(完整PPT)半導體物理與器件物理課件

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

2、Part 2: 半導體器件物理學Outline半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學固態(tài)電子學分支之一微電子學光電子學研究在固體（主要是半導體材料上構成的微小型化器件、電路及系統(tǒng)的電子學分支學科微電子學半導體概要在學科分類中，微電子學既可以屬于理學（071202 ），也可以屬于工學（080903 微電子學與固體電子學 ）工學 （08）0808 電氣工程080801 電機與電氣080802 電力系統(tǒng)及其自動化080803 高電壓與絕緣技術080804 電力電子與電力傳動0

3、80805 電力理論與新技術0809 電子科學與技術（注：可授予工學、理學學位）080901 物理電子學080902 電路與系統(tǒng)080903 微電子學與固體電子學080904 電磁場與微波技術0810 信息與通信工程081001 通信與信息系統(tǒng)081002 信號與信息處理0811 控制科學與工程081101 控制理論與控制工程081102 檢測技術與自動化裝置081103 系統(tǒng)工程081104 模式識別與智能系統(tǒng)081105 導航、制導與控制0812 計算機科學與技術（注：可授予工學、理學學位）081201 計算機軟件與理論081202 計算機系統(tǒng)結構081203 計算機應用技術 微電子學研究

4、領域半導體物理、材料、工藝半導體器件物理集成電路工藝集成電路設計和測試微系統(tǒng)，系統(tǒng)微電子學發(fā)展的特點向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性電路方向發(fā)展與其它學科互相滲透，形成新的學科領域： 光電集成、MEMS、生物芯片半導體概要固體材料：絕緣體、半導體、導體 （其它：半金屬，超導體）什么是半導體？半導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存儲器容量 60%/年 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預測半導體芯片上的晶體管數目每兩年翻兩番 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集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術按此比率下降，小汽車價格不到1美分等比例縮小(Scaling-down)定律1974; Dennard; 基本指導思想是：保持MOS器件內部電場不變：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，以增加跨導和減少負載電容，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準的改變會帶來很大的不便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，對其它參數進行等比例縮小按CV律縮小后對電路性能的提高遠不如CE律，而且

8、采用CV律會使溝道內的電場大大增強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，實際采用的最多隨器件尺寸進一步縮小，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實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、產量和性價比）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 、微電子技術與其它領

9、域相結合將產生新的產業(yè)和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影響功能和新興交叉增長點）硅微電子技術的三個發(fā)展方向第一個關鍵技術：微細加工目前0.25m、0.18 m 、0.13 m、 0.11 m、90nm等已相繼開始進入大生產90nm以下到45nm關鍵技術和大生產技術也已經完成開發(fā)，具備大生產的條件，有的已經投產當然仍有許多開發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開發(fā)，為EDA服務的器件模型模擬開發(fā)以及基于上述加工工藝的產品開發(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)縮小互連技術與器件特征尺寸的縮小（

10、Solid state Technology Oct.,2019）第二個關鍵技術：互連技術銅互連已在0.25/0.18um技術代中使用；但在0.13um后，銅互連與低介電常數絕緣材料共同使用；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)第三個關鍵技術新型器件結構新型材料體系高K介質金屬柵電極低K介質SOI材料 傳統(tǒng)的柵結構 重摻雜多晶硅SiO2 硅化物 經驗關系: LTox Xj1/3柵介質的限制隨著 tgate 的縮小，柵泄漏電流呈指數性增長超薄柵氧化層柵氧化層的勢壘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柵介質的限

11、制柵介質的限制 等效柵介質層的總厚度： Tox 1nm + t柵介質層 Tox t多晶硅耗盡 t柵介質層 t量子效應+ 由多晶硅耗盡效應引起的等效厚度 : t多晶硅耗盡 0.5nm 由量子效應引起的等效厚度: t量子效應 0.5nm 限制：等效柵介質層的總厚度無法小于1nm隧穿效應SiO2的性質柵介質層Tox1納米量子隧穿模型高K介質?雜質漲落器件溝道區(qū)中的雜質數僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結構?電子輸運的渡越時間碰撞時間介觀物理的輸運理論?溝道長度 L50納米L源漏柵Toxp 型硅n+n+多晶硅NMOSFET 柵介質層新一代小尺寸器件問題帶間隧穿反型層的量子化效應電源電壓1V時，柵介質層中電場

12、約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型? .可靠性0.1mSub 0.1m2030年后，半導體加工技術走向成熟，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、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求IC設計與制造技術水平的提高，IC規(guī)模越來越大，已可以在一個芯片上集成108109個晶體管分立元件集成電路 I C 系 統(tǒng) 芯 片System On A Chip(簡稱SOC)將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上在需求

13、牽引和技術推動的雙重作用下系統(tǒng)芯片(SOC)與集成電路(IC)的設計思想是不同的，它是微電子技術領域的一場革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片六十年代的集成電路設計微米級工藝基于晶體管級互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設計PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成 工藝無關系統(tǒng)亞微米級工藝依賴工藝基于標準單元互連主流CAD:門陣列 標準單元集成電路芯片世紀之交的系統(tǒng)設計SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞 微米級工藝基于IP復用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設計MEMORYCache/SRAM or even DRAMProcesso

14、rCoreDSP Processor CoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISA InterfaceGlueGluePCI InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceSOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能SOC必須采用從系統(tǒng)行為級開始自頂向下(Top-Down)地設計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可以使設計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系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標采用界面綜合(Interface Synthesis)技術和0.35m工藝設計系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0.25 0.18m工藝制作的IC所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能與采用常規(guī)IC方法設計的芯片相比，采用SOC完成同樣功能所需要的晶體管數目可以有數量級的降低集成電路走向系統(tǒng)芯片21世紀的微電子將是SOC的時代SOC的三大支持技術軟硬件協(xié)同設計：Co-DesignIP技術界面綜合(Interface Synth

16、esis)技術集成電路走向系統(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)計算機通訊壓縮解壓縮加密與解密2) IP技術軟IP核：Soft IP (行為描述)固IP核：Firm IP (門級描述，網單)硬IP核：Hard IP(版圖)通用模塊CMOS DRAM數?；旌希篋/A、A/D深亞微米電路優(yōu)化設計：在模型模擬的基礎上，對速度、功耗、可靠性等進行優(yōu)化設計最大工藝容差設計：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）。半導體產業(yè)的發(fā)展 Chipless 設計 與 制作 的分工 Fabless Foundry 系統(tǒng)設計師介入IC設計 IP設計 與 SoC 的分工 ChiplessIP的特點 復用率高 易于嵌入 實現(xiàn)優(yōu)化 芯片面積最小 運行速度最高 功率消耗最低 工藝容差最大3）Interface SynthesisIP + Glue Logic (膠連邏輯)面向IP綜合的算法及其實現(xiàn)技術 SoC 設計示

18、意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicC、MEMS技術和DNA芯片微電子技術與其它學科結合，誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點MEMS (微機電系統(tǒng)) ：微電子技術與機械、光學等領域結合DNA生物芯片：微電子技術與生物工程技術結合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，應用也非常有限，以軍事需求為主集成電路技術的進步，加快了計算機更新?lián)Q代的速度，對中央處理器（CPU）和隨機存貯器（RAM）的需求越來越大，反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面

19、，帶來了一場信息革命現(xiàn)階段的微系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限，還沒有出現(xiàn)類似的CPU和RAM這樣量大而廣的產品MEMS器件及應用汽車工業(yè)安全氣囊加速計、發(fā)動機壓力計、自動駕駛陀螺武器裝備制導、戰(zhàn)場偵察（化學、震動）、武器智能化生物醫(yī)學疾病診斷、藥物研究、微型手術儀器、植入式儀器信息和通訊光開關、波分復用器、集成化RF組件、打印噴頭娛樂消費類游戲棒、虛擬現(xiàn)時眼鏡、智能玩具大機器加工小機器，小機器加工微機器微機械用微電子加工技術X光鑄模+壓塑技術(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級加工國防、航空航天、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應用。2000年有120-140億美元市場 相

20、關市場達1000億美元市場將迅速成長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電系統(tǒng)MEMS技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子、機械、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等 MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景 微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具MEMS技術及其產品的增長速度非常之高，并且目前

21、正處在加速發(fā)展時期微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等已經制造出尖端直徑為5m的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等2） DNA芯片微電子與生物技術緊密結合的以DNA(脫氧核糖核酸)芯片等為代表的生物工程芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點 它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產，是生命科學與技術科學相結合的產物 具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。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，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達10萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉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利用微電子技術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、磁力等外界信號的采集各種傳感器執(zhí)行器、顯示器等信息輸入與模/數傳輸信息處理信息輸出與數/模轉換信息存儲廣義上的系統(tǒng)集成芯片張海霞“微納大世界”

23、演講視頻半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學半導體的純度和結構純度極高，雜質1013cm-3結構晶體結構具五次對稱軸定向長程有序但無重復周期的準晶體晶體結構晶體結構單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結構的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的晶體結構三維立方單胞 簡立方、 體心立方、 面立方BCCFCC金剛石晶體結構金剛石結構原子結合形式：共價鍵形成的晶體結構： 構成一個正四面體，具有 金 剛 石 晶 體 結 構金剛石的晶胞金剛石也是一個

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

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，閃鋅礦結構 -ZnS（閃鋅礦）; -SiC; GaAs; AlP; InSb 晶胞圖投影圖閃鋅礦晶體結構HCP movieFCC vs HCP纖鋅礦晶體結構復式格子六方晶系簡單六方格子P63mc空間群ao=0.382nm，co=0.625nmz = 2與纖鋅礦結構同類的晶體：BeO、ZnO、AlNS2-六方緊密堆積排列Zn2+填充在四面體空隙中，只占據了1/2NaCl MoviesCO2,SiO2 Movies原子的能級電子殼層不同子殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化運動+14電子的能級

26、是量子化的n=3四個電子n=28個電子n=12個電子SiHSi原子的能級原子能級的分裂孤立原子的能級 4個原子能級的分裂 原子能級的分裂原子能級分裂為能帶 能帶形成簡單示意Energy Band animation 2.swfEnergy Band animation 1.swfSemiconductor, Insulator and ConductorSi的能帶 （價帶、導帶和帶隙價帶：0 K條件下被電子填充的能量的能帶導帶：0 K條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構導 帶價 帶Eg自由電子的運動微觀粒子具有波粒二象性 半導體中電子的運動薛定諤方程及

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

28、頓運動定律 : a=f/m0有效質量m*的意義自由電子只受外力作用；半導體中的電子不僅受到外力的作用，同時還受半導體內部勢場的作用意義：有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律時更為簡便（有效質量可由試驗測定）有效質量m*的意義電子在外力作用下運動受到外電場力f的作用內部原子、電子相互作用內部勢場作用引入有效質量外力f和電子的加速度相聯(lián)系有效質量概括內部勢場作用空穴只有非滿帶電子才可導電導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子帶負電-q（導帶底），空穴帶正電+q（價帶頂）K空間等能面在k=0處為能帶極值導帶底附近價帶頂附近K空間等能面以 、 、 為坐標軸構成 空間， 空間

29、任一矢量代表波矢導帶底附近K空間等能面對應于某一 值，有許多組不同的 ，這些組構成一個封閉面，在著個面上能量值為一恒值，這個面稱為等能量面，簡稱等能面。理想情況下等能面為一球面硅的導帶結構實際根據回旋共振結果有:1) 導帶最小值不在k空間原點,在100方向上,即是沿100方向的旋轉橢球面2) 根據硅晶體立方對稱性的要求, 也必有同樣的能量在 方向上3) 如圖所示,共有六個旋轉橢球等能面,電子主要分布在這些極值附近鍺的導帶結構N型Ge的試驗結果：方向共有8個方向圖為Ge導帶等能面示意圖硅和鍺的能帶結構間接帶隙間接帶隙Si1-xGex混合晶體的能帶硅、鍺構成的混合晶體寫為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構導帶極小值位于布里淵區(qū)中心k0處,等能面為球面,導帶底電子有效質量為0.067mo 在方向布里淵區(qū)邊界還有一個導帶極小值，極值附近的曲線的曲率比較小,此處電子有效質量比較大,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。價帶結構與硅、鍺類似。室溫下禁帶寬度為1.424ev。 關于本節(jié)的內容要深刻地理解，必須具有如下知識： 晶格學(Crystallography) 近代物理(Modern Physics) 量子力學(Quantum Physics) 固體物理(Solid State Physics) 甚至：高等量子力學，固

31、體理論，等半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學實際晶體與理想情況的偏離晶格原子是振動的材料含雜質晶格中存在缺陷點缺陷（空位、間隙原子或替位式原子等雜質）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）體缺陷 （Microvoids）極微量的雜質和缺陷，會對半導體材料的物理性質和化學性質產生決定性的影響，同時也嚴重影響半導體器件的質量。1個B原子/ 個Si原子 在室溫下電導率提高 倍Si單晶位錯密度要求低于雜質和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了

32、能級，允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質發(fā)生改變。與理想情況偏離的后果及原因間隙式雜質、替位式雜質雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質稱為間隙式雜質。間隙式雜質原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068 nm）。雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，該雜質稱為替位式雜質。替位式雜質原子的大小和價電子殼層結構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。間隙式雜質、替位式雜質單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度施主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和As N型半導體As半導體的摻雜施主能

33、級受主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中的BP型半導體B半導體的摻雜受主能級Ga或As在Si中摻雜半導體的摻雜、族雜質在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價帶頂高 ，施主能級比導帶底低 ，均為淺能級，這兩種雜質稱為淺能級雜質。雜質處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當處于離化態(tài)時，施主雜質向導帶提供電子成為正電中心；受主雜質向價帶提供空穴成為負電中心。淺能級雜質淺能級雜質：電離能小的雜質稱為淺能級雜質。所謂淺能級，是指施主能級靠近導帶底，受主能級靠近價帶頂。室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜質幾乎可以可以

34、全部電離。五價元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質，三價元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質。淺能級雜質電離能的簡單計算：類氫模型雜質的補償作用半導體中同時存在施主和受主雜質時，半導體是N型還是P型由雜質的濃度差決定半導體中凈雜質濃度稱為有效雜質濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）雜質的高度補償（ ）雜質的補償作用雜質補償：半導體中存在施主雜質和受主雜質時，它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質補償。在制造半導體器件底過程中，通過采用雜質補償底方法來改變半導體某個區(qū)域底導電類型或電阻率。 高度補償：若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差不大或二者相等

35、，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質的高等補償。這種材料容易被誤認為高純度半導體，實際上含雜質很多，性能很差，一般不能用來制造半導體器件。 設半導體中同時存在施主和受主雜質，且 。N型半導體N型半導體設半導體中同時存在施主和受主雜質，且 。P型半導體P型半導體深能級雜質深能級雜質：非族雜質在Si、Ge的禁帶中產生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質電離能大，能夠產生多次電離深能級雜質的基本特點：一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；二、是一般會產生多重能級，甚至既產生施主能級也產生受主能級。三、是能起到復合中心作用，使少數載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。四、是深能級雜質電離

36、后以為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降?；衔锇雽w中的雜質能級雜質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 雜質在砷化鎵中的存在形式四族元素硅在砷化鎵中會產生雙性行為，即硅的濃度較低時主要起施主雜質作用，當硅的濃度較高時，一部分硅原子將起到受主雜質作用。這種雙性行為可作如下解釋： 因為在硅雜質濃度較高時，硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質的作用，因而對于取代族原子鎵的硅施主雜質起到補償作用，從而降低了有效施主雜質的濃度，電子濃度趨于飽和。 點缺陷弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對

37、出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子間隙原子和空位這兩種點缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是同時存在的。空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點缺陷替位原子（化合物半導體）位錯位錯是半導體中的一種線缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能。位錯施主情況 受主情況半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產生和載流子的復合建立起一個動態(tài)平衡，這時的載流子稱為熱平衡載流子。半導體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響，某一特定溫

38、度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。半導體的導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的量子態(tài)數。能帶中能量為 無限小的能量間隔內有 個量子態(tài)，則狀態(tài)密度 為EE+dE態(tài)密度的計算狀態(tài)密度的計算單位 空間的量子態(tài)數能量 在 空間中所對應的體積前兩者相乘得狀態(tài)數根據定義公式求得態(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 ，每個量子態(tài)最多只能容納一個電子。態(tài)密度導帶底附近狀態(tài)密度（理想情況即等能面為球面）態(tài)密度（導帶底）（價帶頂）費米能級根據量子統(tǒng)計理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費米統(tǒng)計規(guī)律對于能量為E的一個量子態(tài)被一

39、個電子占據的概率 為 稱為電子的費米分布函數空穴的費米分布函數？費米分布函數 稱為費米能級或費米能量溫度導電類型雜質含量能量零點的選取處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級費米分布函數當 時若 ，則若 ，則在熱力學溫度為0 K時，費米能級 可看成量子態(tài)是否被電子占據的一個界限 當 時若 ，則若 ，則若 ，則費米能級是量子態(tài)基本上被 電子占據或基本上是空的一 個標志玻爾茲曼分布函數當 時，由于 ，所以費米分布函數轉化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數玻爾茲曼分布函數空穴的玻爾茲曼分布函數:導帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數描寫（絕大多數電子分布在導帶底）；價帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分

40、布函數描寫（絕大多數空穴分布在價帶頂）服從費米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)費米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制導帶中的電子濃度在導帶上的 間有 個電子從導帶底到導帶頂對 進行積分，得到能帶中的電子總數，除以半導體體積，就得到了導帶中的電子濃度 Consider Boltzmann Distribution導帶中的電子濃度Let導帶中的電子濃度導帶寬度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，積分上限改為 并不影響結果。由此可得導帶中電子濃度為價帶中的空穴濃度p0同理得價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、的非簡并半導體中，在一定的溫度下，乘積 是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減??；反之亦然本征半導體載流子濃度本征半導體無任何雜質和缺陷的半導體本征半導體中的費米能級:本征費米能級本征半導體中的載流子濃度:本征載流子濃度既適用于本征半導體，也適用于非簡并的雜質半導體雜質半導體載流子濃度一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子雜質能級只能是下面兩種情況之一被一個有任一自旋方向的電子占據不接受電子以施主能級為例，施主能級上的電子占據雜質半導體載流子濃度施主能級上的電子濃度（沒電離的施主濃度）電離施主濃度雜質半導體載流子濃度電離受主濃度類似地，受主能級上的電子濃度（沒電離的受主濃度）n和p的其他變換

42、公式本征半導體時， 所以一般情況下（本征或雜質半導體）中：用 ni , Ei表示費米能級對摻雜半導體，費米能級接近室溫時(全電離)EF-Ei=kT ln(ND/ni)練習半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學載流子輸運半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產生和復合歐姆定律金屬導體外加電壓 ，電流強度為電流密度為歐姆定律均勻導體外加電壓 ，電場強度為電流密度為歐姆定律的微分形式漂移電流漂移運動當外加電壓時，導體內部的自由電子受到電場力的作用而沿電場的反方向作定向運動（

43、定向運動的速度稱為漂移速度）電流密度 漂移速度漂移速度 半導體的電導率和遷移率半導體中的導電作用為電子導電和空穴導電的總和 當電場強度不大時，滿足 ，故可得半導體中電導率為半導體的電導率和遷移率N型半導體P型半導體本征半導體熱運動(某T下達到熱平衡）在無電場作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運動，稱為熱運動晶體中的碰撞和散射引起凈速度為0，凈電流為0平均自由時間為：熱運動當有外電場作用時，載流子既受電場力的作用，同時不斷發(fā)生散射載流子在外電場的作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因此電流密度是恒定的散射的原因載流子在半導體內發(fā)生散射的根本原因是周期性勢場遭到破壞附加勢場 使得能帶中的

44、電子在不同 狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。主要散射機制：電離雜質，晶格電離雜質的散射雜質電離的帶電離子破壞了雜質附近的周期性勢場，它就是使載流子散射的附加勢場散射概率Pi代表單位時間內一個載流子受到散射的次數電離施主散射電離受主散射晶格振動的散射格波形成原子振動的基本波動格波波矢 對應于某一q值的格波數目不定，一個晶體中格波的總數取決于原胞中所含的原子數Si、Ge半導體的原胞含有兩個原子，對應于每一個q就有六個不同的格波，頻率低的三個格波稱為聲學波，頻率高的三個為光學波長聲學波（聲波）振動在散射前后電子能量基本不變，稱為彈性散射；光學波振動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的散射聲學波散射在能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波在長聲學波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會引起能帶的波形變化聲學波散射概率光學波散射在低溫時不起作用，隨著溫度的升高，光學波的散射概率迅速增大Quiz1、載流子的熱運動在半導體內會構成電流。（ ） 2、在半導體中，載流子的三種輸運方式為（ ）、 （ ）和（ ）。 3、載流子在外電場的作用下是（ ）和（ ）兩種運動的疊加，因此電流密度大?。?）。4、什么是散射? 自由時間 與散射幾率 的關系N個電子以速度 沿某方向運動，在 時刻未遭到散射的電子數為 ，則在 時間內被散射的電子數為因此上式的解

46、為則 被散射的電子數為 與 的關系在 時間內被散射的所有電子的自由時間為 ，這些電子自由時間的總和為 ，則 個電子的平均自由時間可表示為 、 與 的關系平均漂移速度為 、 與 的關系N型半導體P型半導體本征半導體 與 及 的關系電離雜質散射聲學波散射光學波散射 與 及 的關系電離雜質散射聲學波散射光學波散射影響遷移率的因素與散射有關晶格散射電離雜質散射N型半導體P型半導體本征半導體電阻率 與摻雜的關系N型半導體P型半導體本征半導體本征半導體電阻率隨溫度增加而單調地下降雜質半導體（區(qū)別于金屬） 與T的關系速度飽和在低電場作用下，載流子在半導體中的平均漂移速度v與外加電場強度E呈線性關系；隨著外加

47、電場的不斷增大，兩者呈非線性關系，最終平均漂移速度達到一飽和值，不隨E變化。n-Ge:*耿氏效應耿氏效應n-GaAs外加電場強度超過 時，半導體內的電流以 的頻率發(fā)生振蕩練習一、判斷1、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動最顯著。 （ ）2、不同的k值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標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、半導體中兩種載流子數目相同的為高純半導體。 （ ）練習二、填空1、半導體材料結構可分為（ ）、（ ）、（ ），應用最為廣泛的是（ ）。2、金剛石型單胞的基礎結構為（ ），金剛石型為（ ）對稱性，閃鋅礦型結構為（ ）對

48、稱性，纖鋅礦型為（ ）對稱性。3、導帶和價帶間間隙稱為（ ），Si的禁帶寬度為（ ），Ge為（ ），GaAs為（ ）。4、固體按其導電性可分為（ ）、（ ）、（ ）。練習5、雜質總共可分為兩大類（ ）和（ ），施主雜質為（ ），受主雜質為（ ）。6、施主雜質向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心；受主雜質向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心。7 、熱平衡時，能級E處的空穴濃度為（ ）。8 、在半導體中，載流子的三種輸運方式為（ ）、 （ ）和（ ）。練習三、簡答1、單胞的概念及兩大注意點？2、三種立方單胞的名稱？3、引入有效質量的原因及意義？4、 的物理含義？5、費米分布函數與玻耳茲曼分布函數的

49、最大區(qū)別？ 6、在外加電場E作用下，為什么半導體內載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。7、在室溫下，熱平衡時，Si半導體中 ， ，求半導體中的電子和空穴濃度。半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學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并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據式（只受溫度T影響）Recall由于受外界因素如光、電的作用，半導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剩載流子，也稱為非平衡載流子過剩載流子（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米狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布且公式不成立載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子過剩載流子和電中性平衡時 過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的多數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，非平衡少數載流子濃度還是可以比平衡少數載流子濃度大的多（2）非平衡少數載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數載流子(非平衡多子一般遠小于平衡多子濃度，所以一般不起作用）非平衡載流子壽命假定

51、光照產生 和 ，如果光突然關閉， 和 將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數稱為壽命 ，也常稱為少數載流子壽命 單位時間內非平衡載流子的復合概率 非平衡載流子的復合率復合n型材料中的空穴p當 時， ，故壽命 標志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經歷的時間；壽命越短，衰減越快費米能級熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中有統(tǒng)一的費米能級統(tǒng)一的費米能級是熱平衡狀態(tài)的標志準費米能級當半導體的熱平衡狀態(tài)被打破時，新的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷實現(xiàn)，但導帶和價帶間的熱躍遷較稀少導帶和價帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導帶費米能級和價帶費米能級，稱其為“準費米能級”準費米能級注： 非平衡載流子越多，準費米能級偏離 就越

52、遠。 在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數載流子的準費米能級偏離費米能級較大準費米能級注： 兩種載流子的準費米能級偏離的情況反映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度產生和復合產生載流子（電子和空穴）被創(chuàng)建的過程產生率（G）：單位時間單位體積內所產生的電子空穴對數復合載流子（電子和空穴）消失的過程復合率（R）：單位時間單位體積內復合掉的電子空穴對數產生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影響電流復合直接復合 間接復合 Auger復合（禁帶寬度小的半導體材料）（窄禁帶半導體及高溫情況下）（具有深能級雜質的半導體材料）產生直接產生 R-G中心產生 載流子產生 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、壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的（ ）所經歷的時間。3、簡述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的p型半導體中， 和 哪個距 近？為什么？陷阱效應當半導體處于非平衡態(tài)時，雜質能級具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應所有雜質能級都具有陷阱效應具有顯著陷阱效應的雜質能級稱為陷阱；相應的雜質和缺陷稱為陷阱中心雜質能級與平衡時的費米能級重合時，最有利于陷阱作用擴散粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動擴散電流總電流擴散+漂移擴散系數D和遷移率的關系考慮非均勻半導體愛因斯坦關系在平衡態(tài)時，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？( ) 半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結構Part 1: 半導體物理學PN結雜質分布PN結是同一塊半導體晶體內P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結是各種半導體器件的基礎，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程Alloyed Junctions (合金結)；Diffused Junctions (擴散結)； Ion Implantation (離子注入)；Epitaxial Growth (外延生長)p-n結基本結構合金溫度降溫再結晶擴 散 PN結的形成PN結

55、Flash動畫演示.swfPN結.swf剛接觸，擴散漂移（達到動態(tài)平衡）擴散=漂移內建電場漂移EFn高于EFp表明兩種半導體中的電子填充能帶的水平不同。能帶圖 (Enery band diagram)PN結中的能帶內建電勢Vbi，或接觸電勢差 (The Contact Potential) VD 平衡時內建電勢內建電場方向內建電勢PN結的內建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度能帶內建電勢電場電荷密度空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）PN結分類：按雜質分布下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進行物理分析 突變結 （單邊突變結）: 線性緩變結:淺結、重摻雜（3um） 或外延的PN結緩變結與

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

57、生和復合。即不考慮空間電荷區(qū)的產生-復合作用(無源或漏）。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渡區(qū)上。小注入:注入的少數載流子濃度遠小于半導體中的多數載流子濃度。在注入時，擴散區(qū)的漂移電場可忽略。載流子邊界濃度由結電勢降決定，即由玻爾茲曼分布決定（Fermi分布的經典近似適用）J-V characteristics of a ideal p-n junction準中性區(qū)載流子濃度理想二極管方程求解過程準中性區(qū)少子擴散方程求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p-n結的電流。P區(qū)空穴向n區(qū)擴散空穴擴散電流n區(qū)電子向P區(qū)擴散電子擴散電流。 根據電流連續(xù)性原理，通過p-n結中任一截面的總電流是相等的，只是對于不同的截面，電子電流和空穴電流的比例有所不同而已。考慮-xp截面：忽略了勢壘區(qū)載流子的產生和復合：準費米能級正偏時少子分布（上）及電流的分布（下）N區(qū)P區(qū)正向偏置時，半導體內的載流子濃度分布加正向偏置V后，結電壓為（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Vr與內建電場方向一致擴散漂移(2) 反向偏置 （Reverse bias）VD增大為（VD+V

59、r），相應地勢壘區(qū)加寬 勢壘區(qū)兩側邊界上的少數載流子被強電場掃過勢壘區(qū)。使邊界處的少子濃度低于體內。產生了少子的擴散運動，形成了反向擴散電流。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；負號表示反向電流方向與正向電流方向相反。Jr與反向電壓Vr無關，是因為當反向電壓V的絕對值足夠大時，邊界上的少子濃度為零。p-n結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結的伏-安特性（3）J-V characteristics of a p-n junction 單向導電性-整流Ge、Si、GaAs：0.3、 0.7、1

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