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1、半导体器件物理 参参 考考 书书 S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Jahn Wiley & Sons, Inc. 1981. 施敏 著, 黄振岗译, 半导体器件物理，电子 工业出版社, 1987. 王家骅等编著，半导体器件物理，科学出 版社，北京，1983。 施敏(S.M. Sze)主编，现代半导体器件物理 ，科学出版社，北京，2001。 主 要 内 容 l第一章 半导体物理基础 晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计， 非平衡载流子输运, 器件工作基本方程 l第二章 半导体接触 P-N结 异质结 金属-半
2、导体接触 半导体绝缘体 M I S l第三章 典型半导体器件 3.1 双极结型晶体管 基本工作原理，输出特性，等效电路，异质结双极晶体管 (HBT) 3.2 场效应晶体管 结型场效应晶体管, MOSFET的基本工作原理和电荷控制模型,C -MOS器件的基本工作原理,异质结场效应晶体管,非晶薄膜晶体 管 3.3 光电子器件 LED和半导体激光器,光探测器,太阳能电池,集成光电子学 3.4 专用微波器件 隧道二级管,IMPATT器件,体效应器件 l第四章 新型半导体器件 超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半导体 主 要 内 容 第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础 1.1 半导体材料 1.2
3、 晶体结构 1.3 能带 1.4 热平衡时的载流子浓度 1.5 载流子输运 1.6 半导体的声子谱以及光学、热学和高场性质 1.7 半导体器件工作的基本方程 Ch1Ch1 1.11.1 1.1 1.1 半导体材料半导体材料 固体材料根据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体 绝缘体绝缘体：熔凝石英、玻璃 ：10-18-10-8 S/cm 半导体：半导体：硅、砷等， 介于绝缘体与导体之间， 且对温度、光照、磁场及杂 质原子等敏感电子应用领 域中最重要的材料之一。 导体：导体： 铝、银等， ：104-106 S/cm 绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围。 周期表中与半导体有关的部分 周期周期II
4、II族 族IIIIII族族IVIV族族V V族族VIVI族族 2 2 B B 硼硼 C C 碳碳 N N 氮氮 3 3 MgMg 镁镁 AlAl 铝铝 SiSi 硅硅 P P 磷磷 S S 硫硫 4 4 ZnZn 锌锌 GaGa 镓镓 GeGe 锗锗 AsAs 砷砷 SeSe 硒硒 5 5 CdCd 镉镉 InIn 铟铟 SnSn 锡锡 SbSb 锑锑 TeTe 碲碲 6 6 HgHg 汞汞 PbPb 铅铅 1.11.1 元素与化合物半导体 元素元素IV-IV IV-IV族族 化合物化合物 III-VIII-V族族 化合物化合物 II-VIII-VI族族 化合物化合物 IV-VIIV-VI族族
5、 化合物化合物 Si 60年代初 Ge 50年代初 SiC AlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb InAs InP InSb CdS CdSe CdTe ZnS ZnSe ZnTe PbS PbTe 绝大多数 半导体器 件都是用 硅材料制 作的 微波、光电 器件 主要用来制作 微光电器件， 红外器件和光 电池。 1.11.1 半导体材料形态 非晶 多晶晶体 非晶态半导体： 原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻 体，但在达到一定值的外界条件(如电场、光、温度等)时，呈现 出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元 件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等
6、。 晶体：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。 多晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶,保留了单晶 的基本性质，总体性质上表现出各向同性。 半导体材料的制备 从熔体中制备 Growth from melt： Czochralski（提拉法）:利用子晶生长 Slice boule into wafers: Zone refining: 外延生长 Epitaxial growth: CVD、PVD方法(非晶薄膜）： 晶体 晶体 Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 1.11.1 1.2 1.2 晶体结构晶体结构- -单晶半导体材
7、料单晶半导体材料 1.21.2 晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞来描述， 重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单胞 简单立方 Cubic (P Mn) 体心立方 bcc Body center (Na,W,etc) 面心立方 fcc (Al,Au,etc) x z y a x z y a x z y a 1.21.2 金刚石结构，属立方晶系， 由两个面心立方子晶格相互 嵌套而成。 硅，锗，每个原子有四个最 近邻。 闪锌矿结构， 两种元素，GaAs, GaP等 纤锌矿结构，CdS, ZnS 化合物半导体的两种单胞 岩盐结构，PbS, PbTe 选择单胞的规则：选择单胞的规则
8、：1 1）对称性与整个晶体的对称性一致，）对称性与整个晶体的对称性一致，2 2）直角）直角 最多，最多，3 3）体积最小）体积最小晶体学单胞或惯用单胞晶体学单胞或惯用单胞 晶向：从坐标原点到点 （u ,w） 的直线 1。特定的方向用方括号表示： u w 2。晶向指数 u，w 是一组最小的指数，1/2 1/2 1112 3。负指数 w 4。由对称性决定的等效晶向 1.21.2 基失: 基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点的矢量）不过任何 阵点 。取一原点O，选 三个基本平移矢量。任何一平移矢 量 ，都可用 表示: 晶面：在坐标轴上截距为1/h, 1/k , 1/lh, 1/k , 1/l 的
9、平面1/2 1/2 1112 1 1。晶面取向用圆括号表示。晶面取向用圆括号表示(h k l )(h k l ) 2 2。 h k l h k l 称为米勒指数称为米勒指数 3 3。负指数。负指数( k l( k l ) ) 4 4。由对称性决定的等效晶面。由对称性决定的等效晶面 h k l h k l 1.21.2一些半导体材料的晶体结构和晶格常数 元素/化合物名称晶体结构晶格常数（300K) 元素半导 体 C Ge Si Sn Carbon(Diamond) Germanium Silicon Grey Tin Diamond Diamond Diamond Diamond 3.56679
10、 5.65748 5.43086 6.4892 IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358 III-VAlSb BN BP GaN GaSb GaAs GaP InSb InAs InP Aluminum antimonide Boron nitride Boron phosphide Gallium nitride Gallium antimonide Gallium arsenide Gallium phosphide Indium antimonide Indium arsenide Indium phosphide Zincblende Zincble
11、nde Zincblende Wurtzite Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende 6.1355 3.615 4.538 a=3.186, c=5.176 6.0955 5.6534 5.4505 6.4788 6.0585 5.8688 元素/化合物名称晶体结构晶格常数（ 300K) II-VICdS CdS CdSe ZnO ZnS ZnS Cadmium sulfide Cadmium sulfide Cadmium selenide Zinc oxide Zinc sulfide Zinc
12、sulfide Zincblende Wurtzite Zincblende Cubic Zincblende Wurtzite 5.832 a=4.16, c=6.756 6.05 4.58 5.42 a=3.82, c=6.26 IV-VIPbS PbTe Lead sulfide Lead telluride Cubic Cubic 5.935 6.460 一些半导体材料的晶体结构和晶格常数 倒格基矢倒格基矢：当给定一组正基矢（：当给定一组正基矢（a,b,ca,b,c) )时，可定义一组倒格基矢时，可定义一组倒格基矢 (a*,b*,c*)(a*,b*,c*) 倒格矢：倒格矢： 每个倒格矢
13、垂直于正格子的一组晶面，每个倒格矢垂直于正格子的一组晶面， 倒格子原胞与正格子原胞的体积成反比：倒格子原胞与正格子原胞的体积成反比： 维格纳维格纳- -赛茨原胞：赛茨原胞：从倒格子中选定的中心点到紧邻的等效倒格点作从倒格子中选定的中心点到紧邻的等效倒格点作 垂直平分面，如此得到的一组垂直平分面即可围成一个维格纳垂直平分面，如此得到的一组垂直平分面即可围成一个维格纳- -赛茨赛茨 原胞。原胞。 1.31.3 1.3 1.3 能带能带 1。能带的形成 近自由电子近似 紧束缚近似 k空间和态密度 金属、半导体、绝缘体的能带 直接和间接禁带 带隙的温度依赖 2。电子和空穴有效质量 1.3.11.3.1
14、 1.3.1 能带的形成 近自由电子近似 紧束缚近似 k空间和态密度 金属、半导体、绝缘体的能带 直接和间接禁带 带隙的温度依赖 自由电子气模型自由电子气模型 近自由电子近似近自由电子近似 一维电子气的色散曲线一维电子气的色散曲线 k k E E 0 0 / /a a2 2 / /a a 3 3 / /a a -3 -3 / /a a-2 -2 / /a a / /a a k k E E 0 0 / /a a / /a a 扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案 色散关系采取最简单的形式色散关系采取最简单的形式 一维近自由电子模型的能带和带隙 当晶体周期势比较弱时,可以将其作为微扰来处 理,
15、 即用近自由电子模型来代替自由电子模型。 适合于简单金属(Na,K,Al)和窄带隙半导体。 由于周期微扰势的存在，在Brillouin区边界产生带隙，即能谱中出 现禁带。 k E 0/a2/a3/a-3/a- 2/a /ak E 0 /a/a 近自由电子近似近自由电子近似 扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案 1.31.3 LCAOLCAO-Linear combination of atomic orbitals 紧束缚近似紧束缚近似 紧束缚近似表明：如果晶格间距紧束缚近似表明：如果晶格间距a a比较大原子，相互之间离得比较比较大原子，相互之间离得比较 远，则每个原子能级具有远，则每个原子能级具有N N重简并，而当重简并，而当a a减小时，波函数的重叠导减小时，波函数的重叠导 致能带。致能带。 可以用强定域化的原子波函数的线性组合来构建可以用强定域化的原子波函数的线性组合来构建BlochBloch函数。函数。 E E 原子原子固体固体 1.31.3 晶体中电子的共有化运动晶体中电子的共有化运动 孤立原子电子能级分立 晶体 由大量的原子结合而成 各原子的电子轨道有不同程度的交叠 电子的运动出现共有化 单一的能级分
