(完整PPT)半導(dǎo)體物理與器件物理課件

1、半導(dǎo)體物理與器件物理Semiconductor Physics and Device Physics2019.4主要教材:半導(dǎo)體物理學(xué)，劉恩科，朱秉升，羅晉生，電子工業(yè)出版社，2019年11月第7版 半導(dǎo)體器件物理與工藝，施敏著，趙鶴鳴，錢敏，黃秋萍譯，蘇州大學(xué)出版社，2019年12月第1版 主要參考書：半導(dǎo)體物理與器件（第三版），Donald A. Neamen著，電子工業(yè)出版社 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理，施敏，科學(xué)出版社，2019年 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，2019年第3版Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)

2、Part 2: 半導(dǎo)體器件物理學(xué)Outline半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)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)科微電子學(xué)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) ）工學(xué) （08）0808 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)0

3、80805 電力理論與新技術(shù)0809 電子科學(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(chǎng)與微波技術(shù)0810 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081101 控制理論與控制工程081102 檢測(cè)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)（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) 微電子學(xué)研究

4、領(lǐng)域半導(dǎo)體物理、材料、工藝半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試微系統(tǒng)，系統(tǒng)微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性電路方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體 （其它：半金屬，超導(dǎo)體）什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性緒論：微電子、IC的發(fā)展歷史早期歷史發(fā)展ENIAC（1946）SolutionsNew, new, newwe got to find something newMoores law10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K1970198019902000

5、2019存儲(chǔ)器容量 60%/年 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預(yù)測(cè)半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞?1.E+91.E+81.E+71.E+61.E +51.E+41.E+370 74 78 82 86 90 94 98 2019芯片上的晶體管數(shù)目 微處理器性能 每三年翻兩番i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro: 5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:2

6、73,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000Pentium II: 7,500,000微處理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002019Peak Advertised Performance (PAP)MooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth80808086802868038680486

7、PentiumPentiumPro集成電路技術(shù)是近50年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)按此比率下降，小汽車價(jià)格不到1美分等比例縮小(Scaling-down)定律1974; Dennard; 基本指導(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場(chǎng)不變：恒定電場(chǎng)規(guī)律，簡(jiǎn)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(chǎng)定律的問(wèn)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(lái)很大的不便恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡(jiǎn)稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對(duì)其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小按CV律縮小后對(duì)電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且

8、采用CV律會(huì)使溝道內(nèi)的電場(chǎng)大大增強(qiáng)CV律一般只適用于溝道長(zhǎng)度大于1m的器件，它不適用于溝道長(zhǎng)度較短的器件。準(zhǔn)恒定電場(chǎng)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(chǎng)、高功耗以及功耗密度等引起的各種問(wèn)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?lái)的/倍A、 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)

9、域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影響功能和新興交叉增長(zhǎng)點(diǎn)）硅微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向第一個(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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開(kāi)發(fā)，為EDA服務(wù)的器件模型模擬開(kāi)發(fā)以及基于上述加工工藝的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等在45nm以下？極限在哪里？22 nm? Intel, IBM10nm ? Atomic level?A、微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小（

10、Solid state Technology Oct.,2019）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(wèn)題還有待繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)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 傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu) 重?fù)诫s多晶硅SiO2 硅化物 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系: LTox Xj1/3柵介質(zhì)的限制隨著 tgate 的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長(zhǎng)超薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜拥膭?shì)壘GSD直接隧穿的泄漏電流柵氧化層厚度小于 3nm后tgate大量的晶體管 限制：tgate 3 to 2 nm柵介質(zhì)的限

11、制柵介質(zhì)的限制 等效柵介質(zhì)層的總厚度： Tox 1nm + t柵介質(zhì)層 Tox t多晶硅耗盡 t柵介質(zhì)層 t量子效應(yīng)+ 由多晶硅耗盡效應(yīng)引起的等效厚度 : t多晶硅耗盡 0.5nm 由量子效應(yīng)引起的等效厚度: t量子效應(yīng) 0.5nm 限制：等效柵介質(zhì)層的總厚度無(wú)法小于1nm隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox1納米量子隧穿模型高K介質(zhì)?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?電子輸運(yùn)的渡越時(shí)間碰撞時(shí)間介觀物理的輸運(yùn)理論?溝道長(zhǎng)度 L50納米L源漏柵Toxp 型硅n+n+多晶硅NMOSFET 柵介質(zhì)層新一代小尺寸器件問(wèn)題帶間隧穿反型層的量子化效應(yīng)電源電壓1V時(shí)，柵介質(zhì)層中電場(chǎng)

12、約為5MV/cm，硅中電場(chǎng)約1MV/cm考慮量子化效應(yīng)的器件模型? .可靠性0.1mSub 0.1m2030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)的情況誕生基于新原理的器件和電路SOCSystem On A ChipB、集成電路走向系統(tǒng)芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的連線延時(shí)、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無(wú)法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求IC設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平的提高，IC規(guī)模越來(lái)越大，已可以在一個(gè)芯片上集成108109個(gè)晶體管分立元件集成電路 I C 系 統(tǒng) 芯 片System On A Chip(簡(jiǎn)稱SOC)將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上在需求

13、牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下系統(tǒng)芯片(SOC)與集成電路(IC)的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片六十年代的集成電路設(shè)計(jì)微米級(jí)工藝基于晶體管級(jí)互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成 工藝無(wú)關(guān)系統(tǒng)亞微米級(jí)工藝依賴工藝基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連主流CAD:門陣列 標(biāo)準(zhǔn)單元集成電路芯片世紀(jì)之交的系統(tǒng)設(shè)計(jì)SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞 微米級(jí)工藝基于IP復(fù)用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)MEMORYCache/SRAM or even DRAMProcesso

14、rCoreDSP Processor CoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISA InterfaceGlueGluePCI InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceSOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)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(lái)，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(kāi)始自頂向下(Top-Down)地設(shè)計(jì)SOC的優(yōu)勢(shì)嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問(wèn)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

15、CPU之間的速度接近集成電路走向系統(tǒng)芯片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 Synthesis)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)的微電子將是SOC的時(shí)代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 Synth

16、esis)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 Partition Theory)計(jì)算機(jī)通訊壓縮解壓縮加密與解密2) 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(duì)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 w

17、ith other functions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）。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 ChiplessIP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 功率消耗最低 工藝容差最大3）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

18、意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicC、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(zhǎng)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(lái)是很簡(jiǎn)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(duì)中央處理器（CPU）和隨機(jī)存貯器（RAM）的需求越來(lái)越大，反過(guò)來(lái)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

19、，帶來(lái)了一場(chǎng)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(méi)有出現(xiàn)類似的CPU和RAM這樣量大而廣的產(chǎn)品MEMS器件及應(yīng)用汽車工業(yè)安全氣囊加速計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)壓力計(jì)、自動(dòng)駕駛陀螺武器裝備制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察（化學(xué)、震動(dòng)）、武器智能化生物醫(yī)學(xué)疾病診斷、藥物研究、微型手術(shù)儀器、植入式儀器信息和通訊光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器、集成化RF組件、打印噴頭娛樂(lè)消費(fèi)類游戲棒、虛擬現(xiàn)時(shí)眼鏡、智能玩具大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器微機(jī)械用微電子加工技術(shù)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級(jí)加工國(guó)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。2000年有120-140億美元市場(chǎng) 相

20、關(guān)市場(chǎng)達(dá)1000億美元市場(chǎng)將迅速成長(zhǎng)MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)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 MEMS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觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景 微慣性傳感器及微型慣性測(cè)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)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具M(jìn)EMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長(zhǎng)速度非常之高，并且目前

21、正處在加速發(fā)展時(shí)期微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)和顯示、光譜分析、信息采集等等已經(jīng)制造出尖端直徑為5m的可以?shī)A起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場(chǎng)中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等2） DNA芯片微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA(脫氧核糖核酸)芯片等為代表的生物工程芯片將是21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(zhǎng)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)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。目前最有代

22、表性的生物芯片是DNA芯片 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)10萬(wàn)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)檢測(cè)或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無(wú)疑對(duì)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 Stanford和Affymetrix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DNA芯片，包括6000余種DNA基因片段 一般意義上的系統(tǒng)集成芯片 廣義上的系統(tǒng)集成芯片電、光、聲、熱、磁力等外界信號(hào)的采集各種傳感器執(zhí)行器、顯示器等信息輸入與模/數(shù)傳輸信息處理信息輸出與數(shù)/模轉(zhuǎn)換信息存儲(chǔ)廣義上的系統(tǒng)集成芯片張海霞“微納大世界”

23、演講視頻半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)純度極高，雜質(zhì)1013cm-3結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)具五次對(duì)稱軸定向長(zhǎng)程有序但無(wú)重復(fù)周期的準(zhǔn)晶體晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)單胞對(duì)于任何給定的晶體，可以用來(lái)形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）單胞無(wú)需是唯一的 （ b）單胞無(wú)需是基本的晶體結(jié)構(gòu)三維立方單胞 簡(jiǎn)立方、 體心立方、 面立方BCCFCC金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有 金 剛 石 晶 體 結(jié) 構(gòu)金剛石的晶胞金剛石也是一個(gè)

24、a=b=c，=90的立方晶胞，晶胞除了頂點(diǎn)81/8=1個(gè)C原子外，每個(gè)面心位置各有1個(gè)C原子，由于面心位置C原子為2個(gè)晶胞共有。故61/2=3個(gè)C原子，除此晶胞內(nèi)部還有4個(gè)C原子，所以金剛石晶胞共有1348個(gè)C原子。對(duì)于晶胞的棱心位置的原子，則為4個(gè)晶胞共有，計(jì)數(shù)為1/4個(gè)。 金剛石的晶胞Graphite 、C60 Movie元 素 半 導(dǎo) 體 ：Si、Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu)例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求： （a）Si原子半徑 （b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比解：（a）（b）化 合 物 半 導(dǎo) 體 : GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型 VS 閃鋅礦型金剛石結(jié)構(gòu)（

25、黑白原子同類）硅; 鍺; 灰錫（-Sn）; 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) -ZnS（閃鋅礦）; -SiC; GaAs; AlP; InSb 晶胞圖投影圖閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)HCP movieFCC vs HCP纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)復(fù)式格子六方晶系簡(jiǎn)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Zn2+填充在四面體空隙中，只占據(jù)了1/2NaCl MoviesCO2,SiO2 Movies原子的能級(jí)電子殼層不同子殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化運(yùn)動(dòng)+14電子的能級(jí)

26、是量子化的n=3四個(gè)電子n=28個(gè)電子n=12個(gè)電子SiHSi原子的能級(jí)原子能級(jí)的分裂孤立原子的能級(jí) 4個(gè)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 能帶形成簡(jiǎn)單示意Energy Band animation 2.swfEnergy Band animation 1.swfSemiconductor, Insulator and ConductorSi的能帶 （價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙價(jià)帶：0 K條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：0 K條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo) 帶價(jià) 帶Eg自由電子的運(yùn)動(dòng)微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)薛定諤方程及

27、其解的形式 布洛赫波函數(shù)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶固體材料的能帶圖半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶本征激發(fā) 半導(dǎo)體中E（K）與K的關(guān)系在導(dǎo)帶底部，波數(shù) ，附近 值很小，將 在 附近泰勒展開(kāi) 半導(dǎo)體中E（K）與K的關(guān)系令 代入上式得自由電子的能量微觀粒子具有波粒二象性 Recall對(duì)比晶體中的電子：m的差異半導(dǎo)體中電子的平均速度在周期性勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，電子的平均速度u可表示為波包的群速度 代入求導(dǎo)自由電子的速度微觀粒子具有波粒二象性 Recall對(duì)比晶體中的電子：m的差異半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為 E的外加電場(chǎng)作用下，外力對(duì)電子做功為電子能量的變化半導(dǎo)體中電子的加速度令 即而經(jīng)典力學(xué)中牛

28、頓運(yùn)動(dòng)定律 : a=f/m0有效質(zhì)量m*的意義自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）有效質(zhì)量m*的意義電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)受到外電場(chǎng)力f的作用內(nèi)部原子、電子相互作用內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)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(shì)場(chǎng)作用空穴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；電子帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價(jià)帶頂）K空間等能面在k=0處為能帶極值導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近K空間等能面以 、 、 為坐標(biāo)軸構(gòu)成 空間， 空間

29、任一矢量代表波矢導(dǎo)帶底附近K空間等能面對(duì)應(yīng)于某一 值，有許多組不同的 ，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)面稱為等能量面，簡(jiǎn)稱等能面。理想情況下等能面為一球面硅的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)實(shí)際根據(jù)回旋共振結(jié)果有:1) 導(dǎo)帶最小值不在k空間原點(diǎn),在100方向上,即是沿100方向的旋轉(zhuǎn)橢球面2) 根據(jù)硅晶體立方對(duì)稱性的要求, 也必有同樣的能量在 方向上3) 如圖所示,共有六個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球等能面,電子主要分布在這些極值附近鍺的導(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)帶等能面示意圖硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙間接帶隙Si1-xGex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

30、晶比其禁帶寬度Eg隨x的變化如圖所示砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k0處,等能面為球面,導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.067mo 在方向布里淵區(qū)邊界還有一個(gè)導(dǎo)帶極小值，極值附近的曲線的曲率比較小,此處電子有效質(zhì)量比較大,約為0.55mo 它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高0.29ev。價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺類似。室溫下禁帶寬度為1.424ev。 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

31、體理論，等半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)實(shí)際晶體與理想情況的偏離晶格原子是振動(dòng)的材料含雜質(zhì)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)）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）體缺陷 （Microvoids）極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對(duì)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)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)B原子/ 個(gè)Si原子 在室溫下電導(dǎo)率提高 倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，并在禁帶中引入了

32、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)生改變。與理想情況偏離的后果及原因間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068 nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和As N型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜施主能

33、級(jí)受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜受主能級(jí)Ga或As在Si中摻雜半導(dǎo)體的摻雜、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 ，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低 ，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。所謂淺能級(jí)，是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底，受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以

34、全部電離。五價(jià)元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡(jiǎn)單計(jì)算：類氫模型雜質(zhì)的補(bǔ)償作用半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（ ）雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們底共同作用會(huì)使載流子減少，這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件底過(guò)程中，通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電類型或電阻率。 高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等

35、，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。 設(shè)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體設(shè)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)：非族雜質(zhì)在Si、Ge的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離深能級(jí)雜質(zhì)的基本特點(diǎn)：一、是不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；二、是一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí)。三、是能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細(xì)討論）。四、是深能級(jí)雜質(zhì)電離

36、后以為帶電中心，對(duì)載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降?；衔锇雽?dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式 四種情況：1）取代砷2）取代鎵3）填隙4）反位2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式四族元素硅在砷化鎵中會(huì)產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。這種雙性行為可作如下解釋： 因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對(duì)于取代族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。 點(diǎn)缺陷弗倉(cāng)克耳缺陷間隙原子和空位成對(duì)

37、出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無(wú)間隙原子間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點(diǎn)缺陷替位原子（化合物半導(dǎo)體）位錯(cuò)位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種線缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。位錯(cuò)施主情況 受主情況半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復(fù)合建立起一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為熱平衡載流子。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響，某一特定溫

38、度對(duì)應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受溫度影響劇烈。態(tài)密度的概念能帶中能量 附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。能帶中能量為 無(wú)限小的能量間隔內(nèi)有 個(gè)量子態(tài)，則狀態(tài)密度 為EE+dE態(tài)密度的計(jì)算狀態(tài)密度的計(jì)算單位 空間的量子態(tài)數(shù)能量 在 空間中所對(duì)應(yīng)的體積前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)根據(jù)定義公式求得態(tài)密度空間中的量子態(tài)在 空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為 ，考慮電子的自旋情況，電子的允許量子態(tài)密度為 ，每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子。態(tài)密度導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度（理想情況即等能面為球面）態(tài)密度（導(dǎo)帶底）（價(jià)帶頂）費(fèi)米能級(jí)根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一

39、個(gè)電子占據(jù)的概率 為 稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？費(fèi)米分布函數(shù) 稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量溫度導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量能量零點(diǎn)的選取處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米分布函數(shù)當(dāng) 時(shí)若 ，則若 ，則在熱力學(xué)溫度為0 K時(shí)，費(fèi)米能級(jí) 可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限 當(dāng) 時(shí)若 ，則若 ，則若 ，則費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被 電子占據(jù)或基本上是空的一 個(gè)標(biāo)志玻爾茲曼分布函數(shù)當(dāng) 時(shí)，由于 ，所以費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù):導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底）；價(jià)帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分

40、布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂）服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制導(dǎo)帶中的電子濃度在導(dǎo)帶上的 間有 個(gè)電子從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì) 進(jìn)行積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度 Consider Boltzmann Distribution導(dǎo)帶中的電子濃度Let導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶寬度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，積分上限改為 并不影響結(jié)果。由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為價(jià)帶中的空穴濃度p0同理得價(jià)帶中的空穴濃度載流子濃度乘積載流子濃度乘積熱平衡狀態(tài)下

41、的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，在一定的溫度下，乘積 是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會(huì)減?。环粗嗳槐菊靼雽?dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí):本征費(fèi)米能級(jí)本征半導(dǎo)體中的載流子濃度:本征載流子濃度既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子雜質(zhì)能級(jí)只能是下面兩種情況之一被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù)不接受電子以施主能級(jí)為例，施主能級(jí)上的電子占據(jù)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度施主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的施主濃度）電離施主濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度電離受主濃度類似地，受主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的受主濃度）n和p的其他變換

42、公式本征半導(dǎo)體時(shí)， 所以一般情況下（本征或雜質(zhì)半導(dǎo)體）中：用 ni , Ei表示費(fèi)米能級(jí)對(duì)摻雜半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)接近室溫時(shí)(全電離)EF-Ei=kT ln(ND/ni)練習(xí)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)載流子輸運(yùn)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合歐姆定律金屬導(dǎo)體外加電壓 ，電流強(qiáng)度為電流密度為歐姆定律均勻?qū)w外加電壓 ，電場(chǎng)強(qiáng)度為電流密度為歐姆定律的微分形式漂移電流漂移運(yùn)動(dòng)當(dāng)外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用而沿電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)（

43、定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度）電流密度 漂移速度漂移速度 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不大時(shí)，滿足 ，故可得半導(dǎo)體中電導(dǎo)率為半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體熱運(yùn)動(dòng)(某T下達(dá)到熱平衡）在無(wú)電場(chǎng)作用下，載流子永無(wú)停息地做著無(wú)規(guī)則的、雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng)晶體中的碰撞和散射引起凈速度為0，凈電流為0平均自由時(shí)間為：熱運(yùn)動(dòng)當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，載流子既受電場(chǎng)力的作用，同時(shí)不斷發(fā)生散射載流子在外電場(chǎng)的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的散射的原因載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生散射的根本原因是周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞附加勢(shì)場(chǎng) 使得能帶中的

44、電子在不同 狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。主要散射機(jī)制：電離雜質(zhì)，晶格電離雜質(zhì)的散射雜質(zhì)電離的帶電離子破壞了雜質(zhì)附近的周期性勢(shì)場(chǎng)，它就是使載流子散射的附加勢(shì)場(chǎng)散射概率Pi代表單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù)電離施主散射電離受主散射晶格振動(dòng)的散射格波形成原子振動(dòng)的基本波動(dòng)格波波矢 對(duì)應(yīng)于某一q值的格波數(shù)目不定，一個(gè)晶體中格波的總數(shù)取決于原胞中所含的原子數(shù)Si、Ge半導(dǎo)體的原胞含有兩個(gè)原子，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)q就有六個(gè)不同的格波，頻率低的三個(gè)格波稱為聲學(xué)波，頻率高的三個(gè)為光學(xué)波長(zhǎng)聲學(xué)波（聲波）振動(dòng)在散射前后電子能量基本不變，稱為彈性散射；光學(xué)波振動(dòng)在散射前后電子能量

45、有較大的改變，稱為非彈性散射晶格振動(dòng)的散射聲學(xué)波散射在能帶具有單一極值的半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長(zhǎng)波在長(zhǎng)聲學(xué)波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會(huì)引起能帶的波形變化聲學(xué)波散射概率光學(xué)波散射在低溫時(shí)不起作用，隨著溫度的升高，光學(xué)波的散射概率迅速增大Quiz1、載流子的熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)構(gòu)成電流。（ ） 2、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（ ）、 （ ）和（ ）。 3、載流子在外電場(chǎng)的作用下是（ ）和（ ）兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大小（ ）。4、什么是散射? 自由時(shí)間 與散射幾率 的關(guān)系N個(gè)電子以速度 沿某方向運(yùn)動(dòng)，在 時(shí)刻未遭到散射的電子數(shù)為 ，則在 時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為因此上式的解

46、為則 被散射的電子數(shù)為 與 的關(guān)系在 時(shí)間內(nèi)被散射的所有電子的自由時(shí)間為 ，這些電子自由時(shí)間的總和為 ，則 個(gè)電子的平均自由時(shí)間可表示為 、 與 的關(guān)系平均漂移速度為 、 與 的關(guān)系N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 與 及 的關(guān)系電離雜質(zhì)散射聲學(xué)波散射光學(xué)波散射 與 及 的關(guān)系電離雜質(zhì)散射聲學(xué)波散射光學(xué)波散射影響遷移率的因素與散射有關(guān)晶格散射電離雜質(zhì)散射N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率 與摻雜的關(guān)系N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降雜質(zhì)半導(dǎo)體（區(qū)別于金屬） 與T的關(guān)系速度飽和在低電場(chǎng)作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度v與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E呈線性關(guān)系；隨著外加

47、電場(chǎng)的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，最終平均漂移速度達(dá)到一飽和值，不隨E變化。n-Ge:*耿氏效應(yīng)耿氏效應(yīng)n-GaAs外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) 時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電流以 的頻率發(fā)生振蕩練習(xí)一、判斷1、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著。 （ ）2、不同的k值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標(biāo)志晶體中電子的共有化狀態(tài)。 （ ）3、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主作用。 （ ）4、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)體。 （ ）練習(xí)二、填空1、半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)可分為（ ）、（ ）、（ ），應(yīng)用最為廣泛的是（ ）。2、金剛石型單胞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為（ ），金剛石型為（ ）對(duì)稱性，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為（ ）對(duì)

48、稱性，纖鋅礦型為（ ）對(duì)稱性。3、導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為（ ），Si的禁帶寬度為（ ），Ge為（ ），GaAs為（ ）。4、固體按其導(dǎo)電性可分為（ ）、（ ）、（ ）。練習(xí)5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（ ）和（ ），施主雜質(zhì)為（ ），受主雜質(zhì)為（ ）。6、施主雜質(zhì)向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心；受主雜質(zhì)向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心。7 、熱平衡時(shí)，能級(jí)E處的空穴濃度為（ ）。8 、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（ ）、 （ ）和（ ）。練習(xí)三、簡(jiǎn)答1、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？2、三種立方單胞的名稱？3、引入有效質(zhì)量的原因及意義？4、 的物理含義？5、費(fèi)米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的

49、最大區(qū)別？ 6、在外加電場(chǎng)E作用下，為什么半導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運(yùn)動(dòng)角度說(shuō)明。7、在室溫下，熱平衡時(shí)，Si半導(dǎo)體中 ， ，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)平衡載流子在某一平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子本征或非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式（只受溫度T影響）Recall由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子，也稱為非平衡載流子過(guò)剩載流子（非平衡載流

50、子）非平衡載流子的光注入平衡載流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過(guò)剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布且公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程過(guò)剩載流子過(guò)剩載流子和電中性平衡時(shí) 過(guò)剩載流子電中性要求：小注入條件小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多小注入條件例：室溫下一受到微擾的摻雜硅， 判斷其是否滿足小注入條件？解：滿足小注入條件?。?）注：（1）即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多（2）非平衡少數(shù)載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子(非平衡多子一般遠(yuǎn)小于平衡多子濃度，所以一般不起作用）非平衡載流子壽命假定

51、光照產(chǎn)生 和 ，如果光突然關(guān)閉， 和 將隨時(shí)間逐漸衰減直至0，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命 ，也常稱為少數(shù)載流子壽命 單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率 非平衡載流子的復(fù)合率復(fù)合n型材料中的空穴p當(dāng) 時(shí)， ，故壽命 標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快費(fèi)米能級(jí)熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時(shí)，新的熱平衡狀態(tài)可通過(guò)熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶和價(jià)帶間的熱躍遷較稀少導(dǎo)帶和價(jià)帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，稱其為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)注： 非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離 就越

52、遠(yuǎn)。 在非平衡態(tài)時(shí)，一般情況下，少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)較大準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)注： 兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度產(chǎn)生和復(fù)合產(chǎn)生載流子（電子和空穴）被創(chuàng)建的過(guò)程產(chǎn)生率（G）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)復(fù)合載流子（電子和空穴）消失的過(guò)程復(fù)合率（R）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子空穴對(duì)數(shù)產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影響電流復(fù)合直接復(fù)合 間接復(fù)合 Auger復(fù)合（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）（具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）產(chǎn)生直接產(chǎn)生 R-G中心產(chǎn)生 載流子產(chǎn)生 與碰撞電離Quiz1、一般情況下，滿足小注入條件的非平

53、衡載流子濃度比平衡載流子濃度小。 （ ）2、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的（ ）所經(jīng)歷的時(shí)間。3、簡(jiǎn)述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中， 和 哪個(gè)距 近？為什么？陷阱效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng)具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱；相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心雜質(zhì)能級(jí)與平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)，最有利于陷阱作用擴(kuò)散粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散電流總電流擴(kuò)散+漂移擴(kuò)散系數(shù)D和遷移率的關(guān)系考慮非均勻半導(dǎo)體愛(ài)因斯坦關(guān)系在平衡態(tài)時(shí)，凈電流為0連續(xù)性方程舉例摻雜濃度分別為(a) 和 的硅中的電子和空穴濃度？

54、(b) 再摻雜 的Na又是多少？( ) 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part 1: 半導(dǎo)體物理學(xué)PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過(guò)程Alloyed Junctions (合金結(jié))；Diffused Junctions (擴(kuò)散結(jié))； Ion Implantation (離子注入)；Epitaxial Growth (外延生長(zhǎng))p-n結(jié)基本結(jié)構(gòu)合金溫度降溫再結(jié)晶擴(kuò) 散 PN結(jié)的形成PN結(jié)

55、Flash動(dòng)畫演示.swfPN結(jié).swf剛接觸，擴(kuò)散漂移（達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡）擴(kuò)散=漂移內(nèi)建電場(chǎng)漂移EFn高于EFp表明兩種半導(dǎo)體中的電子填充能帶的水平不同。能帶圖 (Enery band diagram)PN結(jié)中的能帶內(nèi)建電勢(shì)Vbi，或接觸電勢(shì)差 (The Contact Potential) VD 平衡時(shí)內(nèi)建電勢(shì)內(nèi)建電場(chǎng)方向內(nèi)建電勢(shì)PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度能帶內(nèi)建電勢(shì)電場(chǎng)電荷密度空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）PN結(jié)分類：按雜質(zhì)分布下面兩種分布在實(shí)際器件中最常見(jiàn)也最容易進(jìn)行物理分析 突變結(jié) （單邊突變結(jié)）: 線性緩變結(jié):淺結(jié)、重?fù)诫s（3um） 或外延的PN結(jié)緩變結(jié)與

56、突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度(Space charge region width)突變結(jié)載流子分布( Carrier distributions)VA0條件下的突變結(jié)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，VA大于0時(shí)，使耗盡區(qū)勢(shì)壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為Vbi-VA反偏PN結(jié)反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？理想二極管PN結(jié)正偏時(shí)理想二極管PN結(jié)反偏時(shí)理想二極管的定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。體內(nèi)電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動(dòng)?？臻g電荷區(qū)（耗盡層）寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度,勢(shì)壘區(qū)的自由載流子全部耗盡,并忽略勢(shì)壘區(qū)中載流子的產(chǎn)

57、生和復(fù)合。即不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合作用(無(wú)源或漏）。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過(guò)渡區(qū)上。小注入:注入的少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子濃度。在注入時(shí)，擴(kuò)散區(qū)的漂移電場(chǎng)可忽略。載流子邊界濃度由結(jié)電勢(shì)降決定，即由玻爾茲曼分布決定（Fermi分布的經(jīng)典近似適用）J-V characteristics of a ideal p-n junction準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度理想二極管方程求解過(guò)程準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp)Space charge regionNeutral regionDiffusion regi

58、on這兩股電流之和就是正向偏置下流過(guò)p-n結(jié)的電流。P區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散空穴擴(kuò)散電流n區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散電子擴(kuò)散電流。 根據(jù)電流連續(xù)性原理，通過(guò)p-n結(jié)中任一截面的總電流是相等的，只是對(duì)于不同的截面，電子電流和空穴電流的比例有所不同而已?？紤]-xp截面：忽略了勢(shì)壘區(qū)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)正偏時(shí)少子分布（上）及電流的分布（下）N區(qū)P區(qū)正向偏置時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度分布加正向偏置V后，結(jié)電壓為（VD-Vf），在xp處注入的非平衡電子濃度為：在xn處注入的非平衡空穴濃度為：同理：-肖克萊方程外加電場(chǎng)Vr與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致擴(kuò)散漂移(2) 反向偏置 （Reverse bias）VD增大為（VD+V

59、r），相應(yīng)地勢(shì)壘區(qū)加寬 勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)邊界上的少數(shù)載流子被強(qiáng)電場(chǎng)掃過(guò)勢(shì)壘區(qū)。使邊界處的少子濃度低于體內(nèi)。產(chǎn)生了少子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成了反向擴(kuò)散電流。類似于正向偏置的方法，可求得反向電流密度式中，Js不隨反向電壓變化，稱為反向飽和電流密度；負(fù)號(hào)表示反向電流方向與正向電流方向相反。Jr與反向電壓Vr無(wú)關(guān)，是因?yàn)楫?dāng)反向電壓V的絕對(duì)值足夠大時(shí)，邊界上的少子濃度為零。p-n結(jié)的正向和反向電流密度公式可統(tǒng)一用下列公式表示正向：V= Vf反向：V= -Vrp-n結(jié)的伏-安特性（3）J-V characteristics of a p-n junction 單向?qū)щ娦?整流Ge、Si、GaAs：0.3、 0.7、1

60、VPN結(jié)電流與理想情況的偏差大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的產(chǎn)生、復(fù)合串聯(lián)電阻效應(yīng)溫度的影響PN結(jié)電流與溫度的關(guān)系二極管伏安特性.swf 溫度影響大 單邊突變結(jié)I-V特性由輕摻雜一邊決定。影響p-n結(jié)伏-安特性的主要因素：產(chǎn)生偏差的原因：（1）正向小電壓時(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合；正向大電壓時(shí)忽略了外加電壓在擴(kuò)散區(qū)和體電阻上的壓降。（2）在反向偏置時(shí)忽略了勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流。空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合正向有復(fù)合電流（復(fù)合對(duì)正向電流的影響）反向有產(chǎn)生電流（產(chǎn)生對(duì)反向電流的影響）空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合-1反向偏置時(shí),正向偏置時(shí), 計(jì)算比較復(fù)雜VA愈低，IR-G愈是起支配作用空間電荷區(qū)的復(fù)合電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流VAV