mc空間群ao=0.382nm，co=0.625nmz = 2與纖鋅礦結(jié)構(gòu)同類的晶體：BeO、ZnO、AlNS2-六方緊密堆積排列六方緊密堆積排列Zn2+填充在四面體空隙中，填充在四面體空隙中，只占據(jù)了只占據(jù)了1/2Semiconductor Physics and Device PhysicsNaCl MoviesSemiconductor Physics and Device PhysicsCO2,SiO2 MoviesSemiconductor Physics and De

43、vice Physics原子的能級(jí)原子的能級(jí) 電子殼層電子殼層 不同子殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d； 共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)Semiconductor Physics and Device Physics+14 電子的能級(jí)是量子化的n=3n=3四個(gè)電子四個(gè)電子n=2n=28 8個(gè)電子個(gè)電子n=1n=12 2個(gè)電子個(gè)電子SiHSi原子的能級(jí)原子的能級(jí)Semiconductor Physics and Device Physics原子能級(jí)的分裂原子能級(jí)的分裂 孤立原子的能級(jí)孤立原子的能級(jí) 4個(gè)原子能級(jí)的分裂個(gè)原子能級(jí)的分裂 Semiconductor Physics and Devic

44、e Physics原子能級(jí)的分裂原子能級(jí)的分裂 原子能級(jí)分裂為能帶原子能級(jí)分裂為能帶 Semiconductor Physics and Device Physics能帶形成簡單示意Energy Band animation 2.swfEnergy Band animation 1.swfSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor, Insulator and ConductorSemiconductor Physics and Device PhysicsSi的能帶的能帶 （價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙（價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙Semiconduc

45、tor Physics and Device Physics價(jià)帶：價(jià)帶：0 K0 K條件下被電子填充的能量的能帶條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：0 K0 K條件下未被電子填充的能量的能帶條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics自由電子的運(yùn)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng) 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K

46、rtr tAe pKEhvSemiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 薛定諤方程及其解的形式薛定諤方程及其解的形式 2220( )()( )( )( )( )2V xV xsadxV xxExmdx( )( )( )()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函數(shù)布洛赫波函數(shù)Semiconductor Physics and Device Physics導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶固體材料的能帶圖固體材料的能帶圖Semiconductor Physics and Device Physics半

47、導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 本征激發(fā)本征激發(fā) Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中E（K）與）與K的關(guān)系的關(guān)系 在導(dǎo)帶底部，波數(shù)在導(dǎo)帶底部，波數(shù) ，附近，附近 值很小，值很小，將將 在在 附近附近泰勒展開泰勒展開 220021( )(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k( )E k0k 22021( )(0)()2kd EE kEkdkSemiconductor Physics and Device

48、 Physics半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中E（K）與）與K的關(guān)系的關(guān)系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEmSemiconductor Physics and Device Physics自由電子的能量自由電子的能量 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv2202kEmRecall對比晶體中的電子：對比晶體中的電子：m的差異的差異Semiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體中電子的

49、平均速度半導(dǎo)體中電子的平均速度 在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度u可表示可表示為波包的群速度為波包的群速度 dvudk1 dEudk22*( )(0)2nh kE kEm*nkumEhv代入代入求導(dǎo)求導(dǎo)Semiconductor Physics and Device Physics自由電子的速度自由電子的速度 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv0kumRecall對比晶體中的電子：對比晶體中的電子：m的差異的差異Semiconductor Physics and Device Phys

50、ics半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加速度 半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為 E的外加電場作用的外加電場作用下，外力對電子做功為電子能量的變化下，外力對電子做功為電子能量的變化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtdkdkfdt 2222211()duddEd E dkf d Eadtdt dkdkdtdkSemiconductor Physics and Device Physics半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加速度令令 即即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk而經(jīng)典力學(xué)中牛頓運(yùn)動(dòng)定律 : a=f/m0Semiconductor Phys

51、ics and Device Physics有效質(zhì)量有效質(zhì)量m*的意義的意義 自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅不僅受到外力的作用，受到外力的作用，同時(shí)同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用部勢場的作用 意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測定）時(shí)更為簡便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測定）Semiconductor Physics and Device Physics有效質(zhì)量有效質(zhì)量m*的意義的意義電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)受到外電

52、場力f的作用內(nèi)部原子、電子相互作用內(nèi)部勢場作用引入有效質(zhì)量外力f和電子的加速度相聯(lián)系有效質(zhì)量概括內(nèi)部勢場作用Semiconductor Physics and Device Physics空穴空穴 只有非滿帶電子才可導(dǎo)電只有非滿帶電子才可導(dǎo)電 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子帶負(fù)電帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價(jià)（價(jià)帶頂）帶頂）Semiconductor Physics and Device PhysicsK空間等能面空間等能面 在在k=0處為能帶極值處為能帶極值22*( )(0)2nkE kEm22*( )(0)2pkE

53、kEm 導(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近價(jià)帶頂附近Semiconductor Physics and Device PhysicsK空間等能面空間等能面 以以 、 、 為坐標(biāo)軸構(gòu)成為坐標(biāo)軸構(gòu)成 空間，空間， 空間空間任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢 導(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkmSemiconductor Physics and Device PhysicsK空間等能面空間等能面 對應(yīng)于某一對應(yīng)于某一 值，有許多組不同的值，有許多組不同的 ，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)

54、面稱在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)面稱為等能量面，簡稱等能面。為等能量面，簡稱等能面。 理想情況下等能面為一球面理想情況下等能面為一球面( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkmSemiconductor Physics and Device Physics硅的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)實(shí)際根據(jù)回旋共振回旋共振結(jié)果有:1) 導(dǎo)帶最小值不在導(dǎo)帶最小值不在k空間原點(diǎn)空間原點(diǎn),在在100方向上方向上,即是沿即是沿100方方向的旋轉(zhuǎn)橢球面向的旋轉(zhuǎn)橢球面2) 根據(jù)硅晶體立方對稱性的要求根據(jù)硅晶體立方對稱性的要求, 也必有同樣的能量在也必有同樣的能量在 方向上方向上3) 如圖所示如

55、圖所示,共有六個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球等共有六個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球等能面能面,電子主要分布在這些極電子主要分布在這些極值附近值附近100,010,010,001,001Semiconductor Physics and Device Physics鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)N型Ge的試驗(yàn)結(jié)果：方向共有8個(gè)方向圖為Ge導(dǎo)帶等能面示意圖0 (1.640.03)lmm0 (0.08190.0003)tmmSemiconductor Physics and Device Physics硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙間接帶隙間接帶隙間接帶隙Semiconductor Physics and Device PhysicsSi1-xG

56、ex混合晶體的能帶硅、鍺構(gòu)成的混合晶體寫為Si1-xGex，x稱為混晶比其禁帶寬度Eg隨x的變化如圖所示Semiconductor Physics and Device Physics砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k0處處,等能面為球面等能面為球面,導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為電子有效質(zhì)量為0.067mo 在在方向布里淵區(qū)邊界還方向布里淵區(qū)邊界還有一個(gè)導(dǎo)帶極小值，極值附近有一個(gè)導(dǎo)帶極小值，極值附近的曲線的曲率比較小的曲線的曲率比較小,此處電此處電子有效質(zhì)量比較大子有效質(zhì)量比較大,約為約為0.55mo 它的能量比布里它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高淵區(qū)中心

57、極小值的能量高0.29ev。價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺類似。室溫價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺類似。室溫下禁帶寬度為下禁帶寬度為1.424ev。 Semiconductor Physics and Device Physics關(guān)于本節(jié)的內(nèi)容要深刻地理解，必須具有如下知識(shí)： 晶格學(xué)(Crystallography) 近代物理(Modern Physics) 量子力學(xué)(Quantum Physics) 固體物理(Solid State Physics) 甚至：高等量子力學(xué)，固體理論，等Semiconductor Physics and Device Physics一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和

58、缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)Semiconductor Physics and Device Physics實(shí)際晶體與理想情況的偏離實(shí)際晶體與理想情況的偏離 晶格原子是振動(dòng)的晶格原子是振動(dòng)的 材料含雜質(zhì)材料含雜質(zhì) 晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子或替位式原子等雜質(zhì)）點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子或替位式原子等雜質(zhì)）線缺陷（位錯(cuò)）線缺陷（位

59、錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）體缺陷體缺陷 （Microvoids）Semiconductor Physics and Device Physics 極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)個(gè)B原子原子/ 個(gè)個(gè)Si原子原子 在室溫下電導(dǎo)率提高在室溫下電導(dǎo)率提高 倍倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于單晶位錯(cuò)密度要求低于5103103210 cm 雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)

60、生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。改變。與理想情況偏離的后果及原因與理想情況偏離的后果及原因Semiconductor Physics and Device Physics間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì) 雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（材料中的離子鋰（0.068