合工大初試1第一章：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1

PhysicsofSemiconductorDevices半導(dǎo)體器件物理主要講授內(nèi)容1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2、PN結(jié)3、雙極結(jié)型晶體管4、金屬-半導(dǎo)體結(jié)5、JFET和金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管6、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管課程要求掌握半導(dǎo)體器件的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用學(xué)習(xí)分析各類半導(dǎo)體器件的方法提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力（器件設(shè)計(jì)）要求平時(shí)成績(jī)30%期末考試

70％ReferencesS.M.Sze,PhysicsofSemiconductorDevices,2ndEd,Wiley,1981Y.Taur&T.K.Ning,FundamentalsofModernVLSIDevices,CambridgeUniv.Press,1998M.Shur,IntroductiontoElectronicDevices,JohnWiley,1996RobertF.Pierret,AdvancedSemiconductorFundamentals,2ndEd,PrenticeHall,2002劉樹(shù)林，半導(dǎo)體器件物理，電子工業(yè)出版社，2005曹培棟，微電子技術(shù)基礎(chǔ)—雙級(jí)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理，電子工業(yè)出版社，2001陳星弼，唐茂成，晶體管原理與設(shè)計(jì)，成都電訊工程學(xué)院出版社，1987張屏英，周佑謨，晶體管原理，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985半導(dǎo)體器件物理

作者：孟慶巨劉海波

出版社：科學(xué)出版社

出版日期：2005-6-2

ISBN：7030139518

版次：第1版晶體管原理與設(shè)計(jì)(第2版)

作者：陳星弼//張慶中

出版社：電子工業(yè)

第1版第2次印刷

ISBN：7121022680

出版日期：2006-02-01半導(dǎo)體器件電子學(xué)（英文版）

作者：（美）沃納，格朗著出版社：電子工業(yè)出版社

ISBN：7505379623

印次：1

出版日期：2002-9-1

版次：1

半導(dǎo)體器件電子學(xué)——國(guó)外電子與通信教材系列

作者：（美）沃納，（美）格朗著，呂長(zhǎng)志等譯出版社：電子工業(yè)出版社

ISBN：7121008823

印次：1

出版日期：2005-2-1

字?jǐn)?shù)：1069000

版次：1

PhysicsofSemiconductorDevicesbySimonM.SzeWiley-Interscience;2edition(September1981)

AdvancedSemiconductorFundamentals(2ndEdition)byRobertF.PierretPrenticeHall;2edition(August9,2002)課程網(wǎng)址

/2006/psd/10半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體中的電子和空穴半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體的類型及其摻雜半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)漂移和擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合遷移率、擴(kuò)散系數(shù)速度飽和半導(dǎo)體器件據(jù)統(tǒng)計(jì)：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個(gè)相關(guān)的變種（2000）所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：金屬－半導(dǎo)體接觸

pn結(jié)

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)量子阱前言：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間(電阻率)。半導(dǎo)體一些重要特性：1、電阻率具有溫度效應(yīng)；2、摻雜可改變電阻率；3、適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可改變導(dǎo)電能力；4、其導(dǎo)電能力隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)的作用而改變。概括的說(shuō)：半導(dǎo)體的特性受到溫度、光照、磁場(chǎng)、電場(chǎng)和微量雜質(zhì)含量的影響而改變導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體一半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

二晶體的晶向與晶面

三半導(dǎo)體中的缺陷1.1半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷固體：1、晶體：具有一定的外形、固定的熔點(diǎn)，更重要的是組成晶體的原子（或離子）在至少微米量級(jí)的較大范圍內(nèi)都是按一定的方式規(guī)則排列而成，稱為長(zhǎng)程有序。

單晶：?jiǎn)尉В饕怯稍樱ɑ螂x子）的一種規(guī)則排列。

元素半導(dǎo)體，如Ge、Si；化合物半導(dǎo)體，如GaAs

多晶：是由很多晶粒雜亂地堆積而成的。2、非晶態(tài)半導(dǎo)體：沒(méi)有規(guī)則的外形，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在長(zhǎng)程有序，只是在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列，稱為短程有序。如：非晶態(tài)硅，非晶態(tài)鍺等。一半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

Solids

Solidscanbeclassifiedascrystal,polycrystallineandamorphousCrystal

–threedimensionallongrangeorderofatoms.Polycrystalline

–mediumrangeorder,manysmallregionscalledgrains,eachhavingcrystallinestructure,joinedat“grainboundaries”whicharefullofdefects.Amorphous–nowelldefinedorder.二維情況下的示意圖非晶多晶單晶晶體結(jié)構(gòu)：許多重要的半導(dǎo)體，如Si、Ge，具有屬于四面相的金剛石或閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)：亦即每個(gè)原子被位于四面體頂角的四個(gè)等距緊鄰原子所包圍。兩個(gè)緊鄰原子之間的鍵由自旋相反的兩個(gè)電子形成。稱為共價(jià)晶體。圖1共價(jià)四面體共價(jià)鍵具有方向性和飽和性。共價(jià)鍵方向是四面體對(duì)稱的，即共價(jià)鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個(gè)頂角原子，共價(jià)鍵之間的夾角是109o28’，這種正四面體稱為共價(jià)四面體。圖2金剛石結(jié)構(gòu)晶胞（由四個(gè)共價(jià)鍵四面體所組成）正立方體的邊長(zhǎng)稱為－晶格常數(shù)a金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看成兩個(gè)面心立方沿空間對(duì)角線相互平移1/4對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成。面心立方二晶體的晶向與晶面晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的，整個(gè)晶體就像網(wǎng)格，稱為晶格，組成晶體的原子（或離子）的重心位置稱為格點(diǎn)，格點(diǎn)的總體稱為點(diǎn)陣。立方晶系的晶軸立方晶胞的三個(gè)垂直方向?yàn)槿齻€(gè)坐標(biāo)軸

Crystal

Lattice:Theperiodicarrangementofpointsinacrystal.

Basis:Theconstituentatomsattachedtoeachlattice

point.Everybasisisidenticalincomposition,

arrangement,andorientation.

Crystal=Lattice+BasisR=ma+nb+pca:latticeconstant晶格基元

CrystalThelatticesisdefinedbythreefundamentaltranslationvectors基矢Unitcell:Latticecanbeconstructedbyrepeatedlyarrangingunitcell.UnitCell晶胞PrimitiveCell:Aunitcelliscalledasprimitiveunitcellifthereisnocellofsmallervolumethatcanserveasabuildingblockforcrystalstructure.PrimitiveCell原胞立方晶系四角晶系斜方晶體斜方晶體三角晶系六角晶系斜方晶系單斜晶系三斜晶系三斜晶系1.晶向概念：通過(guò)晶格中任意兩點(diǎn)可以作一條直線，而且通過(guò)其他格點(diǎn)還可以作出很多條與它彼此平行的直線，晶格中的所有格點(diǎn)全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列。晶列的取向稱為晶向。兩種不同的晶列晶向的表示從一個(gè)格點(diǎn)沿某個(gè)晶向到另一個(gè)格點(diǎn)P作位移矢量若三個(gè)系數(shù)不是互質(zhì)的，則通過(guò)：化為互質(zhì)整數(shù)[mnp]－稱為晶列指數(shù)，用來(lái)表示晶向。相反晶向同類晶向記為<mnp>,如：<100>就代表了6個(gè)同類晶向：<111>代表了立方晶胞所有空間對(duì)角線的8個(gè)晶向。<110>表示立方晶胞所有12個(gè)面對(duì)角線的晶向。2.晶面概念：晶格所有格點(diǎn)也可以看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族。晶面族取某一晶面與三晶軸的截距，將截距倒數(shù)的互質(zhì)數(shù)h，k，l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記為（hkl），并用來(lái)表示某一晶面。晶面的截距同類晶面用{hkl}表示。如果晶面和某個(gè)晶軸平行，則截距為，相應(yīng)的指數(shù)為零。MillerIndicesTheMillerindicesareobtainedusingthefollowingstepsFindtheinterceptsoftheplaneonthethreeCartesiancoordinateintermsofthelatticeconstant.Takethereciprocalsofthesenumbersandreducethemtothesmallestthreeintegershavingthesameradio.Enclosetheresultinparentheses(hkl)astheMillerindicesforasingleplane.MillerIndices12=4x+3yMillerindices[43]立方晶系中的一些常用晶向和晶面一個(gè)特點(diǎn)：立方晶系中，晶列指數(shù)和晶面指數(shù)相同的晶向和晶面之間是互相垂直的。如：[100]⊥(100),[110]⊥(110)等三缺陷實(shí)際半導(dǎo)體中存在各種缺陷，它們對(duì)半導(dǎo)體的物理、化學(xué)性質(zhì)起著顯著的甚至是決定性的作用。主要晶體缺陷有：點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷等。（1）弗侖克爾缺陷(FrenkelDefect)：原子脫離正常格點(diǎn)移到間隙位置，形成一個(gè)自間隙原子，同時(shí)在原來(lái)的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個(gè)空位．間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。

弗侖克爾缺陷1、點(diǎn)缺陷：（2）肖特基缺陷：原子脫離正常格點(diǎn)位置后可以不在晶體內(nèi)部形成間隙原子，而是占據(jù)晶體表面的一個(gè)正常位置，并在原來(lái)的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個(gè)空位。在晶體內(nèi)部只形成空位的熱缺陷稱為肖特基缺陷。一點(diǎn)說(shuō)明：它們依靠熱運(yùn)動(dòng)不斷產(chǎn)生和消失著，在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使缺陷具有一定的平衡濃度值。在Si，Ge中形成間隙原子一般需要較大的能量，所以肖脫基缺陷存在的可能性遠(yuǎn)比弗侖克爾缺陷大，因此Si，Ge中主要的點(diǎn)缺陷是空位。肖特基缺陷2、線缺陷，如位錯(cuò)；半導(dǎo)體單晶制備和器件生產(chǎn)的許多步驟都是在高溫下進(jìn)行，因此在晶體中產(chǎn)生一定的應(yīng)力。在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對(duì)于另一部分原子會(huì)沿某一晶面發(fā)生移動(dòng)。3、面缺陷，如晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò)等；其它缺陷：體缺陷，如包裹體、夾雜物、第二相團(tuán)等；微缺陷，加漩渦缺陷，其幾何尺寸為微米或亞微米級(jí)．FromSandtoWaferQuartziteCoalMGSCarbonmonoxidepurificationMGShrydrochlorideTCShydrogenTCShydrogenhrydrochlorideEGSGrowthTechniquesReductionofquartzitetometallurgicalgradesilicon(MGS)withapurityof~98%.ConversionofMGStotrichlorosilane(SiHCl3).PurificationofSiHCl3bydistillation.Chemicalvapordeposition(CVD)ofSifromthepurifiedSiHCl3,asEGS.1.2半導(dǎo)體的能帶與雜質(zhì)能級(jí)純凈的、不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一定溫度下，共價(jià)鍵上的電子可以獲得能量掙脫共價(jià)鍵的束縛從而脫離共價(jià)鍵，成為參與共有化運(yùn)動(dòng)的“自由”電子。共價(jià)鍵上的電子脫離共價(jià)鍵的束縛所需要的最低能量就是禁帶寬度：Eg。本征激發(fā)：將共價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子，也就是價(jià)帶電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子的過(guò)程，成為本征激發(fā)。其特征是：成對(duì)的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴都參與導(dǎo)電，將電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。一半導(dǎo)體的能帶T＝0K的半導(dǎo)體能帶如下圖所示，這時(shí)半導(dǎo)體中電子的最高填充帶（稱為價(jià)帶）是滿帶，而滿帶的上一能帶（稱為導(dǎo)帶）是空帶，所以半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或其他外界因素作用下，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底，使得導(dǎo)帶變?yōu)榘霛M帶，而價(jià)帶也成為半滿帶，這時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶中的電子都可以參與導(dǎo)電。半導(dǎo)體中真正對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的是那些導(dǎo)帶底部附近的電子和價(jià)帶頂部附近電子躍遷留下的空態(tài)（等效為空穴）。導(dǎo)帶價(jià)帶EgEc導(dǎo)帶底Ev價(jià)帶頂禁帶寬度二雜質(zhì)半導(dǎo)體1替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子的間隙位置上。替位式雜質(zhì)：取代晶格原子而位于格點(diǎn)上。晶胞內(nèi)存在的間隙2淺能級(jí)和淺能級(jí)雜質(zhì)N型半導(dǎo)體？施主雜質(zhì)？施主電離？P型半導(dǎo)體？受主雜質(zhì)？受主電離？掌握幾個(gè)概念：（1）在Si摻入V族元素磷（P），由于Si中每個(gè)Si原子的最近鄰有4個(gè)Si原子，當(dāng)5個(gè)價(jià)電子的磷原子取代Si原子而位于格點(diǎn)上時(shí)，磷原子5個(gè)價(jià)電子中的4個(gè)與周圍的4個(gè)Si原子組成4個(gè)共價(jià)鍵，還多出了一個(gè)價(jià)電子，磷原子所在處也多余一個(gè)正電荷，稱為“正離子磷中心”（2）由于以磷為代表的V族元素在Si中能夠釋放導(dǎo)電電子，稱V族元素為“施主雜質(zhì)”，電子脫離施主雜質(zhì)的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為“施主電離”（3）多余的這個(gè)電子雖然不受共價(jià)鍵的束縛，但被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運(yùn)動(dòng)，不過(guò)這種吸引要遠(yuǎn)弱于共價(jià)鍵，只需很小的能量ΔED

就可以使其掙脫束縛，稱為“電離”，形成能在整個(gè)晶體中“自由”運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電子。主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為“N型半導(dǎo)體”1、施主（1）在Si摻入III族元素硼（B），由于Si中每個(gè)Si原子的最近鄰有4個(gè)Si原子，當(dāng)3個(gè)價(jià)電子的硼原子取代Si原子而位于格點(diǎn)上時(shí)，硼原子必須從附近的Si原子共價(jià)鍵中奪取1個(gè)電子才能和4個(gè)Si原子組成4個(gè)共價(jià)鍵，這樣硼原子就多出了一個(gè)電子，形成“負(fù)電中心硼離子”（2）由于以硼為代表的III族元素在Si中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，稱III族元素為“受主雜質(zhì)”或“P型雜質(zhì)”，