半導(dǎo)體物理_第一章

1、半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件Semiconductor Physics and Devices中北大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系中北大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系張國(guó)軍張國(guó)軍E-mail: E-mail: Tel: 3920399 (O)Tel: 3920399 (O)(m)(m)本課程的講授內(nèi)容本課程的講授內(nèi)容 第一章第一章 固體的晶體結(jié)構(gòu)（固體的晶體結(jié)構(gòu)（2 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第三章第三章 固體量子理論初步固體量子理論初步 （6 6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第四章第四章 平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體（平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體（7 7學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第五章第五章 載流子輸運(yùn)與過剩載流子現(xiàn)

2、象（載流子輸運(yùn)與過剩載流子現(xiàn)象（7 7學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第六章第六章 半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子 （9 9學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第七章第七章 PNPN結(jié)結(jié) （4 4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第八章第八章 pnpn結(jié)二極管結(jié)二極管 （7 7學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第九章第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) （5 5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第十章第十章 雙極晶體管（雙極晶體管（1010學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第十一章第十一章 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ) （1010學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第十二章第十二章 小尺寸小尺寸MOSMOS器件物理（器件物理（5 5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）總計(jì)：總計(jì)：

3、7272學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 本課程的目標(biāo)本課程的目標(biāo) 通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將全面了解電子科學(xué)通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將全面了解電子科學(xué)與技術(shù)與微電子學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能、應(yīng)與技術(shù)與微電子學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能、應(yīng)用領(lǐng)域及研究熱點(diǎn)、學(xué)科方向與發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容，用領(lǐng)域及研究熱點(diǎn)、學(xué)科方向與發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容，為學(xué)生進(jìn)入相關(guān)研究領(lǐng)域或相關(guān)的交叉學(xué)科，打下為學(xué)生進(jìn)入相關(guān)研究領(lǐng)域或相關(guān)的交叉學(xué)科，打下一個(gè)初步的理論基礎(chǔ)。一個(gè)初步的理論基礎(chǔ)。 教材與參考書教材與參考書教材：教材：推薦教材為電子工業(yè)出版社出版的推薦教材為電子工業(yè)出版社出版的半導(dǎo)體物理與半導(dǎo)體物理與器件器件，作者，作者Donald A.Neamen

4、Donald A.Neamen。參考書：參考書：顧祖毅，田立林等顧祖毅，田立林等半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)， 電子工業(yè)出電子工業(yè)出版社，版社，19951995。劉恩科劉恩科 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)，西安交通大學(xué)出版社，西安交通大學(xué)出版社，20032003。 曹培棟曹培棟半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2003 2003 考核與記分方式考核與記分方式平時(shí)成績(jī)占2020，期末考試占8080。考試采用閉卷形式。 第一章固體的晶體結(jié)構(gòu)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1. 1. 了解半導(dǎo)體材料及其特點(diǎn)；了解半導(dǎo)體材料及其特點(diǎn)；2. 2. 認(rèn)識(shí)固體材料的三種主要結(jié)構(gòu)類型；認(rèn)識(shí)固體材料的三

5、種主要結(jié)構(gòu)類型；3. 3. 理解幾種基本的晶體結(jié)構(gòu)以及晶向、晶面的概念；理解幾種基本的晶體結(jié)構(gòu)以及晶向、晶面的概念；4. 4. 了解不同固體材料中原子價(jià)鍵的區(qū)別；了解不同固體材料中原子價(jià)鍵的區(qū)別；5. 5. 熟悉晶體材料中的主要缺陷與雜質(zhì)；熟悉晶體材料中的主要缺陷與雜質(zhì)；6. 6. 了解半導(dǎo)體單晶材料的主要生長(zhǎng)方法；了解半導(dǎo)體單晶材料的主要生長(zhǎng)方法；1.1 1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1. 1. 半導(dǎo)體材料的主要特征：半導(dǎo)體材料的主要特征：)(101036cm（1 1）電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間）電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間 （2 2）純凈半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大；）純凈半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨

6、溫度的升高而增大；（3 3）電導(dǎo)率隨摻雜或光照等外界因素的改變而發(fā)）電導(dǎo)率隨摻雜或光照等外界因素的改變而發(fā) 生很大程度的變化；生很大程度的變化；（4 4）具有霍爾效應(yīng)?；魻栂禂?shù)可正可負(fù)，金屬的只）具有霍爾效應(yīng)?；魻栂禂?shù)可正可負(fù)，金屬的只 能為負(fù)；能為負(fù)；（5 5）半導(dǎo)體金屬接觸或半導(dǎo)體）半導(dǎo)體金屬接觸或半導(dǎo)體pnpn結(jié)具有整流特結(jié)具有整流特 性。性。元素周期表中與半導(dǎo)體材料相關(guān)的部分元素：元素周期表中與半導(dǎo)體材料相關(guān)的部分元素：2. 2. 半導(dǎo)體材料的分類：半導(dǎo)體材料的分類：（1 1）元素半導(dǎo)體：完全由同一種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體）元素半導(dǎo)體：完全由同一種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，例如硅（材料，例如硅（

7、SiSi）、鍺（）、鍺（GeGe）等。）等。（2 2）化合物半導(dǎo)體：由兩種或兩種以上不同元素構(gòu)）化合物半導(dǎo)體：由兩種或兩種以上不同元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵（成的半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵（GaAsGaAs）、磷化銦）、磷化銦（InPInP）、碳化硅（）、碳化硅（SiCSiC）、鋁鎵砷（）、鋁鎵砷（AlGaAsAlGaAs）等。）等?；衔锇雽?dǎo)體材料又可進(jìn)一步劃分為：化合物半導(dǎo)體材料又可進(jìn)一步劃分為：二元化合物半導(dǎo)體材料：二元化合物半導(dǎo)體材料：GaAsGaAs，GaNGaN等；等；三元化合物半導(dǎo)體材料：三元化合物半導(dǎo)體材料：AlAlx xGaGa1-x1-xAsAs等；等；四元化合物半導(dǎo)體材

8、料：四元化合物半導(dǎo)體材料：InIn1-x1-xGaGax xAsAs1-y1-yP Py y等；等；維伽定律（維伽定律（Vegards LawVegards Law）：多元化合物半導(dǎo)體材）：多元化合物半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)、禁帶寬度等晶體特征參數(shù)與其摩爾料的晶格常數(shù)、禁帶寬度等晶體特征參數(shù)與其摩爾組分組分x x、y y之間成近似的線性關(guān)系。之間成近似的線性關(guān)系。 幾種不同類型的半導(dǎo)體材料幾種不同類型的半導(dǎo)體材料1.2 1.2 固體材料的三種主要結(jié)構(gòu)類型固體材料的三種主要結(jié)構(gòu)類型固體：處于凝固狀態(tài)下的物體，通常具有一定固體：處于凝固狀態(tài)下的物體，通常具有一定的形狀和體積。按其的形狀和體積。按其內(nèi)部

9、原子的排列情況內(nèi)部原子的排列情況可分可分為單晶，多晶和非晶三類。為單晶，多晶和非晶三類。（1 1）單晶單晶：長(zhǎng)程有序：長(zhǎng)程有序（整體有序，宏觀尺度，（整體有序，宏觀尺度，通常包含整塊晶體材料，通常包含整塊晶體材料，一般在毫米量級(jí)以上一般在毫米量級(jí)以上）；）；（2）多晶多晶：長(zhǎng)程無序，短程有：長(zhǎng)程無序，短程有序（團(tuán)體有序，成百上千個(gè)原序（團(tuán)體有序，成百上千個(gè)原子的尺度，子的尺度，每個(gè)晶粒的尺寸通每個(gè)晶粒的尺寸通常是在微米的量級(jí)常是在微米的量級(jí)）；）；（3）非晶非晶：基本無序：基本無序（局部有序，僅限于微觀（局部有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾個(gè)原子尺度，通常包含幾個(gè)原子或分子的尺度，即或分子的尺

10、度，即納米量納米量級(jí)級(jí)。1.3 1.3 晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)1.1.原胞、晶胞與基矢：原胞、晶胞與基矢：晶格（晶格（LatticeLattice）：晶體中原子的周期性排列形式，：晶體中原子的周期性排列形式，分為簡(jiǎn)單晶格和復(fù)式晶格兩大類。分為簡(jiǎn)單晶格和復(fù)式晶格兩大類。格點(diǎn)（格點(diǎn)（Lattice pointLattice point）：晶格中用來表示原子陣：晶格中用來表示原子陣列的點(diǎn)；列的點(diǎn)；原胞（原胞（Primitive cellPrimitive cell）：能夠不斷重復(fù)得到整：能夠不斷重復(fù)得到整個(gè)晶體的最小重復(fù)單元，通常未必能夠反映出整個(gè)晶體的最小重復(fù)單元，通常未必能夠反映出

11、整塊晶體所具有的對(duì)稱性；塊晶體所具有的對(duì)稱性；晶胞（晶胞（Unit cellUnit cell）：也稱為單胞，）：也稱為單胞，通常是以格點(diǎn)為通常是以格點(diǎn)為頂點(diǎn)、以三個(gè)獨(dú)立方向上的頂點(diǎn)、以三個(gè)獨(dú)立方向上的周期長(zhǎng)度周期長(zhǎng)度為邊長(zhǎng)所構(gòu)成的為邊長(zhǎng)所構(gòu)成的平行六面體。它是晶體中的一個(gè)小的單元，可以用來平行六面體。它是晶體中的一個(gè)小的單元，可以用來不斷重復(fù)，從而得到整個(gè)晶體，不斷重復(fù)，從而得到整個(gè)晶體，通常能夠反映出整塊通常能夠反映出整塊晶體所具有的對(duì)稱性；晶體所具有的對(duì)稱性；2. 2. 立方晶系立方晶系基本的晶體結(jié)構(gòu)：基本的晶體結(jié)構(gòu)：常見的三個(gè)基本的立方結(jié)構(gòu)及其晶格常數(shù)（立方體常見的三個(gè)基本的立方結(jié)構(gòu)及

12、其晶格常數(shù)（立方體的邊長(zhǎng)即為晶格常數(shù)）。的邊長(zhǎng)即為晶格常數(shù)）。（1 1）簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)（）簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)（SCSC）（2 2）體心立方結(jié)構(gòu)（）體心立方結(jié)構(gòu)（BCCBCC）（3 3）面心立方結(jié)構(gòu)（）面心立方結(jié)構(gòu)（FCCFCC）3. 3. 晶向、晶面與密勒指數(shù)：晶向、晶面與密勒指數(shù)：晶體的一個(gè)基本特點(diǎn)就是具有方向性。晶體的一個(gè)基本特點(diǎn)就是具有方向性。 假設(shè)假設(shè)a a、b b、c c是晶體的三個(gè)獨(dú)立的基矢，連接晶是晶體的三個(gè)獨(dú)立的基矢，連接晶體中任意兩個(gè)格點(diǎn)之間的矢量可以表示為：體中任意兩個(gè)格點(diǎn)之間的矢量可以表示為：r=la+mb+ncr=la+mb+nc 上式中上式中l(wèi) l、m m、n n為整數(shù)或分?jǐn)?shù)

13、，習(xí)慣上我們一般為整數(shù)或分?jǐn)?shù)，習(xí)慣上我們一般選取與選取與l l、m m、n n成比例的三個(gè)互質(zhì)整數(shù)成比例的三個(gè)互質(zhì)整數(shù)u u、v v、w w，并，并把它們放在把它們放在方括號(hào)內(nèi)方括號(hào)內(nèi)u v wu v w，用來表示，用來表示特定特定的晶的晶向。向。注意：注意：U V WU V W代表的等效晶向。代表的等效晶向。由晶體中的原子排列所構(gòu)成的平面稱為晶面。由晶體中的原子排列所構(gòu)成的平面稱為晶面。密勒指數(shù)（布拉伐格子）：密勒指數(shù)（布拉伐格子）：假設(shè)某個(gè)晶面與假設(shè)某個(gè)晶面與a a、b b、c c軸的截距分別為軸的截距分別為papa、qbqb、scsc，且，且p p、q q、s s為整數(shù)，習(xí)慣上我們一般選

14、取與為整數(shù)，習(xí)慣上我們一般選取與p p、q q、s s的倒數(shù)成比例的三個(gè)互質(zhì)的整數(shù)的倒數(shù)成比例的三個(gè)互質(zhì)的整數(shù)h h、k k、l l，即即并把它們放在并把它們放在圓括號(hào)內(nèi)圓括號(hào)內(nèi)( (h k lh k l) )，用來表示，用來表示特定晶特定晶面面的取向。通常把這組晶面指數(shù)稱為密勒指數(shù)。的取向。通常把這組晶面指數(shù)稱為密勒指數(shù)。注意：注意：h k lh k l代表為等效晶面。代表為等效晶面。4. 4. 金剛石結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)： 圖示為金剛石結(jié)構(gòu)，鍺、硅單晶材料均為金剛圖示為金剛石結(jié)構(gòu)，鍺、硅單晶材料均為金剛石結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)沿體對(duì)角線方向石結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)面心立

15、方結(jié)構(gòu)沿體對(duì)角線方向平移平移1/41/4對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)形成。對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)形成。晶體的結(jié)構(gòu)決定了晶體的性質(zhì)：晶體的結(jié)構(gòu)決定了晶體的性質(zhì)：解理面解理面為為111面，因?yàn)槊?，因?yàn)?11面雙層原子的面間距大，鍵的面雙層原子的面間距大，鍵的面密度小。面密度小。腐蝕速率腐蝕速率：111最慢，最慢，100次之，次之，110最快。最快。注意注意：任何兩個(gè)近鄰原子的連線都沿一個(gè)：任何兩個(gè)近鄰原子的連線都沿一個(gè)111方方 向。向。 處于四面體頂點(diǎn)兩個(gè)原子的連線都沿一個(gè)處于四面體頂點(diǎn)兩個(gè)原子的連線都沿一個(gè)110 方向。方向。 四面體不共頂點(diǎn)的兩個(gè)棱的中心連線都沿一個(gè)四面體不共頂點(diǎn)的兩個(gè)棱的中心連線都沿一個(gè) 100

16、方向。方向。圖示為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，砷化鎵等化合物單晶材料即為圖示為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，砷化鎵等化合物單晶材料即為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，它也是由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)形成。閃鋅礦結(jié)構(gòu)，它也是由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)形成。1.4 1.4 晶體中原子之間的價(jià)鍵晶體中原子之間的價(jià)鍵原子或分子結(jié)合形成晶體，最終達(dá)到平衡時(shí)系統(tǒng)的能量原子或分子結(jié)合形成晶體，最終達(dá)到平衡時(shí)系統(tǒng)的能量必須達(dá)到最低。必須達(dá)到最低。1. 1. 離子晶體：離子鍵（離子晶體：離子鍵（Ionic bondingIonic bonding），例如），例如NaClNaCl晶晶 體等；體等；2. 2. 共價(jià)晶體：共價(jià)鍵（共價(jià)晶體：共價(jià)鍵（Covalent bondin

17、gCovalent bonding），例如），例如 SiSi、GeGe以及以及GaAsGaAs晶體等；晶體等；3. 3. 金屬晶體：金屬鍵（金屬晶體：金屬鍵（Metallic bondingMetallic bonding），例如），例如 LiLi、NaNa、K K、BeBe、MgMg以及以及FeFe、CuCu、AuAu、AgAg等；等；4. 4. 分子晶體：范德華鍵（分子晶體：范德華鍵（Van der Waals Van der Waals bondingbonding），）， 例如惰性元素氖、氬、氪、氙等在低溫下則形成分例如惰性元素氖、氬、氪、氙等在低溫下則形成分 子晶體，子晶體，HFHF

18、分子之間在低溫下也通過范德華鍵形成分子之間在低溫下也通過范德華鍵形成 分子晶體（分子晶體（HFHF分子本身是通過離子鍵結(jié)合而成）。分子本身是通過離子鍵結(jié)合而成）。1.5 1.5 晶體中的缺陷與雜質(zhì)晶體中的缺陷與雜質(zhì)理想單晶材料中不含任何缺陷與雜質(zhì)，且晶體中的理想單晶材料中不含任何缺陷與雜質(zhì)，且晶體中的原子都處于晶格中的平衡位置，實(shí)際的晶體材料并原子都處于晶格中的平衡位置，實(shí)際的晶體材料并非如此理想和完美無缺，存在晶格的熱振動(dòng)。非如此理想和完美無缺，存在晶格的熱振動(dòng)。 晶體中的缺陷：晶體中的缺陷： （1 1）點(diǎn)缺陷：）點(diǎn)缺陷： (i)(i)空位；空位； (ii)(ii)間隙原子；間隙原子； (i

19、ii)(iii)弗蘭克爾缺陷；弗蘭克爾缺陷；線缺陷的二維示意圖線缺陷的二維示意圖（2 2）線缺陷：主要表現(xiàn)）線缺陷：主要表現(xiàn)為位錯(cuò)，可分為為位錯(cuò)，可分為 (i)(i)棱位錯(cuò)；棱位錯(cuò)； (ii)(ii)螺旋位錯(cuò)；螺旋位錯(cuò)；（3 3）面缺陷：）面缺陷：主要表現(xiàn)主要表現(xiàn)為層錯(cuò)。為層錯(cuò)。2. 2. 晶體中的雜質(zhì)：晶體中的雜質(zhì)： 為了改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性，有意在半導(dǎo)體材為了改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性，有意在半導(dǎo)體材料中引入一些雜質(zhì)，雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中也表現(xiàn)為一種料中引入一些雜質(zhì)，雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中也表現(xiàn)為一種晶格缺陷。分為：晶格缺陷。分為：（1 1）代位型雜質(zhì)（）代位型雜質(zhì)（substitutiona

20、l substitutional impuritiesimpurities）：）：（2 2）間隙型雜質(zhì)（）間隙型雜質(zhì)（interstitial interstitial impuritiesimpurities）：）：晶體中引入雜質(zhì)的方法稱為摻雜（晶體中引入雜質(zhì)的方法稱為摻雜（DopingDoping），摻雜的方），摻雜的方法可分為：法可分為：（1 1）高溫?cái)U(kuò)散摻雜（）高溫?cái)U(kuò)散摻雜（high temperature diffusionhigh temperature diffusion）（2 2）離子注入摻雜（）離子注入摻雜（Ion implantationIon implantation）；）；代位型雜質(zhì)示意圖代位型雜質(zhì)示意圖間隙型雜質(zhì)示意圖間隙型雜質(zhì)示意圖1.6 1.6 半導(dǎo)體單晶材料的生長(zhǎng)半導(dǎo)體單晶材料的生長(zhǎng) 硅單晶材料可以說是目前純度最高的一種材料，硅單晶材料可以說是目前純度最高的一種材料，其純度已達(dá)到百億分之一。生長(zhǎng)半導(dǎo)體單晶材料的其純度已達(dá)到百億分之一。生長(zhǎng)半導(dǎo)體單晶材料的方法主要有以下幾種：方法主要有以下幾種：1. 1. 熔體生長(zhǎng)法：又稱為切克勞斯基（熔體生長(zhǎng)法：又稱為切克勞斯基（CzochralskiCzochralski）生長(zhǎng)方法，或生長(zhǎng)方法，或CZCZ法。法。 先籽晶直拉，進(jìn)一步采用區(qū)熔再結(jié)晶方法提純：先籽晶直拉，進(jìn)一步采用區(qū)熔再結(jié)晶