半導體物理與器件物理課件

半導體物理與器件物理

SemiconductorPhysicsandDevicePhysics2019.4半導體物理與器件物理

SemiconductorPhysi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），DonaldA.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版主要教材:Part1:半導體物理學Part2:半導體器件物理學OutlinePart1:半導體物理學Outline半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1: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(gòu)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）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〕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(shù)080804電力電子與電力傳動080805電力理論與新技術(shù)0809電子科學與技術(shù)（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(shù)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(shù)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(shù)（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(jié)構(gòu)081203計算機應用技術(shù)工學（08）0808電氣工程0810信息與通信工程微電子學研究領(lǐng)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(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導體概要微電子學研究領(lǐng)域半導體物理、材料、工藝微電子學發(fā)展的特點向高固體材料：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固體材料：絕緣體、半導體、導體（其它：半金屬，超導體）半導體物理與器件物理ppt課件緒論：微電子、IC的發(fā)展歷史早期歷史發(fā)展緒論：微電子、IC的發(fā)展歷史早期歷史發(fā)展半導體物理與器件物理ppt課件ENIAC（1946）ENIAC（1946）半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件SolutionsNew,new,new…wegottofindsomethingnew…SolutionsNew,new,new…wegotMoore’slaw10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002019存儲器容量60%/年

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預測

半導體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番Moore’slaw10G197019801990200

1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2019芯片上的晶體管數(shù)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:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,0001.E+9’70’74’78’82’8微處理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2019PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro微處理器的性能100G1970 1980 1990 200集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)按此比率下降，小汽車價格不到1美分集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)按此比率下降，小汽車價半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件等比例縮小(Scaling-down)定律1974;Dennard;基本指導思想是：保持MOS器件內(nèi)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(shù)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等比例縮小(Scaling-down)定律1974;Den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(shù)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，而且采用CV律會使溝道內(nèi)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?倍恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律)準恒定電場等比例縮小規(guī)則半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件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(chǎn)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(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)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(shù)的三個發(fā)展方向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、第一個關(guān)鍵技術(shù)：微細加工目前0.25m、0.18m、0.13m、0.11m、90nm等已相繼開始進入大生產(chǎn)90nm以下到45nm關(guān)鍵技術(shù)和大生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)完成開發(fā)，具備大生產(chǎn)的條件，有的已經(jīng)投產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)等在45nm以下？極限在哪里？22nm?Intel,IBM…10nm?Atomiclevel?A、微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小第一個關(guān)鍵技術(shù)：微細加工A、微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮?。⊿olidstateTechnologyOct.,2019）第二個關(guān)鍵技術(shù)：互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用；但在0.13um后，銅互連與低介電常數(shù)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)互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小第二個關(guān)鍵技術(shù)：互連技術(shù)第三個關(guān)鍵技術(shù)新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系高K介質(zhì)金屬柵電極低K介質(zhì)SOI材料第三個關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)重摻雜多晶硅SiO2

硅化物

經(jīng)驗關(guān)系:LToxXj1/3柵介質(zhì)的限制傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)重摻雜多晶硅SiO2隨著tgate

的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)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~3to2nm柵介質(zhì)的限制隨著tgate的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵柵氧化柵介質(zhì)的限制

等效柵介質(zhì)層的總厚度：

Tox>1nm+t柵介質(zhì)層

Tox

t多晶硅耗盡

t柵介質(zhì)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(zhì)層的總厚度無法小于1nm柵介質(zhì)的限制等效柵介質(zhì)層的總厚度：Tox>隧穿效應SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質(zhì)?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?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L<50納米L源漏柵Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

柵介質(zhì)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(zhì)層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型?…...可靠性隧穿效應柵介質(zhì)層Tox量子隧穿模型?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜0.1mSub0.1m0.1mSub0.1m2030年后，半導體加工技術(shù)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2030年后，半導體加工技術(shù)走向成熟，類似于現(xiàn)在汽車工業(yè)和航SOCSystemOnAChipB、集成電路走向系統(tǒng)芯片SOCSystemOnAChipB、集成電路走向系統(tǒng)芯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(shù)水平的提高，IC規(guī)模越來越大，已可以在一個芯片上集成108~109個晶體管分立元件集成電路IC

系統(tǒng)芯片SystemOnAChip(簡稱SOC)將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上在需求牽引和技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的一場革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于IC設計與制造技術(shù)水平的提高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六十年代的集成電路設計微米級工藝VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設計PEL2MEMMathBusControllerIOGraphicsPCB集成工藝無關(guān)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八十年代的電子系統(tǒng)設計PEL2MEMMathBusContr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/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterface世紀之交的系統(tǒng)設計SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、SOC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(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設計緊密結(jié)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CPUCore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CPU之間的速度接近集成電路走向系統(tǒng)芯片SOC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(jié)構(gòu)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(shù)條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標采用界面綜合(InterfaceSynthesis)技術(shù)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(shù)目可以有數(shù)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與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC能夠綜合并全盤考慮整個SOC的三大支持技術(shù)軟硬件協(xié)同設計：Co-DesignIP技術(shù)界面綜合(InterfaceSynthesis)技術(shù)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(FunctionPartitionTheory)計算機通訊壓縮解壓縮加密與解密SOC的三大支持技術(shù)集成電路走向系統(tǒng)芯片1)軟硬件Co-D2)IP技術(shù)軟IP核：SoftIP(行為描述)固IP核：FirmIP(門級描述，網(wǎng)單)硬IP核：HardIP(版圖)通用模塊CMOSDRAM數(shù)?；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Yesterday’schipsaretoday’sreusableIPblocks，andcanbecombinedwithotherfunctions，likeVideo，Audio，Analog，andI/O，toformulatewhatwenowknowassystemonchip（SoC）。2)IP技術(shù)Yesterday’schipsaret半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展Chipless

設計與制作的分工 FablessFoundry 系統(tǒng)設計師介入IC設計IP設計與SoC的分工 Chipless

半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展Chipless設計IP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

IP的特點復用率高易于嵌入3）InterfaceSynthesisIP+GlueLogic(膠連邏輯)面向IP綜合的算法及其實現(xiàn)技術(shù)

SoC設計示意IP2IP3IP1GluelogicGluelogicGluelogic3）InterfaceSynthesisSoC設計C、MEMS技術(shù)和DNA芯片微電子技術(shù)與其它學科結(jié)合，誕生出一系列嶄新的學科和重大的經(jīng)濟增長點MEMS(微機電系統(tǒng))：微電子技術(shù)與機械、光學等領(lǐng)域結(jié)合DNA生物芯片：微電子技術(shù)與生物工程技術(shù)結(jié)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(shù)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，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(chǎn)品C、MEMS技術(shù)和DNA芯片微電子技術(shù)與其它學科結(jié)合，誕生出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(shù)儀器、植入式儀器信息和通訊光開關(guān)、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MEMS器件及應用汽車工業(yè)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(shù)X光鑄模+壓塑技術(shù)(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120-140億美元市場相關(guān)市場達1000億美元市場將迅速成長MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)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(shù)X光從廣義上講，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(shù)是一種多學科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)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

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(lǐng)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(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，并且目前正處在加速發(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(jīng)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MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事2）

DNA芯片微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)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(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)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(gòu)建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進行加工生產(chǎn)，是生命科學與技術(shù)科學相結(jié)合的產(chǎn)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(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片采用微電子加工技術(shù)，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(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)利用微電子技術(shù)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2）DNA芯片微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA(脫氧核糖

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(shù)傳輸信息處理信息輸出與數(shù)/模轉(zhuǎn)換信息存儲廣義上的系統(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、顯示張海霞“微納大世界”演講視頻張海霞“微納大世界”演講視頻半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1:半導體物理學半導體的純度和結(jié)構(gòu)純度極高，雜質(zhì)<1013cm-3結(jié)構(gòu)半導體的純度和結(jié)構(gòu)純度晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)半導體物理與器件物理ppt課件晶體結(jié)構(gòu)單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單胞注：（a）單胞無需是唯一的（b）單胞無需是基晶體結(jié)構(gòu)三維立方單胞

簡立方、體心立方、面立方BCCFCC晶體結(jié)構(gòu)三維立方單胞BCCFCC金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價鍵金剛石的晶胞金剛石也是一個a=b=c，α=β=γ＝90o的立方晶胞，晶胞除了頂點8×1/8=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6×1/2=3個C原子，除此晶胞內(nèi)部還有4個C原子，所以金剛石晶胞共有1＋3＋4＝8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(shù)為1/4個。金剛石的晶胞金剛石的晶胞金剛石的晶胞Graphite、C60MovieGraphite、C60Movie元素半導體：Si、Ge

金剛石晶體結(jié)構(gòu)元素半導體：Si、Ge金剛石晶體結(jié)構(gòu)例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求：（a）Si原子半徑（b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比解：（a）（b）例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求：解：（a）（b）化合物半導體:GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型VS閃鋅礦型化合物半導體:GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶金剛石結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)

-ZnS（閃鋅礦）;

-SiC;GaAs;AlP;InSb晶胞圖投影圖金剛石結(jié)構(gòu)（黑白原子同類）黑白原子不同類時，閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶胞圖閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)HCPmovieHCPmovieFCCvsHCPFCCvsHCP纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(jù)了1/2纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)

復式格子六方晶系S2-六方緊密堆積排列NaClMoviesNaClMoviesCO2,SiO2MoviesCO2,SiO2Movies原子的能級電子殼層不同子殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化運動原子的能級電子殼層+14電子的能級是量子化的n=3四個電子n=28個電子n=12個電子SiHSi原子的能級+14電子的能級是量子化的n=3n=2n=1SiHSi原子的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孤立原子的能級4個原子能級的原子能級的分裂原子能級分裂為能帶原子能級的分裂原子能級分裂為能帶能帶形成簡單示意EnergyBandanimation2.swfEnergyBandanimation1.swf能帶形成簡單示意EnergyBandanimationSemiconductor,InsulatorandConductorSemiconductor,InsulatorandCSi的能帶（價帶、導帶和帶隙〕Si的能帶（價帶、導帶和帶隙〕價帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶導帶：0K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(jié)構(gòu)導帶價帶Eg價帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶半導體的能帶結(jié)構(gòu)導半導體物理與器件物理ppt課件自由電子的運動微觀粒子具有波粒二象性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其解的形式布洛赫波函數(shù)半導體中電子的運動薛定諤方程及其解的形式布洛赫波函數(shù)導體、半導體、絕緣體的能帶固體材料的能帶圖導體、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、絕緣體和導體半導體的能帶本征激發(fā)半導體的能帶本征激發(fā)半導體中E（K）與K的關(guān)系在導帶底部，波數(shù)，附近值很小，將在附近泰勒展開

半導體中E（K）與K的關(guān)系在導帶底部，波數(shù)半導體中E（K）與K的關(guān)系令代入上式得半導體中E（K）與K的關(guān)系令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的差異自由電子的能量微觀粒子具有波粒二象性Recall對比晶體中半導體中電子的平均速度在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度u可表示為波包的群速度代入求導半導體中電子的平均速度在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度u可表示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的差異自由電子的速度微觀粒子具有波粒二象性Recall對比晶體中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半導體中電子在一強度為E的外加電場作用半導體中電子的加速度令即而經(jīng)典力學中牛頓運動定律:a=f/m0半導體中電子的加速度令有效質(zhì)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(nèi)部勢場的作用意義：有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)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(zhì)量可由試驗測定）有效質(zhì)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有效質(zhì)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(nèi)部原子、電子相互作用內(nèi)部勢場作用引入有效質(zhì)量外力f和電子的加速度相聯(lián)系有效質(zhì)量概括內(nèi)部勢場作用有效質(zhì)量m*的意義電子在外力受到外電場力內(nèi)部原子、內(nèi)部勢場作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）空穴只有非滿帶電子才可導電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(gòu)成空間，空間任一矢量代表波矢導帶底附近K空間等能面以、、為坐標軸構(gòu)成K空間等能面對應于某一值，有許多組不同的，這些組構(gòu)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K空間等能面對應于某一值，有許多組不同的硅的導帶結(jié)構(gòu)實際根據(jù)回旋共振結(jié)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(zhuǎn)橢球面2)根據(jù)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(zhuǎn)橢球等能面,電子主要分布在這些極值附近硅的導帶結(jié)構(gòu)實際根據(jù)回旋共振結(jié)果有:鍺的導帶結(jié)構(gòu)N型Ge的試驗結(jié)果：<111>方向共有8個方向圖為Ge導帶等能面示意圖鍺的導帶結(jié)構(gòu)N型Ge的試驗結(jié)果：<111>方向共有8個方向硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙間接帶隙硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙間接帶隙Si1-xGex混合晶體的能帶硅、鍺構(gòu)成的混合晶體寫為Si1-xGex，x稱為混晶比其禁帶寬度Eg隨x的變化如圖所示Si1-xGex混合晶體的能帶硅、鍺構(gòu)成的混合晶體寫為Si1砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)導帶極小值位于布里淵區(qū)中心k＝0處,等能面為球面,導帶底電子有效質(zhì)量為0.067mo

在<100>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(zhì)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(jié)構(gòu)與硅、鍺類似。室溫下禁帶寬度為1.424ev。

砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)導帶極小值位于布里淵區(qū)中心k＝0處,等能面關(guān)于本節(jié)的內(nèi)容要深刻地理解，必須具有如下知識：晶格學(Crystallography)近代物理(ModernPhysics)量子力學(QuantumPhysics)固體物理(SolidStatePhysics)甚至：高等量子力學，固體理論，等關(guān)于本節(jié)的內(nèi)容要深刻地理解，必須具有如下知識：半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1: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(zhì)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(zhì)）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）體缺陷（Microvoids）實際晶體與理想情況的偏離晶格原子是振動的極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時也嚴重影響半導體器件的質(zhì)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(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級，允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質(zhì)發(fā)生改變。與理想情況偏離的后果及原因極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)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級施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的電子受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)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受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空穴Ga或As在Si中摻雜Ga或As在Si中摻雜半導體的摻雜Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，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(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。雜質(zhì)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(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行模皇苤麟s質(zhì)向價帶提供空穴成為負電中心。半導體的摻雜Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。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(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價元素磷（P）、銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算：類氫模型淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。雜質(zhì)的補償作用半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）雜質(zhì)的高度補償（）雜質(zhì)的補償作用半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是N型雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)補償：半導體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質(zhì)補償。在制造半導體器件底過程中，通過采用雜質(zhì)補償?shù)追椒▉砀淖儼雽w某個區(qū)域底導電類型或電阻率。

高度補償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質(zhì)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(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導體器件。雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)補償：半導體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，它設半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，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(zhì)，且設半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且。P型半導體P型半導體設半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)：非ⅢⅤ族雜質(zhì)在Si、Ge的禁帶中產(chǎn)生的施主能級遠離導帶底，受主能級遠離價帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離深能級雜質(zhì)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(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。三、是能起到復合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細討論）。四、是深能級雜質(zhì)電離后以為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導電性能下降。深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)：非ⅢⅤ族雜質(zhì)在Si、Ge的禁帶中產(chǎn)生的化合物半導體中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)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）反位化合物半導體中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式§2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式四族元素硅在砷化鎵中會產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時主要起施主雜質(zhì)作用，當硅的濃度較高時，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。這種雙性行為可作如下解釋：因為在硅雜質(zhì)濃度較高時，硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)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(zhì)的作用，因而對于取代Ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。

§2.2.1雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式四族元素硅在砷化鎵中會點缺陷弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對出現(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(chǎn)生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是同時存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點缺陷弗倉克耳缺陷點缺陷替位原子（化合物半導體）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位錯施主情況半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1:半導體物理學熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產(chǎn)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。熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復合建立起一個態(tài)密度的概念能帶中能量附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。能帶中能量為無限小的能量間隔內(nèi)有個量子態(tài)，則狀態(tài)密度為E~E+dE態(tài)密度的概念能帶中能量附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。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(shù)能量在空間中所對應的體積前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)根據(jù)定義公式求得態(tài)密度態(tài)密度的計算狀態(tài)密度的計算空間中的量子態(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?？臻g中的量子態(tài)在空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為態(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）態(tài)密度（導帶底）（價帶頂）費米能級根據(jù)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)被一個電子占據(jù)的概率為稱為電子的費米分布函數(shù)空穴的費米分布函數(shù)？費米能級根據(jù)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)費米分布函數(shù)稱為費米能級或費米能量溫度導電類型雜質(zhì)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(shù)稱為費米能級或費米能量費米分布函數(shù)當時若，則若，則在熱力學溫度為0K時，費米能級可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)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(jù)或基本上是空的一個標志費米分布函數(shù)當時玻爾茲曼分布函數(shù)當時，由于，所以費米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù)當時，由于玻爾茲曼分布函數(shù)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù):導帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)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布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)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玻爾茲曼分布函數(shù)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù):導帶中電子分布可用電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(shù)，除以半導體體積，就得到了導帶中的電子濃度

ConsiderBoltzmannDistribution導帶中的電子濃度在導帶上的間有導帶中的電子濃度Let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(jié)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導帶中的電子濃度導帶寬度的典型值一般，載流子濃度乘積載流子濃度乘積熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定的溫度下，乘積是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減小；反之亦然載流子濃度乘積載流子濃度乘積本征半導體載流子濃度本征半導體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導體本征半導體載流子濃度本征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(zhì)半導體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，雜質(zhì)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(zhì)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(jù)不接受電子以施主能級為例，施主能級上的電子占據(jù)雜質(zhì)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以施雜質(zhì)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(zhì)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）雜質(zhì)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）雜質(zhì)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n和p的其他變換公式本征半導體時，

所以一般情況下（本征或雜質(zhì)半導體）中：用ni,Ei表示n和p的其他變換公式本征半導體時，費米能級對摻雜半導體，費米能級對摻雜半導體，費米能級接近室溫時(全電離)EF-Ei=kTln(ND/ni)費米能級接近室溫時(全電離)EF-Ei=kTln(ND/n練習練習半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1: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(chǎn)生和復合載流子輸運半導體中載流子的輸運有三種形式：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金屬導體外加電壓，電流強度為歐姆定律均勻?qū)w外加電壓，電場強度為電流密度為歐姆定律的微分形式歐姆定律均勻?qū)w外加電壓，電場強度為漂移電流漂移運動當外加電壓時，導體內(nèi)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（定向運動的速度稱為漂移速度）電流密度

漂移電流漂移運動電流密度漂移速度漂移速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半導體中的導電作用為電子導電和空穴導電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>>>>半導體的電導率和遷移率N型半導體>>>>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(某T下達到熱平衡）在無電場作用下，載流子永無停息地做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)生散射的原因載流子在半導體內(nèi)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(zhì)，晶格散射的原因載流子在半導體內(nèi)發(fā)生散射的根本原因是周期性勢場遭到電離雜質(zhì)的散射雜質(zhì)電離的帶電離子破壞了雜質(zhì)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(nèi)一個載流子受到散射的次數(shù)電離施主散射電離受主散射電離雜質(zhì)的散射雜質(zhì)電離的帶電離子破壞了雜質(zhì)附近的周期性勢場，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(shù)目不定，一個晶體中格波的總數(shù)取決于原胞中所含的原子數(shù)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有較大的改變，稱為非彈性散射晶格振動的散射格波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晶格振動的散射聲學波散射Quiz1、載流子的熱運動在半導體內(nèi)會構(gòu)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?。ǎ?、什么是散射?

Quiz1、載流子的熱運動在半導體內(nèi)會構(gòu)成電流。（自由時間與散射幾率的關(guān)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(shù)為，則在時間內(nèi)被散射的電子數(shù)為因此上式的解為則被散射的電子數(shù)為自由時間與散射幾率的關(guān)系N個電子以速度與的關(guān)系在時間內(nèi)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(guān)系在、與的關(guān)系平均漂移速度為、與的關(guān)系平均漂移速度為、與的關(guān)系N型半導體P型半導體本征半導體>>>>、與的關(guān)系N型半導體>>>>與及的關(guān)系電離雜質(zhì)散射聲學波散射光學波散射與及的關(guān)系電離雜質(zhì)散射與及的關(guān)系電離雜質(zhì)散射聲學波散射光學波散射與及的關(guān)系電離雜質(zhì)散射影響遷移率的因素與散射有關(guān)晶格散射電離雜質(zhì)散射影響遷移率的因素半導體物理與器件物理ppt課件N型半導體P型半導體本征半導體電阻率N型半導體電阻率與摻雜的關(guān)系N型半導體P型半導體與摻雜的關(guān)系N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(diào)地下降雜質(zhì)半導體（區(qū)別于金屬）與T的關(guān)系本征半導體（區(qū)別于金屬）與T的關(guān)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(guān)系；隨著外加電場的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，最終平均漂移速度達到一飽和值，不隨E變化。n-Ge: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*耿氏效應耿氏效應n-GaAs外加電場強度超過時，半導體內(nèi)的電流以的頻率發(fā)生振蕩*耿氏效應耿氏效應練習一、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(shù)目相同的為高純半導體。（）練習一、判斷練習二、填空1、半導體材料結(jié)構(gòu)可分為（）、（）、（），應用最為廣泛的是（）。2、金剛石型單胞的基礎結(jié)構(gòu)為（），金剛石型為（）對稱性，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為（）對稱性，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（）、（）、（）。練習二、填空練習5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（）和（），施主雜質(zhì)為（），受主雜質(zhì)為（）。6、施主雜質(zhì)向（）帶提供（）成為（）電中心；受主雜質(zhì)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5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（）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(zhì)量的原因及意義？4、的物理含義？5、費米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的最大區(qū)別？6、在外加電場E作用下，為什么半導體內(nèi)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。練習三、簡答半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1: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(jù)式（只受溫度T影響）Recall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（只受溫度T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（非平衡載流子）非平衡載流子的光注入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(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子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(shù)載流子濃度小的多過剩載流子和電中性平衡時過剩載流子電中小注入條件例：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(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多（2）非平衡少數(shù)載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)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）小注入條件例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，解：滿足小注入條件！非平衡載流子壽命假定光照產(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉，和將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)稱為壽命，也常稱為少數(shù)載流子壽命

單位時間內(nèi)非平衡載流子的復合概率非平衡載流子的復合率非平衡載流子壽命假定光照產(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉復合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(jīng)歷的時間；壽命越短，衰減越快復合n型材料中的空穴p當時，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)可通過準費米能級注：非平衡載流子越多，準費米能級偏離就越遠。在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數(shù)載流子的準費米能級偏離費米能級較大準費米能級注：非平衡載流子越多，準費米能級偏離就準費米能級注：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產(chǎn)生和復合產(chǎn)生載流子（電子和空穴）被創(chuàng)建的過程產(chǎn)生率（G）：單位時間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)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(nèi)復合掉的電子－空穴對數(shù)產(chǎn)生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影響電流產(chǎn)生和復合產(chǎn)生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(zhì)的半導體材料）復合直接復合間接復合Au產(chǎn)生直接產(chǎn)生R-G中心產(chǎn)生載流子產(chǎn)生與碰撞電離產(chǎn)生直接產(chǎn)生R-G中心產(chǎn)生Quiz1、一般情況下，滿足小注入條件的非平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(jīng)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？Quiz1、一般情況下，滿足小注入條件的非平衡載流子濃度比平陷阱效應當半導體處于非平衡態(tài)時，雜質(zhì)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(zhì)能級都具有陷阱效應具有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為陷阱；相應的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心雜質(zhì)能級與平衡時的費米能級重合時，最有利于陷阱作用陷阱效應當半導體處于非平衡態(tài)時，雜質(zhì)能級具有積累非平衡載流子擴散粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動擴散粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動擴散電流擴散電流總電流擴散+漂移總電流擴散+漂移擴散系數(shù)D和遷移率的關(guān)系考慮非均勻半導體擴散系數(shù)D和遷移率的關(guān)系考慮非均勻半導體愛因斯坦關(guān)系在平衡態(tài)時，凈電流為0愛因斯坦關(guān)系在平衡態(tài)時，凈電流為0連續(xù)性方程連續(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？(b)再摻雜的Na又是多少？()舉例摻雜濃度分別為(a)半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)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(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)Part1:半導體物理學半導體中的電子狀態(tài)Part1:半導體物理學PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)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AlloyedJunctions(合金結(jié))；DiffusedJunctions(擴散結(jié))；IonImplantation(離子注入)；EpitaxialGrowth(外延生長)PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的p-n結(jié)基本結(jié)構(gòu)p-n結(jié)基本結(jié)構(gòu)合金溫度降溫再結(jié)晶合金溫度降溫再結(jié)晶半導體物理與器件物理ppt課件擴散

擴散半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件半導體物理與器件物理ppt課件PN結(jié)的形成PN結(jié)Flash動畫演示.swfPN結(jié).swf剛接觸，擴散》漂移（達到動態(tài)平衡）擴散=漂移內(nèi)建電場漂移PN結(jié)的形成PN結(jié)Flash動畫演示.swfPN結(jié).swf剛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(Enerybanddiagram)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PN結(jié)中的能帶PN結(jié)中的能帶內(nèi)建電勢Vbi，或接觸電勢差(TheContactPotential)VD

平衡時內(nèi)建電勢Vbi，或接觸電勢差(TheContactPo內(nèi)建電勢內(nèi)建電場方向內(nèi)建電勢內(nèi)建電場方向內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬能帶內(nèi)建電勢電場電荷密度空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）能帶空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）PN結(jié)分類：按雜質(zhì)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(jié)（單邊突變結(jié)）:線性緩變結(jié):淺結(jié)、重摻雜（<1um）深結(jié)（>3um）或外延的PN結(jié)PN結(jié)分類：按雜質(zhì)分布下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易緩變結(jié)與突變結(jié)緩變結(jié)與突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度(Spacechargeregionwidth)突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度(Spacechargeregionwi載流子分布(

Carrierdistributions)載流子分布(Carrierdistributions)半導體物理與器件物理ppt課件VA0條件下的突變結(jié)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(cè)電壓為Vbi-VAVA0條件下的突變結(jié)外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，VA大于0時反偏PN結(jié)反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？反偏PN結(jié)反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？理想二極管PN結(jié)正偏時理想二極管PN結(jié)正偏時理想二極管PN結(jié)反偏時理想二極管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(jié)。體內(nèi)電中性區(qū)寬度遠大于擴散長度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應，載流子在PN結(jié)中一維流動?？臻g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(chǎn)生和復合。即不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)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(shù)載流子濃度遠小于半導體中的多數(shù)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(jié)電勢降決定，即由玻爾茲曼分布決定（Fermi分布的經(jīng)典近似適用）J-Vcharacteristicsofaidealp-njunction理想二極管的定量方程基本假設J-Vcharacterist準中性區(qū)載流子濃度準中性區(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)理想二極管方程求解過程SpacechargeregionNeutralregionDiffusionregionSpacechargeregionNeutralre這兩股電流之和就是正向偏置下流過p-n結(jié)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。這兩股電流之和就是正向偏置下流過p-n結(jié)的電流。P區(qū)空穴向n根據(jù)電流連續(xù)性原理，通過p-n結(jié)中任一截面的總電