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1、 半导体器件电子学 北工大电控学院 北京工业大学电控学院 2006年9月 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学课程大纲 第一章 现代半导体材料晶体结构和特性（10学时） 1.1半导体的基本特性与常见半导体材料 1.2 新型宽带半导体材料的特性 1.3 Si材料的SOI结构特性 1.4半导体材料的压电特性 第二章 载流子输运特性及非平衡态（14学时） 2.1 体材料半导体载流子的性质及电流密度 2.2 小尺寸下半导体材料中迁移率退化和速度饱和 2.3 器件的小尺寸带来的热问题 2.4 小尺寸下的量子效应 2.5 小尺寸器件中的量子力学机理 2.6 二维电子气的输运 2.7 调制掺杂
2、结构和场效应晶体管 2.8 强磁场中的二维电子气 2.9 掺杂对输运特性的影响 第三章 半导体结特性的电子学分析（6学时） 3.1 PN结的模型 3.2求解空间电荷区的近似解析模型 半导体器件电子学 北工大电控学院 1.1半导体的基本特性与常见半导体材料 一、半导体的基本特性 电阻率：介于10-3-106.cm， 金属：106.cm 绝缘体:1012.cm 纯净半导体负温度系数 掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数 不同掺杂类型的半导体做成pn结,或金-半接触后，电 流与电压呈非线性关系，可以有整流效应 具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率 会变化，即产生所谓光电导 半导体中存在着
3、电子与空穴两种载流子 第一章 现代半导体材料晶体结构和特性 半导体器件电子学 北工大电控学院 二、常见的半导体材料 半导体器件电子学 北工大电控学院 构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置 半导体器件电子学 北工大电控学院 元素半导体 Si：是常用的元素半导体材料，是目前最为成熟的材料， 广泛用于VLSI。 Ge：早期使用的半导体材料。 化合物半导体 -族化合物（AIIIBV） -：Al，Ga，In P，As，N，Sb（碲） GaAs、InP、GaP、InAs、GaN等。 - 族化合物（AIIBVI） ：Zn，Cd，Hg S，Se，Te ZnO、ZnS、TeCdHg等 - 化合物（A
4、IVBiV） SiGe、SiC。 半导体器件电子学 北工大电控学院 混合晶体构成的半导体材料 两种族化合物按一比例组成，如 xAC+(1-x)BC， xAC+(1-x)BC，SixGe1-x， 能带工程：由于可能通过选取不同比例的x，而改变混晶的 物理参数(禁带宽度， 折射率等)，这样人们可以根据光 学或电学的需要来调节配比x。 通过调节不同元素的组分，才能实现禁带宽度的变化。在光 电子、微电子方面有很重要的作用。 半导体器件电子学 北工大电控学院 三、常见半导体的结构类型 金刚石结构：Si、Ge 闪锌矿结构：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、 AlSb、CdTe 纤锌矿结构：Ga
5、N、AlN、SiC 金刚石结构： 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 闪锌矿结构 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 纤锌矿结构 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 1.2 新型宽带半导体材料的特性 1。GaN半导体材料的特性 由三族元素Ga和五族元素N，III-V族化合物半导体。 晶体结构分为: 闪锌矿结构(Zinc Blende crystal structure)立方晶 纤锌矿结构(Wurtzite crystal struc
6、ture )六角 GaN在1932年人工合成。 （参考书：Nitride Semiconductors and Device Hadis Morkoc） III族的氮化物有三种晶体结构： 闪锌矿结构、纤锌矿结构、盐石岩结构（NaCl） 对于AlN、GaN和InN，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤 锌矿结构。 GaN、InN通过薄膜外延生长在立方晶的（110）晶面上，如Si ，MgO，GaAs，才能生长出闪锌矿结构。 半导体器件电子学 北工大电控学院 纤锌矿结构六角的，有两个晶格常数c和a，是复式格子 。沿c轴方向移动5/8c形成。 闪锌矿结构(Zinc Blende crystal stru
7、cture)立方晶 单胞中含有4个基元（4个III族原子和4个V族原子） 复式格子。 GaN材料的外延生长： 其结构取决于使用的衬底类型 六角晶体衬底长出纤锌矿结构 立方晶体衬底长出闪锌矿结构 目前常用的衬底：sapphire Al2O3，蓝宝石 缺点：晶体结构不好，与氮化物的热匹配不好 优点: 来源广，六角结构，容易处理，高温稳定。 由于热匹配不好，缓冲层要厚。 半导体器件电子学 北工大电控学院 SiC作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。 缺点：SiC常规工艺很难处理，SiC的结构变数太大。 GaN体材料是最理想的。但目前还不能生长出大尺寸 的材料。 掺杂：n-GaN: Si，Ge，Sn（Se
8、lenium） p-GaN：Mg，（1989）Zn，Be，Hg，C Basic Parameters : Zinc Blende crystal structure Energy gaps, Eg 3.28 eV 0 K Energy gaps, Eg 3.2 eV 300 K Electron affinity 4.1 eV 300K 半导体器件电子学 北工大电控学院 Conduction band Energy separation between valley and X valleys E 1.4eV 300K Energy separation between valley and
9、L valleys EL 1.61.9eV 300K Effective conduction band density of states ： 1.2 x 1018 cm-3 300K Valence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.02eV 300K Effective valence band density of states 4.1 x 1019 cm-3 300K 半导体器件电子学 北工大电控学院 立方晶第一布里渊区截角八面体 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院
10、 Wurtzite crystal structure Energy gaps, Eg 3.47 eV 0 K 3.39 eV 300 K Energy gaps, Eg, dir 3.503 (2) eV 1.6 K; photoluminescence, from excitonic gap adding the exciton binding energy 3.4751(5) eV 1.6 K; A-exciton (transition from 9v) 3.4815(10) eV 1.6 K; B-exciton (transition from upper7v) 3.493 (5)
11、 eV 1.6 K; C-exciton (transition from lower 7v) 3.44 eV 300K; temperature dependence below 295 K given by: Eg(T) - Eg(0) = - 5.08 x 10-4 T2/(996 - T), (T in K) . Electron affinity 4.1 eV 300 K 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 Conduction band Energy separation betwe
12、en valley and M-L valleys 1.1 1.9 eV 300 K Energy separation between M-L-valleys degeneracy 6 eV 300 K Energy separation between valley and A valleys 1.3 2.1 eV 300 K Energy separation between A-valley degeneracy 1 eV300 K also The energy separations between the 9 state and the two 7 states can be c
13、alculated from the energy separations of the A-, B-, C-excitons. Effective conduction band density of states 2.3 x 1018 cm -3 300 K 半导体器件电子学 北工大电控学院 Valence band Energy of spin-orbital splitting Eso 0.008 eV 300 K Energy of spin-orbital splitting Eso 11(+5,-2) meV 300 K; Energy of crystal-field spli
14、tting Ecr 0.04 eV300 K Energy of crystal-field splitting Ecr 22(2) meV 300 K; calculated from the values of energy gap Eg,dir (given above) Effective valence band density of states 4.6 x 1019 cm-3 300 K 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 半导体器件电子学 北工大电控学院 2。GaN材料的主要器件特性 GaN器件的未来： Electronics： GaN带隙宽，使之最适合高温应用的半导体材料。 高迁移率有利于高频应用。 多数为二维器件应用。 Bipolar Transistors： HBT（Heterojunction Bipolar Transistor) 由于电流横向流动，功率消耗很小。 一种结构：GaN发射极，SiC基极。导带带隙差几乎 为零，但价带有很大带隙差。提高发射区发射效 率。散热性能好。 半导体器件电子学 北工大电控学院 Photo-Transistors：光电晶体管。 基区通过UV光照射后，产生
