中科大半導(dǎo)體器件課件第一章(PPT 99頁(yè))

1、2022/7/181第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1-1 晶體結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料1-2 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)1-3 平衡載流子濃度1-4 載流子輸運(yùn)現(xiàn)象1-5 非平衡載流子1-6 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)第1頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1821-1 晶體結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料晶格結(jié)構(gòu)密勒指數(shù)載流子的概念半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第2頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/183第3頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/184固體結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/185晶體結(jié)構(gòu)硅、鍺等半導(dǎo)體都屬于金剛石型結(jié)構(gòu)。III-V族化合物（如砷化鎵等）大多是屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似。 晶格常數(shù)是晶體的重要參數(shù)。aGe=0.5658nm,aSi=0.5431

2、nm第5頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/186常用半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu) Two intervening FCC cells offset by of the cubic diagonal from diamond structure and zincblende structure:第6頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/187倒格矢：基本參數(shù): a*, b*, c*(aa*=2, a b*=0, etc.)應(yīng)用：波矢k空間的布里淵區(qū)第7頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/188沿晶體的不同方向，晶體的機(jī)械、物理特性也是不相同的，這種情況稱(chēng)為晶體的各向異性。用密勒指數(shù)表示晶面。密勒指數(shù)（Miller indice

3、s)：表示晶面 （1）確定某一平面在直角坐標(biāo)系三個(gè)軸上的截點(diǎn)，并以晶格常數(shù)為單位測(cè)出相應(yīng)的截距； （2）取截距的倒數(shù)，然后約化為三個(gè)最小的整數(shù)，這就是密勒指數(shù)。晶體的各向異性第8頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/189密勒指數(shù)密勒指數(shù)4 3第9頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1810密勒指數(shù) (hkl): For a plane that intercepts the x-axis on the negative side of the origin.(100) hkl: For planes of equivalent symmetry.(100)(010)(001)(100)(010)(001) :

4、 For a full set of equivalent directions.100010001 100010001100 hkl: For a crystal direction第10頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1811價(jià)鍵每個(gè)原子有4個(gè)最近鄰原子以共價(jià)鍵結(jié)合，低溫時(shí)電子被束縛在各自的正四面體晶格內(nèi)，不參與導(dǎo)電。高溫時(shí)，熱振動(dòng)使共價(jià)鍵破裂，每打破一個(gè)鍵，就得到一個(gè)自由電子，留下一個(gè)空穴，即產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。 第11頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1812單晶硅第12頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1813半導(dǎo)體載流子：電子和空穴第13頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/18141-2 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)能

5、帶的概念 有效質(zhì)量的概念載流子的概念多能谷半導(dǎo)體態(tài)密度第14頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1815能帶的概念 電子的共有化運(yùn)動(dòng) 能帶的概念 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶直接帶隙半導(dǎo)體：電子從價(jià)帶向?qū)кS遷不需要改變晶體動(dòng)量的半導(dǎo)體，如GaAs。間接帶隙半導(dǎo)體：電子從價(jià)帶向?qū)кS遷要改變晶體動(dòng)量的半導(dǎo)體，如Si。 第15頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1816單電子近似單電子近似解法解為Bloch函數(shù):第16頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1817晶體是由大量的原子結(jié)合而成的，因此各個(gè)原子的電子軌道將有不同程度的交疊。電子不再局限于某個(gè)原子，而可能轉(zhuǎn)移到其他原子上去，使電子可能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。晶體中電子的

6、這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電子的共有化。由于晶格是勢(shì)場(chǎng)的周期性函數(shù)，我們有 式中V（x）為周期性勢(shì)場(chǎng)，s為整數(shù)，a為晶格常數(shù)。勢(shì)場(chǎng)的周期與晶格周期相同。晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)其振幅隨x作周期性變化，其變化周期與晶格周期相同，這反映了電子不再局限于某個(gè)原子，而是以一個(gè)被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播?；痉匠虨檠Χㄖ@方程：第17頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1818電子由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子去,因而電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。 第18頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1819固體的量子理論認(rèn)為，當(dāng)原子凝聚成固體時(shí)，由于原子間的相互作用，相應(yīng)于孤立原子的每個(gè)能級(jí)加寬成間隔極?。?zhǔn)連續(xù)）的分立能級(jí)所組成的能

7、帶，能帶之間隔著寬的禁帶。能帶之間的間隔不允許電子具有的能量。金剛石結(jié)構(gòu)的晶體形成的能帶圖如下。n個(gè)原子組成晶體，原子間相互作用，n重簡(jiǎn)并能級(jí)分裂，n個(gè)連續(xù)的分離但挨的很近的能級(jí)形成能帶。第19頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1820不同材料的能帶圖 (a)絕緣體 (b)半導(dǎo)體 (c)導(dǎo)體第20頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1821能帶溫度效應(yīng)SiGaAs實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度的升高而減小，禁帶寬度與溫度的關(guān)系有下面經(jīng)驗(yàn)公式：第21頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1822直接帶隙半導(dǎo)體Direct Semiconductor例如： GaAs, InP, GaN, ZnO.第22頁(yè)，共

8、99頁(yè)。2022/7/1823間接帶隙半導(dǎo)體Indirect Semiconductor:例如: Ge, Si.第23頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1824有效質(zhì)量的概念 晶體中電子行徑與自由電子在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近非常相似。可以證明，對(duì)于一般輸運(yùn)過(guò)程中，可以把電子看成具有動(dòng)量 ，能量 的有效帶電粒子，其中mn為有效質(zhì)量。 第24頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1825Principle of Semiconductor Devices 有效質(zhì)量的引入對(duì)半導(dǎo)體而言,重要的是導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近的電子狀態(tài).一維情況下,導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂?shù)腅k關(guān)系為拋物線近似 -能帶極值附近的電子有效質(zhì)量. 第25頁(yè)，共99

9、頁(yè)。2022/7/1826Principle of Semiconductor Devices第26頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1827Principle of Semiconductor Devices 電子的速度和加速度根據(jù)量子力學(xué)，電子的運(yùn)動(dòng)可以看作波包的運(yùn)動(dòng)，波包的群速就是電子運(yùn)動(dòng)的平均速度（波包中心的運(yùn)動(dòng)速度）。設(shè)波包有許多頻率相近的波組成，則波包的群速為：根據(jù)波粒二象性，頻率為的波，其粒子的能量為h ，所以速度-在準(zhǔn)經(jīng)典近似下, 電子的速度即為波包中心的運(yùn)動(dòng)速度(群速度). 第27頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1828Principle of Semiconductor Device

10、s加速度-在外力(例如電場(chǎng)力)作用下,電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化 -晶體中電子的準(zhǔn)動(dòng)量.第28頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1829Principle of Semiconductor Devices 關(guān)于有效質(zhì)量的幾點(diǎn)說(shuō)明 有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體中內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用.引入有效質(zhì)量后,帶頂、帶底的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以表達(dá)為類(lèi)似自由電子的形式。 有效質(zhì)量可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得。 由有效質(zhì)量看內(nèi)部勢(shì)場(chǎng): 有效質(zhì)量的大小與共有化運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān),反映了晶體中的勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子束縛作用的大小.(能帶極值處有不同的曲率半徑) 能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大（內(nèi)層電子的有效質(zhì)量大）；能帶越寬，二次微商越大；有效質(zhì)量越小（外層

11、電子的有效質(zhì)量?。?有效質(zhì)量的正負(fù)與位置有關(guān),反映了概括內(nèi)部周期勢(shì)場(chǎng)的內(nèi)部作用后的有效質(zhì)量。第29頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1830Principle of Semiconductor Devices帶底,帶頂 附近: (一維情況)能量在帶底,帶頂 附近,Ek為拋物線關(guān)系.有效質(zhì)量為定值有效質(zhì)量 導(dǎo)帶底有效質(zhì)量0 價(jià)帶頂有效質(zhì)量ni,pn)同樣，對(duì)p型半導(dǎo)體中電子的壽命第84頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1885體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合 載流子復(fù)合時(shí)，一定要釋放多余的能量。放出能量的方法有三種：a.發(fā)射光子（常稱(chēng)為發(fā)光復(fù)合或輻射復(fù)合，直接光躍遷的逆過(guò)程）b.發(fā)射聲子（將多余的能量傳給晶格，加強(qiáng)晶格

12、的振動(dòng)）c.將能量給予其它載流子，增加他們的動(dòng)能（稱(chēng)為俄歇復(fù)合（Auger),碰撞電離的逆過(guò)程) 俄歇復(fù)合：在重?fù)诫s半導(dǎo)體中，俄歇復(fù)合是主要的復(fù)合機(jī)制。 表面復(fù)合：由于晶體原子的周期排列在表面中止，在表面區(qū)引入了大量的局域能態(tài)或產(chǎn)生復(fù)合中心，這些能態(tài)可以大大增加表面區(qū)域的復(fù)合率。與間接復(fù)合類(lèi)似，是通過(guò)表面復(fù)合中心進(jìn)行的，對(duì)半導(dǎo)體器件的特性有很大的影響。 第85頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1886Auger復(fù)合第86頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1887表面復(fù)合小注入表面復(fù)合速度小注入表面復(fù)合率第87頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1888連續(xù)性方程和泊松方程連續(xù)性方程：在半導(dǎo)體材料中同時(shí)存在載流子的

13、漂移、擴(kuò)散、復(fù)合和產(chǎn)生時(shí)，描述這些作用的總體效應(yīng)的基本方程。連續(xù)性方程基于粒子數(shù)守恒，即單位體積內(nèi)電子增加的速率等于凈流入的速率和凈產(chǎn)生率之和。 第88頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1889小注入下少子的一維連續(xù)性方程： 其中，np為p型半導(dǎo)體中的電子濃度，pn為n型半導(dǎo)體中的電子濃度。 第89頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1890泊松方程： 式中，S為半導(dǎo)體的介電常數(shù) 稱(chēng)為空間電荷密度 第90頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1891 討論：原則上，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，方程存在唯一解，但是由于復(fù)雜，要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和物理近似，在三種重要情況下可以求解這組連續(xù)性方程。 （1）穩(wěn)態(tài)單邊注入（2）表面少數(shù)載

14、流子（3）海恩斯肖克萊實(shí)驗(yàn) （HaynesShockley ）第91頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1892（1）穩(wěn)態(tài)單邊注入半無(wú)限長(zhǎng)邊界條件:擴(kuò)散長(zhǎng)度有限長(zhǎng)邊界條件:第92頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1893在xW處，過(guò)剩的少數(shù)載流子全部抽出，方程的解為： 則 xW處的電流密度方程可由擴(kuò)散電流表達(dá)式給出：第93頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1894（2）表面少子注入邊界條件：一端存在表面復(fù)合，從半導(dǎo)體內(nèi)流向表面的空穴電流密度為qUs。表面復(fù)合使得表面處的載流子濃度降低，存在空穴濃度梯度，產(chǎn)生擴(kuò)散電流，其值就等于表面復(fù)合電流。穩(wěn)態(tài)時(shí)可得連續(xù)性方程。 第94頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1895（3）Haynes-Shockley實(shí)驗(yàn)局部光脈沖在半導(dǎo)體樣品中產(chǎn)生過(guò)剩載流子，連續(xù)性方程如下:加外場(chǎng)時(shí)：第95頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1896Haynes-Shockley 實(shí)驗(yàn)：最早演示了少數(shù)載流子漂移和擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)裝置 第96頁(yè)，共99頁(yè)。2022/7/1897非穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)效應(yīng)大尺寸器件和低頻器件：穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)方程 深亞微米器件：出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，如產(chǎn)生載流子速度過(guò)沖。速度過(guò)沖：在電場(chǎng)對(duì)于載流子的加速時(shí)間小于能量弛豫時(shí)間的尺度內(nèi)，漂移速度將隨時(shí)間變化。Si和GaAs中電子在時(shí)間階梯電場(chǎng)作用下漂移速度隨時(shí)間的變化，在加上電場(chǎng)后0.1ps時(shí)