北京郵電大學微電子學基礎-微學晶體結構和電子狀態(tài)

第一部分 半導體物理第一、二章半導體的電子狀態(tài)和雜質缺陷能級第三章 載流子的平衡統(tǒng)計分布第四章 弱場下的載流子輸運第五章 過剩載流子和載流子的復合第六章 同質PN結第七章 表面電場效應與MOS物理第八章 金屬半導體接觸和異質結第一、二章

半導體的晶體結構和電子狀態(tài)

§1-1半導體的晶體結構

§1-2原子中電子的能級

§1-3晶體中電子的能帶

§1-4半導體中雜質和缺陷的能級§1-1半導體的晶體結構物質：氣態(tài)的、液態(tài)的或固態(tài)固體材料：按照結構形式分：晶體和非晶體按照導電能力分：導體、絕緣體和半導體半導體舉例：鍺、硅、砷化鎵一、晶體的結構；二、半導體的特點．一、晶體的結構晶體：在晶體中原子是按一定規(guī)律整齊地排列起來的。各向異性：根據晶體中原子排列的不同型式，晶體結晶的形狀也有對稱性不同的幾種形式，并在不同方向上表現出不同的特性，稱為各向異性。多晶：一般的晶體時常包含有許多小晶粒，每個小晶粒中的原子都按同一序列排列，但晶粒與晶粒之間的排列取向則是沒有規(guī)則的，這樣的晶體稱為多晶．銅、鐵等金屬。單晶：如果晶體本身只有一個晶粒，也就是說它體內的所有原子都是按同一序列排列起來的，這樣的晶體稱為單晶．硅單晶用來制造晶體管的硅、鍺材料大多是單晶。6三種常見的立方晶格結構晶格：晶體中的原子按一定的規(guī)律，周期地排列在空間，形成一個個格點，稱為晶格．不同的晶體有不同的晶格結構．立方晶體就是由這些基本結構重復排列而成。金剛石晶格結構半導體硅、鍺具有金剛石晶格結構．金剛石晶格：由兩個面心立方晶格，沿空間對角線錯開，1/4長度，互相套合而成．其每個原子有四個最鄰近的原子。晶向和晶面各向異性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期和疏密情況是不相同的．因此沿晶體的不同方向，晶體的機械、物理特性也是不相同的．這種情況稱為晶體的各向異性，晶向：<100><111>等符號來表征晶體的一定方向，這里括號中的三個數為晶向矢量在x、y、z三個坐標軸上的投影長度。晶面：與<100>晶向垂直的面稱為(100)晶面；例如：對金剛石結構來說，(100)晶面原子密度最小，(111)晶面原子密度最大，因此沿<100>與<111>方向，晶體有不同的特性．閃鋅礦結構和氯化鈉型結構III-V族化合物晶向和晶面-續(xù)1二、半導體的特性半導體的電阻率：10-3---109歐姆·厘米導體的電阻率小于10-3歐姆·厘米絕緣體的電阻率大于109歐姆·厘米導電能力：隨溫度升高而迅速增加．隨所含的微量雜質而發(fā)生十分顯著的變化。隨光照而發(fā)生顯著變化．隨電場、磁場等的作用而改變．常見的半導體材料常見的半導體材料：元素半導體硅(Si)、鍺(Ge)等，III-V族化合物半導體砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，金屬硫化物半導體硫化鉛(PbS)、硫化鎘(CdS)等，以及金屬氧化物半導體氧化亞銅(Cu2O)等．應用：晶體管和集成電路其他：熱敏器件、光敏器件、場效應器件、霍耳器件以及各種二極管、三極管、體效應管等，都是利用了半導體電性能容易受熱、光、電、磁等外界作用而改變的特點§1-1的小結

1．半導體常常是一些晶體．晶體中的原子按一定的周期有規(guī)則地排列在空間，構成一定形式的晶格．制造晶體管所用的硅、鍺單晶具有金剛石結構．沿晶體的不同方向，其機械、物理特性常常不同，稱為晶體的各向異性．2．半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間，特點是其電阻率容易隨熱、光、電、磁和雜質等外界作用而改變．許多半導體器件就是利用它的這些特性而制成的．3．半導體導電機構的特點，可以在能帶理論的基礎上得到解釋．§1-2原子中電子的能級硅的原子序數是14，其原子核有14個正電荷，而核外有14個電子；鍺的原子序數是32，其原子核帶有32個正電荷，而核外也有32個電子．電子繞核運動一、量子化原理一、量子化原理原子中的電子繞核運動時，它的能量只能取一系列不連續(xù)的特定值．氫原子中電子：m是電子的質量(m＝9.11×10-28克)，h稱為普朗克常數(h＝6.63X10-27爾格·秒)，q是電子電荷的數值(q＝4.8×10-10靜庫)，n稱為主量子數，可取1、2、3、……等正整數，1電子伏特為一個電子電荷、電位變化1伏特時所增加的能量．1電子伏特＝1.6×10-12爾格。氫原子的電子能級圖能級：氫原子中電子可取的一個能量特定值，稱為能級量子化：原子中電子的能量只能取一系列不連續(xù)的特定數值，通常把這一規(guī)律稱為電子能量的量子化．氫原子的電子能級圖二、分布幾率與“測不準”關系“測不準關系”三、不相容原理不相容原理：“在同一個能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子?！痹谝粋€具有多個電子的復雜原子中，這些電子不能同時都處在同一個能級中．對于原子的基態(tài)來說，它的電子必然首先填充能量最低的能級，而當能量低的能級已經填滿時，就按能量由小到大的次序，分別填滿其余的能級．§1-3晶體中電敏子的能帶一、晶體中錫價電子為的共有芳化運動1立方厘米乳的硅單晶杜中大約有6×1庸022個原子湖，因此材排在1厘米長度扇上的硅原引子數大約等有(5×應1022)1/3直≈4×1從07個，也就典是相鄰兩茫硅原子中薦心的距離政差不多只龜有3埃。晶體中價斤電子的共渡有化運動內層電存子的交符迭程度絨較少，販并且愈建是內層瘡，軌道管的交迭勸就愈少輛，電子冰的共有焦化程度怒就愈差萬．害因此，昌我們在償考慮晶屠體中電象子的共璃有化運轟動時，活主要考澇慮價電母子的共脈有化運煌動．二、能帶殼的形成能帶：鞠為了容摘納原來溜屬于N個單個原辮子的所有暗價電子，毯原來分屬證于N個單個抓原子的亡相同的勵價電子勉能級必懷須分裂僻成屬于震整個晶躲體的N個能量津稍有差欲別的能疤級，這稅些能級鐮互相靠痰得很近險，分布凍在一定圓的能量爸區(qū)域，舅通常就搜把這N個互相存靠得很葡近的能習級所占泥據的能底量區(qū)域絕稱為能物帶，二、能帶嗚的形成（牲續(xù)）對于確繡定晶體嚼的指定濾能帶，滋其寬窄圈是一定霧的，它缸由晶體巷性質確皮定，與暫晶體大鴨小(即晶體包冒含的原子頃數N)沒有關柿系，N增大，租能帶中裳能級數亞增加只梢能增加笛能帶中辛能級的晚密集程丙度，不吼改變能肆帶寬度織。內層電略子共有茄化程度建低，對賀應的能宣帶窄；鳳外層電永子共有巖化程度密高，對是應的能儲帶寬；能帶之爪間可能玩發(fā)生交泰疊。允帶和禁務帶電子填浮充能帶蠻遵守兩恒條原理原：1，泡利不薯相容原理姓，即不可食能有兩個欠電子處于側完全相同令的量子態(tài)捆。2，能量騰最小原認理，即示正常狀域態(tài)的電量子將處嚇于能量州最小的渾狀態(tài)。導體，共半導體蠢，絕緣溜體概念：登滿帶和捧空帶；綿導帶和臣價帶解釋：棵滿帶的恨電子不植導電導帶底EC和價帶頂EV價帶：價粘電子填充惡的能帶。導帶：價龍帶以上的惰能帶基本壟上是空盤的，其中霜最低 的近一個空帶錯為導帶。Ec：導帶底底的能聰量Ev：價帶禾頂的能穗量Eg：禁帶寬件度，即價姑帶頂和墾導帶結底之間的創(chuàng)能量間隔摘。Eg=Ec-鐮Ev*常溫下跑，硅的Eg＝1.1另20e六V；鍺的Eg＝0.67踢eV三、幾種辟能帶實例四，票晶體中社電子的逢能帶1、導帶電蘭子能夠導藍電2、滿帶余電子不偶能導電要在電子西原來熱運叫動的基礎緣瑞上再附加求定向運動榆的話，電嗓子的運動忠狀態(tài)必然兆要有改變佳．這個電嘉子應該要縮慧過渡到與狂新的運動掙狀態(tài)相應池的新能級努中去．要浩完成這一紋過渡除了榴需要有提疊供能量的泰外加作用痛之外，還針要有空的貴能級．由于沒有臘空的能級藥，電子增浮加能量的富躍遷無法殼完成，也姿就無法形無成電子的糖定向運動肥．3、本征側半導體芝的導電群機構把完全純敢凈的、結擴構完整的騾半導體稱剝?yōu)楸菊靼朐鈱w．電子從晶床格熱運動鞏吸收能量膚，從滿帶盯激發(fā)到導巡壽帶的過程寇稱為本征激滲發(fā)電子和空武穴結論：當納溫度大于0°K時，由凈于熱激珠發(fā)，本賤征半導滾體滿帶臨中的一采部分電亦子被激錢發(fā)到了敢導帶，狠同時，學在滿帶樣中也出查現了一談些空穴.本征半躺導體的賓導帶電陰子和滿內帶空穴退都能在壓外加電肉場的作尸用下產葵生定向償運動，戲形成電撫流，因遣此半導接體中的號導帶電膀子和價批帶空穴兇是半導傲體的兩援種載流續(xù)子．空穴的尊運動1-3小結：陰導帶和苗價帶等允帶和禁掠帶滿帶和空間帶導帶和價刮帶導帶底足和價帶眉頂禁帶簡化的能雁帶圖§1-怖4半導體觀中雜質峽和缺陷緞的能級本征半龜導體：弦純凈的萄，完美格晶體結普構的晶刺體硅、鍺返晶體中祖的雜質守能級缺陷和然位錯能薦級1，半導體中寇的雜質和歡缺陷雜質原子豆進入晶體摩后，若位戰(zhàn)于格點間顆的間隙位姨置，則稱砌之為填隙滋式雜質；若雜質原汪子取代了浪晶格原子跳位于格點摟處，則稱踐為替位式永雜質。半導體中房誠的缺陷點缺陷線缺陷盯，位錯面缺陷,層錯2，半導體仰中的雜質青能級和缺推陷能級雜質和缺辮陷，會引役入能級，御可能在禁獅帶中引入呈。由點缺陷青或位錯等湯缺陷引起帥，在禁帶喪中引入的火能級稱為缺陷能撥級。由雜質效原子引煙起，在短禁帶中芒引入的膊能級稱由為雜質能主級。3，施主濃雜質和局施主能殺級雜質原仰子的電深離過程施主雜質砌：一個V族原子炭摻入硅鑼中，可易以向硅門提供一允個自由娛電子，跑而本身曲成為帶百正電的納離子，搏通常稱倚這種雜恐質為施呀主雜質碼。施主能漿級(ED)主要依旨靠導帶巖電子導泡電的半清導體叫n型半導眼體。4，受主雜洪質和受主使能級空穴的達電離過悠程受主雜質猶：III族雜質閘原子在戶硅中能于夠接受姑電子產褲生導電江空穴，莊并成為印負電中遠心，這撒類雜質率原子稱倒為受主每雜質。主要依飯靠價帶慣中空穴谷導電的兼半導體帖稱為p型半導體幻玉。5，雜質證的補償半導體間內同時哭含有施候主雜質ND和受主雜至質NA時，施主盾和受主在直導電性能耐上有相互辯抵消的作枕用，通常鏡稱它為雜倆質的補償慚作用。經過補摘償后，跨半導體勞中的凈鐮雜質濃喚度稱為化有效雜嚴質濃度(ND-NA)。6，淺能級粉和深能級胞雜質淺能級深能級淺能級凍雜質深能級雜插質同一種雜棍質可以在汽禁代中引星入多個能洞級7，電子健的有效賠質量晶體中仇的電子航在綜合墾場中運侍動，電咬子的加外速度應直是半導傷體內部內勢場和捧外力作婚用的綜板合結果疑。經典力緒學描述疲自由電忌子：F=親m剃a晶體中的糖電子：F=稿(∑mn)a；(∑mn)代表了緊內部勢銷場的作舟用。Mn：電子有登效質量；Mp：空穴有櫻效質量內層電插子有效崗質量大閘；外層憐電子有削效質量運小，外攻力造成平的加速著度大。有效質內量可以晴為負值蠻。Mn，電子摘的有效搶質量∑F=F外場+F晶格