半導體物理與材料

半導體物理與材料、器件

概論西安交大理學院王紅理主要內容第一章概論第二章材料特性和基本的PN結關系第三章PN結二極管第四章雙極晶體管第五章結型、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管作業(yè)占20%，考試占80%主要參考書劉恩科：半導體物理學葉良修：半導體物理學曾樹榮：半導體器件與物理基礎施敏：半導體器件與物理忻賢堃：半導體物理與器件第一章概論

《半導體物理》與《半導體物理與器件》是半導體物理、微電子專業(yè)最重要的兩門課。本課程需要《固體物理》、《半導體物理》、《量子力學》的基礎知識。人類已經進入21世紀，這是社會高度信息化的世紀。計算機網(wǎng)絡和通信技術的進步是信息化發(fā)展的標志.今天，無論何時何地，人們都可以高速交換信息，使區(qū)域性很強的政治、經濟、文化國際化。但是，如果沒有以晶體管為基礎的微電子學的發(fā)展就談不上個人計算機的高性能和多功能，沒有以激光器和光探測器為主體的光電子學的發(fā)展就談不上信息的高速傳輸，也就是說不可能有現(xiàn)代信息技術。本課程介紹半導體物理、微電子學和光電子學領域主要半導體材料和器件的基本原理。1.1半導體材料與器件的發(fā)展歷史微電子學的主體是在以晶體管、二極管為單元的各種半導體器件的基礎上構成的集成電路。光電子學是在半導體和電子學的基礎上吸收了光技術而形成的一門高技術學科，主體是半導體光電子學。半導體器件和材料的理論的發(fā)展主要依賴于量子力學的進展。從Planck的黑體輻射定律開始的1900年，1906年Einstein的光電效應理論（使普朗克常數(shù)可以測量），緊接著是Rutherford和Bohr的原子理論，1924年DeBroglie的波粒二相性概念，1926年的Schrǒdinger的波動方程，1927年Heisenburg的不確定原則，Pauli不相容原理，當然還有Fermi和Dirac的工作。量子力學、固體物理就是解決能帶、能級的問題。1920年晶體管收音機1940年雷達的研究促進半導體器件的發(fā)展1960年1948年雙極晶體管發(fā)明,NOBEL獎1980年半導體激光器發(fā)明半導體光電產品、數(shù)碼產品LS,ULS,VLS,GLS,摩爾定律2010年發(fā)展趨勢：納米器件、超晶格、量子阱、照明1959年硅集成電路問世1968年MOS大規(guī)模集成電路,各種化合物半導體器件第一個點接觸式的Ge晶體管(transistor)獲1956年諾貝爾物理獎半導體材料的電導率介于金屬與絕緣體之間，并且在很寬的范圍內可以變化，并且具有負的電阻溫度系數(shù)，這正是半導體材料的優(yōu)點，是廣泛應用的基礎。1.2什么是半導體？從導電性劃分固體材料可分成：超導體、導體、半導體、絕緣體金屬半導體絕緣體銅摻雜鍺本征鍺本征硅蒸餾水云母聚苯乙烯石英各種材料的電導率鍺和銅的電導率隨溫度的變化1003001000T(K)銅鍺

電導率隨摻雜的變化：

純硅的電導率很低，室溫時的載流子濃度約為，電導率約為。若在這種純硅中摻入雜質磷，并使磷原子在純硅中的濃度達到時，硅在室下的電導率可相應增加到左右，即比純硅的電導率增加5個數(shù)量級。硅的原子數(shù)密度為，所以濃度僅為基質硅原子數(shù)密度百萬分之一的雜質就可使硅的電導率發(fā)生驚人的變化。由于摻入半導體的雜質總量可以正確控制，因此利用這一特點可在很寬的范圍內改變半導體的電導率，甚至改變電傳導的類型，使負載流子傳導變?yōu)檎d流子傳導(或相反)。1、變化范圍很寬；2、隨溫度上升明顯；3、隨摻雜濃度增加（其中少量雜質電離，載流子濃度劇增），電導率急劇增加）；4、波長合適的光照射，光激發(fā)會使載流子濃度和電導率增加（這實際上就是半導體的光電導現(xiàn)象）。半導體電導率的特征：

除了半導體的電導率具有以上幾方面特征之外，許多半導體材料述還有比金屬明顯得多的溫差電效應、磁電效應和壓電效應。此外，半導體的pn結、金屬與半導體的接觸、不同種半導體材料的接觸(即異質結)等由界面所表現(xiàn)出來的結特性以及電場對半導體表面的場效應等也是半導體的一些重要特性。這些特性是一些半導體器件較以工作的基礎，也是本課程介紹的重點之一。

半導體材料在元素周期表中位于周期表（PeriodicTable）第Ⅳ族（Ⅳcolumnorfamily）及其鄰近的族。半導體材料的種類：按照組成分類元素半導體化合物半導體合金半導體有機半導體無機半導體按結構分類晶體（單晶、多晶）非晶、無定形按功能分類微電子半導體光電半導體熱電微波氣敏磁電壓電???按照研究及應用時代分類第一代：以Si,Ge為代表第二代：以Ga,As,GaAs,

In,P,InP為代表第三代：以GaN,InGaN

為代表目前主要材料仍然是Si,占80%。元素半導體Ⅱ族：Zn,CdⅢ族：B,Al,Ga,InⅣ族：C,Si,Ge,SnⅤ族：P,As,SbⅥ族：N,S,Se,Te元素半導體

化合物半導體Ⅳ-Ⅳ族Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族Ⅲ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族金屬氧化物SiCInP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSGaN,AlN,InNGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2、In2O3,ITO化合物半導體合金半導體T（ternary,三元化合物）：GaAsP,GaAsAl,InGaAs,InGaN

Q（quaternary,四元化合物）：INGaAsP非晶態(tài)半導體非晶Si、非晶Ge、Te、Se元素半導體化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半導體有機半導體

酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物大π鍵結構的導電聚合物半導體材料制備技術發(fā)展史：

196019501950年G.K.Teel直拉法較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1952年H.WelkerⅢ-Ⅴ族化合物1955年德國西門子氫還原三氯硅烷法制得高純硅1957年砷化鎵單晶誕生1958年W.C.Dash無位錯硅單晶19701960硅外延技術

1963年用液相外延法生長砷化鎵外延層，半導體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應

1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶主要半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀：

增大直拉硅單晶的直徑仍是今后CZ-Si發(fā)展的總趨勢。8英寸，12英寸已實現(xiàn)大規(guī)模生產，18英寸也進入生產，27英寸正在研制中。Si單晶:GaAs和InP單晶：

世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯密度生長的2～3英寸的導電GaAs襯底材料為主。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快；但不幸的是，研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。GaAsphotovoltaicsandoptoelectronicsusingreleasablemultilayerepitaxialassemblies,Nature465,May2010

英國《自然》雜志報告說，美國研究人員研發(fā)出一種可批量生產砷化鎵晶片的技術，克服了成本上的瓶頸，從而使砷化鎵這種感光性能比硅更優(yōu)良的材料有望大規(guī)模用于半導體和太陽能相關產業(yè)。

砷化鎵是一種感光性能比當前廣泛使用的硅更優(yōu)良的材料，理論上它可將接收到的陽光的40%轉化為電能，轉化率約是硅的兩倍，因此衛(wèi)星和太空飛船等多采用砷化鎵作為太陽能電池板的材料。然而，傳統(tǒng)的砷化鎵晶片制造技術每次只能生成一層晶片，成本居高不下，限制了砷化鎵的廣泛應用。

美國伊利諾伊大學等機構研究人員報告說，他們開發(fā)出的新技術可以生成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然后利用化學物質使砷化鎵層分離出來，可同時生成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。這些砷化鎵晶片可以像“蓋章”那樣安裝到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技術進行蝕刻，根據(jù)需要制造半導體電路或太陽能電池板。III-V族超晶格、量子阱材料：

GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，已成功地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。硅基應變異質結構材料：

GeSi/Si應變層超晶格材料,因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMOSFET的最高截止頻率已達200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。一維量子線、零維量子點：

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代量子器件的基礎。

1994年俄德聯(lián)合小組首先研制成功InAs/GaAs量子點材料，1996年量子點激光器室溫連續(xù)輸出功率達1W，閾值電流密度為290A/cm2，1998年達1.5W。

2000年初，中科院半導體所研制成功室溫雙面CW輸出3.62W、工作波長為960nm左右的量子點激光器，為目前國際報道的最好結果之一。1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管,并在150K觀察到柵控源-漏電流振蕩。1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件。1998年Yauo等人采用0.25mm工藝技術實現(xiàn)了128Mb的單電子存儲器原型樣機的制造，這是單電子器件在高密度存儲電路的應用方面邁出的關鍵一步。寬帶隙半導體材料：

寬帶隙半導體材料主要指的是金剛石、III族氮化物（2014年諾貝爾物理獎）、碳化硅、立方氮化硼以及II-VI族硫、錫碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料,因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導體微電子器件和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。

目前盡管出現(xiàn)了新材料和新技術，但是半導體材料主要仍然是Si,占80%。為什么硅應用如此廣泛？1）就是因為它是周期表中第Ⅳ族元素，而且是半導體；2）它的電阻率（resistivity）可以通過摻雜來控制；3）可以形成pn結，4）可以在一片晶片（wafer）上制作大量的器件，而且成本低；5）帶隙Eg合適，比Ge性能優(yōu)越。1.2.1能帶（EnergyBands）

20世紀處，丹麥物理學家NielsBohr，為了解釋所觀察到的線狀光譜時，提出了氫原子模型。在這個模型中，他假設圍繞氫原子核的電子的軌道只能有固定的軌道數(shù)，r1、r2、r3。每個軌道對應一個特定的能級，E1、E2、E3，氫原子模型：如果電子從一個大軌道到另一個小軌道上，原子的能量就從大變小，以光子的形式釋放出。實際電子的軌道比這個模型復雜得多。但是吸收和輻射光譜的主要特點都可以用這個簡單的模型來解釋。

我們關心的不是一個原子，而是形成固體半導體的原子群。在晶體固體中，能量軌道的氫原子模型被修改為：取代一系列分立的（discrete）能級（energylevel）的是一系列能帶（energybands），能帶之間是能隙Eg（energygap）(禁帶寬度)。Ec稱為導帶,Ev稱為價帶。E(K)EnergyK允帶禁帶Eg電子能量EcEv簡化為

Einstein光電效應實驗。我們簡單回顧一下。這個實驗引入了重要的一個關系。圖1-5c中的直線的斜率是h/q。因此h可以通過這個實驗測得。Y軸的截止電壓由金屬的功函數(shù)（workfunction）W決定。光子（photon）的能量為E=hν，只有當入射光的能量大于W時，才使電子從金屬表面逸出，并產生光電流。

在半導體器件中，最重要的不是把電子移走，而是使電子從里面的能帶躍遷到最外面部分填充的能帶。因此最重要的參數(shù)是帶隙Eg，它主宰著半導體的性質。決定Eg的有室溫電導率和光響應的截止波長（veryimportantforPhotoelectordiodes），只有光的能量大于Eg，才能將電子激發(fā)到導帶。Thebandgapofthemostcommonlyusedsemiconductorsisoforder1eV,forSi,Eg=1.1eV.

金屬半導體絕緣體能帶示意圖半滿帶滿帶導帶價帶導帶價帶

如果Eg很大（比如碳5eV），導帶中有很少的電子，因為任何粒子在室溫的能量是kT的量級,即大約0.025eV，因此很少有電子能夠受到激發(fā)而穿過禁帶。碳的金剛石結構在很多情況下是絕緣的。而硅的禁帶寬度小于1.1eV，導帶中將有很多電子，自由電子的濃度以Eg/2kT的冪級數(shù)變化。在絕緣體中，導帶幾乎是空的；而在金屬中，導帶由部分電子占據(jù)，因而自由電子移動可以導電。

在固體中，所有的靠內的能帶是滿的（室溫），所有的靠外的能帶是空的。如果從內到外，先有價帶（Valenceband），在純半導體中完全填滿了電子；然后到達導帶（Conductionband），在純半導體中幾乎完全是空的。導帶就是對形成電流具有貢獻的能帶(發(fā)生在電子移動到空的能態(tài)時)。如果能帶中所有的態(tài)都是滿的，就不會產生電流。然而，在很多半導體器件中，有時更為重要的是研究幾乎是滿帶的價帶的電子的導電,當電子激發(fā)到導帶時），留下空穴（hole）.

1.2.2晶體與共價鍵現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵共用電子對硅和鍺的共價鍵結構形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是8個，構成穩(wěn)定結構。+4+4+4+4共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。

鍵的強度與禁帶寬度有正比關系。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族的半導體基本上是共價晶體，Ⅱ、Ⅵ族的半導體離子性更強一些。金屬鍵的電子比較均勻地分布在固體中；離子鍵的電子則集中在離子上，而共價鍵的電子則比較集中地分布在兩個原子之間的連線上。MaterialsCSiGeGaAsGaPInPInSbGaNEg（eV）5.471.120.661.422.261.350.173.4一些材料的Eg

Eg這個重要的參數(shù)可以通過以下方法測出。1、不同波長的光照射在材料上，測量材料的電導率的變化，測量出在哪個波長發(fā)生吸收，也就是電子被激發(fā)過了帶隙，即E=hν=hc/λ；2、在PN結上加正向偏壓（forwardbias），測量輻射光的波長，也就是電子從激發(fā)態(tài)向低能級躍遷（dropdown，recombine)；3、通過測量材料的電導率隨溫度的變化。

在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子：currentcarriers

），它的導電能力為0，相當于絕緣體。電子和空穴（Electronsandholes）

在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。

為了使問題變得更為簡單和逼真，比如研究幾乎填滿電子的價帶的少量電子運動時，可以研究相對的大量的空穴的運動就更加容易。在研究大多數(shù)半導體器件時，往往都要考慮電子和空穴，比如電子濃度（concentration）n，空穴濃度p。通常對于電子和空穴有兩套參數(shù)。遷移率（mobility），擴散系數(shù)（diffusioncofficient），大多數(shù)情況下我們只討論一種類型的載流子。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導體的導電機理

本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。另外溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。1.2.3摻雜與雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體。

所有的半導體器件都可以通過摻雜（Doping）來控制電子和空穴的濃度。Ⅴ族元素有5個價電子，它們可以向Ⅳ族元素提供一個自由電子。它們的四個電子與Ⅳ族元素相鄰的四個電子形成共價鍵，多出來的第五個電子就可以“自由”而導電，這個電子幾乎不受束縛，實際上被失去一個電子而成為正電中心的磷原子以微弱的作用束縛著。這種雜質叫施主雜質（donor）。常用的施主雜質為P，As，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。

N型半導體(N-type)多余電子+4+4+5+4磷原子由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。硅原子本征半導體中成對產生的電子和空穴與施主濃度相比，可以忽略。N型半導體中，摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度，因此主要依賴電子導電。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子，majority,carriers），空穴稱為少數(shù)載流子（少子,minoritycarriers）。P型半導體(N-type)在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子(acceptor)。+4+4+3+4空穴硼原子硅原子P型半導體中空穴是多子，電子是少子。雜質半導體的表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。1.3半導體的重要性質和功能

為了研究半導體器件的性質,除了Eg之外,有幾個參數(shù)必須要清楚。如電導率或電阻率不僅僅依賴于導帶中電子的濃度,而且也依賴于在電場下這些電子移動的容易程度（這些電子所受的束縛的大?。?。電場強度E與Eg沒有關系。電子移動的容易程度與電子的遷移率

有關，電子在電場下的運動類似于物體在有摩擦的情況下或在粘滯介質中運動。事實上，電子將與晶格點上的原子碰撞而發(fā)生散射。由于電場引起的電流密度Jn(currentdensity)由下式決定：其中q是電子電荷.這種電流叫作漂移電流.

在很多器件中決定其電性質的電流不是傳導電流,而是由于粒子的擴散電流.正如從某個房間產生的煙霧從高濃度到低濃度,固體中的電子也可以從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散.擴散的速度正比于濃度的梯度(gradient),相應的比例系數(shù)Dn叫做擴散系數(shù),它正比于遷移率。

擴散電流密度為n(x)Distancex電子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散曲線

另一個參數(shù)是電子的壽命τ.當電子被激發(fā)到穿帶隙更高的能級上,然后又躍遷到熱平衡態(tài).這個過程不會與撤掉激發(fā)源同時進行，有一定的時間間隔。這是電子被激發(fā)到導帶在它躍遷回到價帶與空穴復合之前，存在的平均時間，具有微秒、納秒的量級。載流子的壽命決定了很多二極管的伏安特性。過剩（excess）電子濃度隨時間的衰減關系為：Timet過剩電子濃度隨時間的衰減1.4半導體器件簡介1.4.1PN結二極管二極管是理想的單向(unidirectional)通過電流的元件.伏安特性曲線.其I-V特性在很寬的電壓范圍內呈冪指數(shù)關系:PNVII表示符號伏安特性曲線對于硅二極管來說，正向電壓通常小于1V，而反向擊穿電壓可以從幾伏到幾千伏，反向電流是正向電流的倍，當電壓達到反向擊穿電壓Vbr（breakdown）時，反向電流將迅速增加。引線外殼線觸絲線基片PN結點接觸型面接觸型二極管的結構PN結加上管殼和引線，就成了半導體二極管二極管的用途：限幅器，穩(wěn)壓二極管射頻（radiofrequency)探測器微波限幅器、開關、衰減器發(fā)光二極管光電二極管光電耦合器件變容二極管等等二極管是如何制造的？摻雜、擴散(同一片)：

先準備一塊直徑幾英寸的硅晶片，硅片均勻摻雜到某一個能夠確定擊穿電壓的濃度。我們假設有一個N-type半導體晶片，施主摻雜水平為。現(xiàn)在把這個晶片放到1000℃的爐子中，爐子中充滿包含硼的氣體，硼原子將通過硅片表面擴散到硅中。硼原子在硅片表面的濃度較高，固溶度將達到的量級。硼原子的濃度將從表面開始逐漸降低，正比于，Gauss關系。是與溫度、時間有關的臨界深度，x是深度.在在某個深度xj，磷（施主）和硼（受主）的濃度是相等的，小于這個深度，材料是P型的，大于這個深度，材料是N型的，因此就會形成PN結。N(x)xIdealActual擴散PN結二極管的凈原子濃度分布PN結二極管的截面圖DiffusedLayer

MetalOxideSiO2N

二極管的核心就是PN結，因此二極管的工作原理就是PN結的變化過程。PN結最本質的性質就是電子濃度在N區(qū)高，在P區(qū)低，很自然電子就有通過擴散從N區(qū)流向P區(qū)的趨勢，這種必然性就導致N區(qū)將失去電子。由于施主原子一開始是電中性的，因此在N區(qū)靠近結的附近將會出現(xiàn)正電荷。如圖所示，上面的圖示意性地表示出由于施主原子離子化產生的固定的正電荷以及自由電子電荷，P區(qū)的情況相反，其中每一個受主原子有一個固定的負電荷，還有自由空穴。下圖是電子濃度和空穴濃度隨距離的變化曲線。二極管是如何工作的?－－－－－－－－－－－－－－－