第二章 集成電路的半導體器件

第二章集成電路的半導體器件

半導體的特性電子、空穴的狀態(tài)半導體器件是構成各種電子電路最基本的元件

二極管三極管MOS場效應晶體管集成電路（IC）是導體、半導體和絕緣體的有機組合體。但半導體在IC制造中起到根本性的作用。半導體是構成當代微電子的基礎材料。

指通過一系列特定的加工工藝，將多個晶體管、等有源器件和電阻、電容等無源器件，按一定的電路連接集成在一塊半導體單晶片或其他基底片上，作為一個不可分割的整體執(zhí)行某一特定功能的電路組件2.1半導體的特性2.2PN結和晶體管2.3雙極型晶體管2.4MOS場效應晶體管2.5集成電路的無源器件有源器件（器件工作時需要電源）導體：電阻率小于10-4Ω.cm，很容易導電，稱為導體.如銅、鋁、銀等金屬材料；絕緣體：電阻率大于1010Ω.cm，很難導電，稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；半導體：電阻率在10-3~109Ω.cm，導電能力介于導體和絕緣體之間，例如硅(Si)和鍺(Ge)等半導體材料；2.1半導體的特性

2.1.1半導體材料2.1.2半導體的晶體結構2.1.3半導體中的電子狀態(tài)2.1.4半導體的導電性2.1.1半導體材料半導體材料的構成元素(元素、化合物半導體）半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質硅作為集成電路半導體材料的主要原因：1.硅含量豐富（占地殼27%）；2.硅提純和結晶方便；3.硅的器件工作溫度高；4.SiO2膜的鈍化和掩模作用是器件的穩(wěn)定性以可靠性提高。2.1.2半導體的晶體結構1.金剛石型結構2.閃鋅礦型結構3.纖鋅礦型結構類型：

IV族元素C（金剛石）、Si、Ge、Sn(灰錫）的晶體。結合力：共價鍵力。特征：立方對稱晶胞。1.金剛石型結構（D）

2.

-ZnS（閃鋅礦）型結構（Z）類型：

III-V和II-VI族形成的化合物GaAs。結合力：共價鍵力部分離子鍵力成分。特征：立方對稱晶胞。3.

-ZnS（纖鋅礦）型結構（W）類型：

III-V和II-VI族形成的化合物GaN。結合力：共價鍵力部分離子鍵力成分。特征：六方對稱晶胞。半導體晶體結構IVSiGeDDIII-VGaNGaPGaAsGaSbWZZZII-VIZnSeZnTeCdSeZZZ一些重要半導體的晶體結構2.1.3半導體中的電子狀態(tài)

1能級與能帶+

原子的能級（電子殼層）++共有化運動：1能級與能帶2半導體中的電子與空穴3電子的有效質量+++++++原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動共有化運動——在晶體結構中，大量的原子按一定的周期有規(guī)則的排列在空間構成一定形式的晶格。如果原子是緊密堆積的，原子間間距很小。晶體中原子能級上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個原子轉移到相鄰的原子上去，結果電子可以在整個晶體中運動。電子共有化的原因：電子殼層有一定的交疊，相鄰原子最外層交疊最多，內殼層交疊較少。+N個原子逐漸靠近能帶（允帶）——固體中若有N個原子，每個原子內的電子有相同的分立的能級，當這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在，從而只能分裂成N個非常靠近的能級，因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。禁帶——允帶之間沒有能級的帶。

原子彼此接近時的能級圖并說明1.原子間距較大時，原子中的電子處于分立的能級；2.隨著原子間距變小，每個分立的能級分裂成N個彼此相隔小的能級，形成能帶；3.隨著原子間距變小,能級分裂首先從外殼層電子開始（高能級），內殼層電子只有原子非常接近時才發(fā)生能級分裂；4.內殼層電子處于低能級，電子共有化運動弱，分裂成的能級窄；外殼層電子處于高能級，共有化運動顯著，能級分裂的能帶很寬；5.能帶的寬度由晶體性質決定，與晶體大小（晶體包含的原子數N）無關，N越大，能帶中的能級數增加，但能帶寬度不會增加，只是能級的密集程度增加；6.能帶的交疊程度與原子間距有關，原子間越小，交疊程度越大；7.在平衡間距處，能帶沒有交疊。自由電子孤立原子中的電子晶體中的電子不受任何電荷作用（勢場為零）本身原子核及其他電子的作用嚴格周期性勢場（周期排列的原子核勢場及大量電子的平均勢場）單電子近似理論：為了研究晶體中電子的運動狀態(tài)，首先假定固體中的原子實固定不動，并按一定規(guī)律作周期性排列，然后進一步認為每個電子都是在固定的原子實周期勢場及其他電子的平均勢場中運動，這就把整個問題簡化成單電子問題。

2半導體中的電子與空穴電子具有波粒二象性，運動的電子看做物質波，就是電子波電子運動遵循電子的的波動方程——是薛定諤方程。定態(tài)薛定諤方程的一般式：動能勢能電子運動的波函數一維晶格

0E

E與k的關系能帶簡約布里淵區(qū)允帶允帶允帶允帶禁帶

0求解薛定諤方程：V(x)=V(x+na)其中：n=0n=1n=2

k的取值范圍都是（n=整數）

第一布里淵區(qū)：以原點為中心的第一能帶所處的k

值范圍。第二、第三能帶所處的k值范圍稱為第二、第三布里淵區(qū)，并以此類推。

有關能帶被占據情況的幾個名詞：價帶（滿帶）：填滿電子的最高允帶。導帶：價帶以上能量最低的允帶。導帶中的電子是自由的，在外電場作用下可以導電。

導體、半導體和絕緣體

它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。固體按導電性能的高低可以分為導體半導體絕緣體導體能帶結構

Eg價帶導帶價帶導帶價帶導帶導帶部分填滿沒有禁帶導帶價帶重疊導體在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。從能帶圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。E導體電子完全占滿價帶。導帶是空的。滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶熱能或外加電場，不足以使共有化電子從低能級（滿帶）躍遷到高能級導帶上去。所以不能形成電流。絕緣體能帶結構

Eg價帶導帶絕緣體

半導體半導體能帶結構

Eg價帶導帶T=0K，電子完全占滿價帶。導帶是空的。具有絕緣體的特征。禁帶寬度很窄，當外界條件變化時（如光照、溫度變化），價帶中的電子躍遷到導帶上去，同時在價帶中出現等量的空穴，在電場作用下電子和空穴都能參與導電。E(k)與k的關系是一種定性的關系，必須找到

E(k)函數才能找到定量關系。對半導體來說其作用的常常是能帶底部或能帶頂部的電子或空穴，因此只要找到能帶底部或能帶頂部（能帶極值附近）E(k)與k的關系簡約布里淵區(qū)1/2a01/2a3電子的有效質量將一維E(k)在k=0附近按泰勒級數展開E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+(1/2)(d2E/dk2)k=0k2

+···(dE/dk)k=0=0晶體中能帶底部和頂部E(k)與k的關系0kE假定E(0)：能帶底的能量對給定的晶體，(d2E/dk2)k=0是一個常數晶體能帶底部附近有：-----能帶底部電子的有效質量，大于零。0

kE

令

假定E(0)：能帶底的能量能帶底附近能帶頂部附近的E(k)與k的關系

-----能帶頂部電子的有效質量能帶頂電子有效質量小于零0

kE能帶頂附近

令

半導體中電子的運動規(guī)律不同于自由電子

——受到晶體內部周期勢場的影響（2）電子的平均速度：自由電子的平均速度：P=m0v晶體中的電子的平均速度：量子力學理論證明：晶體中作共有化運動的電子的平均速度不隨周期勢場起伏變化。只與波矢有關。（3）電子的加速度許多半導體都是在一定的外加電壓下工作，半導體內部產生電場。這是電子受到周期性勢場和外加電場的作用外加電場作用，外力對電子作功，電子所受外力與加速度的關系與牛頓第二運動定律類似，不同的是用電子有效質量代替慣性質量。電子的有效質量的意義：（1）晶體中的電子一方面受到外力的作用，另一方面，受到內部原子及其他電子的勢場作用。電子運動狀態(tài)的變化是半導體內部勢場和外力作用的綜合結果。（2）內部勢場計算困難。（3）引入有效質量可使問題簡單化，可以不涉及內部勢場的作用，直接把外力和加速度聯系起來，而有效質量概括了內部的勢場作用。（4）有效質量可以直接測定。能量、速度、有效質量與波矢的關系：正有效質量負有效質量m*nOk

OE-1/2a1/2aOV能帶底電子有效質量大于零能帶頂電子有效質量小于零內層電子共有化運動弱，能量窄，極值二級微商（曲線曲率|）小，有效質量大；外層電子的能帶寬，有效質量小，加速度大；不同材料，不同方向，有效質量不同

-1/a-1/2a01/2a1/akE允帶允帶允帶允帶（4）半導體中的空穴：

。滿帶電子不導電假設:電子填充的一維能帶(見圖)E=0:滿帶中均勻分布的量子都被電子所充填，是對稱的能量k圖。E≠0:各電子均受到相同的電場力，在電場力的作用下，電子開始加速運動。一個點子離開自己的位置，鄰近的電子開始填充的空位上，但由于是滿帶。

EE=0kEE≠

0kEE≠0k由于滿帶（