半导体物理与器件物理

SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体物理与器件物理SemiconductorPhysicsandDevicePhysics2011.4SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 主要教材: 《半导体物理学》，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业出版社，2008年11月第7版 《半导体器件物理与工艺》，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译，苏州大学出版社，2002年12月第1版 主要参考书： 《半导体物理与器件》（第三版），DonaldA.Neamen著，电子工业出版社 《现代半导体器件物理》，施敏，科学出版社，2001年 《集成电路器件电子学》，R.S.Muller,T.I.Kamins,M.Chan著，王燕等译，电子工业出版社，2004年第3版SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsOutline Part1:半导体物理学 Part2:半导体器件物理学SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科微电子学半导体概要在学科分类中，微电子学既可以属于理学（071202），也可以属于工学（080903微电子学与固体电子学）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics工学（08）0808电气工程080801电机与电气080802电力系统及其自动化080803高电压与绝缘技术080804电力电子与电力传动080805电力理论与新技术0809电子科学与技术（注：可授予工学、理学学位）080901物理电子学080902电路与系统080903微电子学与固体电子学080904电磁场与微波技术0810信息与通信工程081001通信与信息系统081002信号与信息处理0811控制科学与工程081101控制理论与控制工程081102检测技术与自动化装置081103系统工程081104模式识别与智能系统081105导航、制导与控制0812计算机科学与技术（注：可授予工学、理学学位）081201计算机软件与理论081202计算机系统结构081203计算机应用技术SemiconductorPhysicsandDevicePhysics微电子学研究领域 半导体物理、材料、工艺 半导体器件物理 集成电路工艺 集成电路设计和测试 微系统，系统微电子学发展的特点向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要SemiconductorPhysicsandDevicePhysics固体材料：绝缘体、半导体、导体（其它：半金属，超导体）什么是半导体？半导体及其基本特性SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics绪论：微电子、IC的发展历史早期历史发展SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsENIAC（1946）SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSolutionsNew,new,new…wegottofindsomethingnew…SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsMoore’slaw10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存储器容量60%/年每三年，翻两番1965，GordonMoore预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番SemiconductorPhysicsandDevicePhysics1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002芯片上的晶体管数目微处理器性能每三年翻两番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:7,500,000SemiconductorPhysicsandDevicePhysics微处理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 201080808086802868038680486PentiumPentiumProSemiconductorPhysicsandDevicePhysics集成电路技术是近50年来发展最快的技术按此比率下降，小汽车价格不到1美分SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics等比例缩小(Scaling-down)定律 1974;Dennard;基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数恒定电场定律的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 阈值电压不可能缩的太小 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 电源电压标准的改变会带来很大的不便SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 恒定电压等比例缩小规律(简称CV律) 保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小 按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强 CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。 准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律 CE律和CV律的折中，实际采用的最多 随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例 器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 参数 CE(恒场)律 CV(恒压)律 QCE(准恒场)律 器件尺寸L,W,tox等 1/( 1/( 1/( 电源电压 1/( 1 (/( 掺杂浓度 ( (2 (( 阈值电压 1/( 1 (/( 电流 1/( ( (2/( 负载电容 1/( 1/( 1/( 电场强度 1 ( ( 门延迟时间 1/( 1/(2 1/(( 功耗 1/(2 ( (3/(2 功耗密度 1 (3 (3 功耗延迟积 1/(3 1/( (2/(3 栅电容 ( ( ( 面积 1/(2 1/(2 1/(2 集成密度 (2 (2 (2SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics A、特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要影响集成度、产量和性价比） B、集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)（主要影响功能） C、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影响功能和新兴交叉增长点）硅微电子技术的三个发展方向SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsA、微电子器件的特征尺寸继续缩小 第一个关键技术：微细加工 目前0.25m、0.18m、0.13m、0.11m、90nm等已相继开始进入大生产 90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件，有的已经投产 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等 在45nm以下？极限在哪里？22nm?Intel,IBM… 10nm?Atomiclevel?SemiconductorPhysicsandDevicePhysics互连技术与器件特征尺寸的缩小（SolidstateTechnologyOct.,1998） 第二个关键技术：互连技术 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但在0.13um后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用；在更小的特征尺寸阶段，可靠性问题还有待继续研究开发SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 第三个关键技术 新型器件结构 新型材料体系 高K介质 金属栅电极 低K介质 SOI材料SemiconductorPhysicsandDevicePhysics传统的栅结构重掺杂多晶硅SiO2硅化物经验关系:LToxXj1/3栅介质的限制对栅介质层的要求 年份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 技术 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 等效栅氧化层厚度(nm) 4—5 2—3 2—3 1.5—2 <1.5 <1.0SemiconductorPhysicsandDevicePhysics随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于3nm后tgate大量的晶体管限制：tgate~3to2nm栅介质的限制SemiconductorPhysicsandDevicePhysics栅介质的限制等效栅介质层的总厚度：Tox>1nm+t栅介质层Toxt多晶硅耗尽t栅介质层t量子效应++由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:t多晶硅耗尽0.5nm由量子效应引起的等效厚度:t量子效应0.5nm～～限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nmSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsL源漏栅Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET栅介质层新一代小尺寸器件问题SemiconductorPhysicsandDevicePhysics0.1mSub0.1mSemiconductorPhysicsandDevicePhysics 2030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况 诞生基于新原理的器件和电路 稳定状态情况下的半导体增长率 1997 稳定状态（～2030） CMOS技术 0.25μm 0.035μm 年平均增长率 16% 7%(约为GDP增长率的2倍) 半导体产业/电子工业 17% 35% 半导体产业/GDP 0.7% 3%FromChemmingHu,(U.C.Berkely)SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsB、集成电路走向系统芯片SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsIC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108~109个晶体管分立元件集成电路IC系统芯片SystemOnAChip(简称SOC)将整个系统集成在一个微电子芯片上在需求牵引和技术推动的双重作用下系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片SemiconductorPhysicsandDevicePhysics六十年代的集成电路设计SemiconductorPhysicsandDevicePhysics八十年代的电子系统设计PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成 工艺无关系统SemiconductorPhysicsandDevicePhysics世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIPSemiconductorPhysicsandDevicePhysics SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计 SOC的优势 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题 嵌入式CPUCore可以使设计者有更大的自由度 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器 使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向系统芯片SemiconductorPhysicsandDevicePhysics SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标 采用界面综合(InterfaceSynthesis)技术和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25~0.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低集成电路走向系统芯片21世纪的微电子将是SOC的时代SemiconductorPhysicsandDevicePhysics SOC的三大支持技术 软硬件协同设计：Co-Design IP技术 界面综合(InterfaceSynthesis)技术集成电路走向系统芯片1)软硬件Co-Design 面向各种系统的功能划分理论(FunctionPartitionTheory) 计算机 通讯 压缩解压缩 加密与解密SemiconductorPhysicsandDevicePhysics2)IP技术 软IP核：SoftIP(行为描述) 固IP核：FirmIP(门级描述，网单) 硬IP核：HardIP(版图) 通用模块 CMOSDRAM 数模混合：D/A、A/D 深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上，对速度、功耗、可靠性等进行优化设计 最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差Yesterday’schipsaretoday’sreusableIPblocks，andcanbecombinedwithotherfunctions，likeVideo，Audio，Analog，andI/O，toformulatewhatwenowknowassystemonchip（SoC）。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体产业的发展Chipless 设计与制作的分工 FablessFoundry 系统设计师介入IC设计 IP设计与SoC的分工 Chipless SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsIP的特点 复用率高易于嵌入 实现优化芯片面积最小运行速度最高功率消耗最低工艺容差最大 SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSoC设计示意3）InterfaceSynthesis IP+GlueLogic(胶连逻辑) 面向IP综合的算法及其实现技术SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsC、MEMS技术和DNA芯片 微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点 MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合 DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合1）MEMS:目前的MEMS与IC初期情况相似 集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主 集成电路技术的进步，加快了计算机更新换代的速度，对中央处理器（CPU）和随机存贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命 现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和RAM这样量大而广的产品SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsMEMS器件及应用 汽车工业 安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺 武器装备 制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化 生物医学 疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器 信息和通讯 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头 娱乐消费类 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具SemiconductorPhysicsandDevicePhysics大机器加工小机器，小机器加工微机器微机械用微电子加工技术X光铸模+压塑技术(LIGA)从顶层向下从底层向上分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。2000年有120-140亿美元市场相关市场达1000亿美元市场将迅速成长MEMS微系统MEMS系统SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等SemiconductorPhysicsandDevicePhysics MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且目前正处在加速发展时期微流量系统和微 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪可用于微推进、伤员救护MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等SemiconductorPhysicsandDevicePhysics2）DNA芯片 微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核糖核酸)芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点 它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物 具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用 Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片，包括6000余种DNA基因片段SemiconductorPhysicsandDevicePhysics广义上的系统集成芯片SemiconductorPhysicsandDevicePhysics张海霞“微纳大世界”演讲视频SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体的纯度和结构 纯度 极高，杂质<1013cm-3 结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics晶体结构具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的准晶体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics晶体结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 晶系 点阵常数特征 布拉维点阵 立方晶系 a=b=cα=β=γ＝90° 简单、体心、面心立方 四方晶系 a=b≠cα=β=γ＝90° 简单、体心四方 正交晶系 a≠b≠cα=β=γ＝90° 简单、体心、面心、底心正交 六方晶系 a=b≠cα=β=90°γ＝120° 简单六方 三方晶系 a=b＝cα=β=γ≠90° 简单三方 单斜晶系 a≠b≠cα=γ＝90°β≠90° 简单、底心单斜 三斜晶系 a≠b≠cα≠γ≠β≠90° 简单三斜SemiconductorPhysicsandDevicePhysics晶体结构 单胞 对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的SemiconductorPhysicsandDevicePhysics晶体结构 三维立方单胞 简立方、体心立方、面立方BCCFCCSemiconductorPhysicsandDevicePhysics金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics金刚石的晶胞金刚石也是一个a=b=c，α=β=γ＝90º的立方晶胞，晶胞除了顶点8×1/8=1个C原子外，每个面心位置各有1个C原子，由于面心位置C原子为2个晶胞共有。故6×1/2=3个C原子，除此晶胞内部还有4个C原子，所以金刚石晶胞共有1＋3＋4＝8个C原子。  对于晶胞的棱心位置的原子，则为4个晶胞共有，计数为1/4个。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics金刚石的晶胞SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsGraphite、C60MovieSemiconductorPhysicsandDevicePhysics元素半导体：Si、Ge金刚石晶体结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比解：（a）（b）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics化合物半导体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型VS闪锌矿型SemiconductorPhysicsandDevicePhysics金刚石结构（黑白原子同类）硅;锗;灰锡（-Sn）;人工合成立方氮化硼（c-BN）黑白原子不同类时，闪锌矿结构-ZnS（闪锌矿）;-SiC;GaAs;AlP;InSb晶胞图投影图SemiconductorPhysicsandDevicePhysics闪锌矿晶体结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsHCPmovieSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsFCCvsHCPSemiconductorPhysicsandDevicePhysics纤锌矿晶体结构复式格子六方晶系简单六方格子P63mc空间群ao=0.382nm，co=0.625nmz=2与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlNS2-六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙中，只占据了1/2SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsNaClMoviesSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsCO2,SiO2MoviesSemiconductorPhysicsandDevicePhysics原子的能级 电子壳层 不同子壳层电子 1s；2s，2p；3s，2p，3d；… 共有化运动 SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSi原子的能级 电子的能级是量子化的+14n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiHSemiconductorPhysicsandDevicePhysics原子能级的分裂 孤立原子的能级4个原子能级的分裂SemiconductorPhysicsandDevicePhysics原子能级的分裂 原子能级分裂为能带SemiconductorPhysicsandDevicePhysics能带形成简单示意EnergyBandanimation2.swfEnergyBandanimation1.swfSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductor,InsulatorandConductorSemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSi的能带（价带、导带和带隙〕SemiconductorPhysicsandDevicePhysics价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSemiconductorPhysicsandDevicePhysics自由电子的运动 微观粒子具有波粒二象性SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中电子的运动 薛定谔方程及其解的形式布洛赫波函数SemiconductorPhysicsandDevicePhysics导体、半导体、绝缘体的能带固体材料的能带图SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体、绝缘体和导体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体的能带 本征激发SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中E（K）与K的关系 在导带底部，波数，附近值很小，将在附近泰勒展开SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中E（K）与K的关系令代入上式得SemiconductorPhysicsandDevicePhysics自由电子的能量 微观粒子具有波粒二象性Recall对比晶体中的电子：m的差异SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中电子的平均速度 在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度代入求导SemiconductorPhysicsandDevicePhysics自由电子的速度 微观粒子具有波粒二象性Recall对比晶体中的电子：m的差异SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中电子的加速度 半导体中电子在一强度为E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体中电子的加速度令即而经典力学中牛顿运动定律:a=f/m0SemiconductorPhysicsandDevicePhysics有效质量m*的意义 自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics有效质量m*的意义电子在外力作用下运动受到外电场力f的作用内部原子、电子相互作用内部势场作用引入有效质量外力f和电子的加速度相联系有效质量概括内部势场作用SemiconductorPhysicsandDevicePhysics空穴 只有非满带电子才可导电 导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsK空间等能面 在k=0处为能带极值 导带底附近价带顶附近SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsK空间等能面 以、、为坐标轴构成空间，空间任一矢量代表波矢 导带底附近 SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsK空间等能面 对应于某一值，有许多组不同的，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。 理想情况下等能面为一球面 SemiconductorPhysicsandDevicePhysics硅的导带结构 实际根据回旋共振结果有: 1)导带最小值不在k空间原点,在[100]方向上,即是沿[100]方向的旋转椭球面 2)根据硅晶体立方对称性的要求, 也必有同样的能量在 方向上 3)如图所示,共有六个旋转椭球等能面,电子主要分布在这些极值附近SemiconductorPhysicsandDevicePhysics锗的导带结构 N型Ge的试验结果：<111>方向共有8个方向 图为Ge导带等能面示意图SemiconductorPhysicsandDevicePhysics硅和锗的能带结构间接带隙间接带隙SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsSi1-xGex混合晶体的能带 硅、锗构成的混合晶体写为Si1-xGex，x称为混晶比 其禁带宽度Eg随x的变化如图所示SemiconductorPhysicsandDevicePhysics砷化镓的能带结构导带极小值位于布里渊区中心k＝0处,等能面为球面,导带底电子有效质量为0.067mo在<100>方向布里渊区边界还有一个导带极小值，极值附近的曲线的曲率比较小,此处电子有效质量比较大,约为0.55mo它的能量比布里渊区中心极小值的能量高0.29ev。价带结构与硅、锗类似。室温下禁带宽度为1.424ev。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics关于本节的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 要深刻地理解，必须具有如下知识：晶格学(Crystallography)近代物理(ModernPhysics)量子力学(QuantumPhysics)固体物理(SolidStatePhysics)甚至：高等量子力学，固体理论，等SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 SemiconductorPhysicsandDevicePhysics实际晶体与理想情况的偏离 晶格原子是振动的 材料含杂质 晶格中存在缺陷 点缺陷（空位、间隙原子或替位式原子等杂质） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错） 体缺陷（Microvoids）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。 1个B原子/个Si原子在室温下电导率提高倍 Si单晶位错密度要求低于 杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。与理想情况偏离的后果及原因SemiconductorPhysicsandDevicePhysics间隙式杂质、替位式杂质 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。 杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。 替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics间隙式杂质、替位式杂质 单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体半导体的掺杂施主能级SemiconductorPhysicsandDevicePhysics受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体半导体的掺杂受主能级SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsGa或As在Si中掺杂SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体的掺杂 Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。 杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics浅能级杂质 浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。 所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。 室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主杂质。 浅能级杂质电离能的简单计算：类氢模型SemiconductorPhysicsandDevicePhysics杂质的补偿作用 半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定 半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度） 杂质的高度补偿（） SemiconductorPhysicsandDevicePhysics杂质的补偿作用 杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 设半导体中同时存在施主和受主杂质，且。N型半导体N型半导体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 设半导体中同时存在施主和受主杂质，且。P型半导体P型半导体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics深能级杂质 深能级杂质：非ⅢⅤ族杂质在Si、Ge的禁带中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离 深能级杂质的基本特点：一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics化合物半导体中的杂质能级杂质在砷化镓中的存在形式 四种情况： 1）取代砷 2）取代镓 3）填隙 4）反位SemiconductorPhysicsandDevicePhysics§2.2.1杂质在砷化镓中的存在形式 四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。 这种双性行为可作如下解释：因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics点缺陷 弗仓克耳缺陷 间隙原子和空位成对出现 肖特基缺陷 只存在空位而无间隙原子 间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。 空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用SemiconductorPhysicsandDevicePhysics点缺陷 替位原子（化合物半导体）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics位错 位错是半导体中的一种线缺陷，它严重影响材料和器件的性能。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics位错施主情况受主情况SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics热平衡状态 在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一个动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。 半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。 半导体的导电性受温度影响剧烈。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics态密度的概念 能带中能量附近每单位能量间隔内的量子态数。 能带中能量为无限小的能量间隔内有个量子态，则状态密度为E~E+dESemiconductorPhysicsandDevicePhysics态密度的计算 状态密度的计算 单位空间的量子态数 能量在空间中所对应的体积 前两者相乘得状态数 根据定义公式求得态密度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics空间中的量子态 在空间中，电子的允许能量状态密度为，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为，每个量子态最多只能容纳一个电子。SemiconductorPhysicsandDevicePhysics态密度 导带底附近状态密度（理想情况－即等能面为球面）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics态密度（导带底）（价带顶）SemiconductorPhysicsandDevicePhysics费米能级 根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计规律 对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的概率为 称为电子的费米分布函数 空穴的费米分布函数？SemiconductorPhysicsandDevicePhysics费米分布函数 称为费米能级或费米能量 温度 导电类型 杂质含量 能量零点的选取 处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级SemiconductorPhysicsandDevicePhysics费米分布函数 当时 若，则 若，则在热力学温度为0K时，费米能级可看成量子态是否被电子占据的一个界限 当时 若，则 若，则 若，则费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志SemiconductorPhysicsandDevicePhysics玻尔兹曼分布函数 当时，由于，所以费米分布函数转化为 称为电子的玻尔兹曼分布函数SemiconductorPhysicsandDevicePhysics玻尔兹曼分布函数 空穴的玻尔兹曼分布函数: 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数空穴分布在价带顶） 服从费米统计律的电子系统称为简并性系统；服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统 费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：前者受泡利不相容原理的限制SemiconductorPhysicsandDevicePhysics导带中的电子浓度 在导带上的间有个电子 从导带底到导带顶对进行积分，得到能带中的电子总数，除以半导体体积，就得到了导带中的电子浓度ConsiderBoltzmannDistributionSemiconductorPhysicsandDevicePhysics导带中的电子浓度LetSemiconductorPhysicsandDevicePhysics导带中的电子浓度 导带宽度的典型值一般，，所以，因此，，积分上限改为并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为价带中的空穴浓度p0 同理得价带中的空穴浓度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics载流子浓度乘积 载流子浓度乘积 热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，乘积是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然SemiconductorPhysicsandDevicePhysics本征半导体载流子浓度 本征半导体 无任何杂质和缺陷的半导体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics本征半导体中的费米能级:本征费米能级SemiconductorPhysicsandDevicePhysics本征半导体中的载流子浓度:本征载流子浓度既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂质半导体SemiconductorPhysicsandDevicePhysics杂质半导体载流子浓度 一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子 杂质能级只能是下面两种情况之一 被一个有任一自旋方向的电子占据 不接受电子以施主能级为例，施主能级上的电子占据SemiconductorPhysicsandDevicePhysics杂质半导体载流子浓度 施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度） 电离施主浓度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics杂质半导体载流子浓度 电离受主浓度 类似地，受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsn和p的其他变换公式 本征半导体时，所以一般情况下（本征或杂质半导体）中：用ni,Ei表示SemiconductorPhysicsandDevicePhysics费米能级 对掺杂半导体，SemiconductorPhysicsandDevicePhysics费米能级 接近室温时(全电离)EF-Ei=kTln(ND/ni)SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 练习 飞向蓝天的恐龙练习非连续性文本练习把字句和被字句的转换练习呼风唤雨的世纪练习呼风唤雨的世纪课后练习 SemiconductorPhysicsandDevicePhysicsPart1:半导体物理学半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构SemiconductorPhysicsandDevicePhysics载流子输运 半导体中载流子的输运有三种形式： 漂移 扩散 产生和复合SemiconductorPhysicsandDevicePhysics欧姆定律 金属导体外加电压，电流强度为 电流密度为SemiconductorPhysicsandDevicePhysics欧姆定律 均匀导体外加电压，电场强度为 电流密度为 欧姆定律的微分形式SemiconductorPhysicsandDevicePhysics漂移电流 漂移运动 当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度） 电流密度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics漂移速度 漂移速度SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体的电导率和迁移率 半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和 当电场强度不大时，满足，故可得半导体中电导率为SemiconductorPhysicsandDevicePhysics半导体的电导率和迁移率 N型半导体 P型半导体 本征半导体>>>>SemiconductorPhysicsandDevicePhysics热运动(某T下达到热平衡） 在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动 晶体中的碰撞和散射引起 净速度为0，净电流为0 平均自由时间为：SemiconductorPhysicsandDevicePhysics热运动 当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射 载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的SemiconductorPhysicsandDevicePhysics散射的原因 载流子在半导体内发生散射的根本原因是周期性势场遭到破坏 附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。 主要散射机制：电离杂质，晶格SemiconductorPhysicsandDevicePhysics电离杂质的散射 杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场 散射概率Pi代表单位时间内一个载流子受到散射的次数电离施主散射电离受主散射SemiconductorPhys