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1、Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices 主要讲授内容 1、半导体物理基础 2、PN结 3、双极结型晶体管 4、金属-半导体结 5、JFET和金属-半导体场效应晶体管 6、MOS场效应晶体管 Physics of Semiconductor Devices 课程要求 掌握半导体器件的原理、特点及应用 学习分析各类半导体器件的方法 提高解决实际问题的能力（器件设计） 要求 v平时成绩 30% v期末考试 70 Physics of Semiconductor Devices References S. M.
2、Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 1981 Y. Taur 2 edition (September 1981) Physics of Semiconductor Devices Advanced Semiconductor Fundamentals (2nd Edition) by Robert F. Pierret Prentice Hall; 2 edition (August 9, 2002) 课程网址 10 Physics of Semiconductor Devices 半导体器件物理基础半导体器件物理基础
3、*半导体中的电子和空穴 /半导体的结构 /半导体的能带 /半导体中的载流子 /半导体的类型及其掺杂 /半导体中载流子的统计 *半导体中载流子的输运 /漂移和扩散 /产生和复合 /迁移率、扩散系数 /速度饱和 Physics of Semiconductor Devices 半导体器件半导体器件 * 据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相 关的变种 （2000） * 所有这些器件都是由少数的基本模块构成： 金属半导体接触 pn结 MOS结构 异质结 量子阱 Physics of Semiconductor Devices 前言： 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间(电阻率)。 半导
4、体一些重要特性： 1、电阻率具有温度效应； 2、掺杂可改变电阻率； 3、适当波长的光照可改变导电能力； 4、其导电能力随电场、磁场的作用而改变。 概括的说：半导体的特性受到温度、光照、磁场、电场和 微量杂质含量的影响而改变 导体 半导体 绝缘体 Physics of Semiconductor Devices Physics of Semiconductor Devices 一 半导体的晶体结构 二 晶体的晶向与晶面 三 半导体中的缺陷 1.1 半导体晶体结构和缺陷 Physics of Semiconductor Devices 固体： 1、晶体： 具有一定的外形、固定的熔点，更重要的是组成
5、晶体的原子（或离子）在至 少微米量级的较大范围内都是按一定的方式规则排列而成，称为长程有序。 单晶：单晶主要是由原子（或离子）的一种规则排列。 元素半导体，如 Ge、Si； 化合物半导体，如GaAs 多晶：是由很多晶粒杂乱地堆积而成的。 2、非晶态半导体： 没有规则的外形，没有固定的熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干 原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称为短程有序。如：非晶 态硅，非晶态锗等。 一 半导体的晶体结构 Physics of Semiconductor Devices Solids Solids can be classified as crystal, polyc
6、rystalline and amorphous A.Crystal three dimensional long range order of atoms. B.Polycrystalline medium range order, many small regions called grains, each having crystalline structure, joined at “grain boundaries” which are full of defects. C.Amorphous no well defined order . Physics of Semiconduc
7、tor Devices 二维情况下的示意图 非晶 多晶 单晶 Physics of Semiconductor Devices 晶体结构： 许多重要的半导体，如Si、Ge，具有属于四面相的金刚石或闪锌矿晶格结 构：亦即每个原子被位于四面体顶角的四个等距紧邻原子所包围。两个紧 邻原子之间的键由自旋相反的两个电子形成。称为共价晶体。 图1 共价四面体 共价键具有方向性和饱和性。共价键方 向是四面体对称的，即共价键是从正四 面体中心原子出发指向它的四个顶角原 子，共价键之间的夹角是109o28，这 种正四面体称为共价四面体。 Physics of Semiconductor Devices 图2 金
8、刚石结构晶胞（由四个共价键四面体所组成） 正立方体的边长称为晶格常数a 金刚石结构晶胞也可以看成两个面 心立方沿空间对角线相互平移1/4 对角线长度套构而成。 面心立方 Physics of Semiconductor Devices 二 晶体的晶向与晶面 晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格，组 成晶体的原子（或离子）的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。 立方晶系的晶轴 立方晶胞的三个垂直 方向为三个坐标轴 Physics of Semiconductor Devices Crystal Lattice: The periodic arrangement of p
9、oints in a crystal. Basis: The constituent atoms attached to each lattice point. Every basis is identical in composition, arrangement, and orientation. Crystal= Lattice+ Basis R=ma+nb+pca: lattice constant 晶格 基元 Physics of Semiconductor Devices Crystal The lattices is defined by three fundamental tr
10、anslation vectors 基矢 Physics of Semiconductor Devices Unit cell: Lattice can be constructed by repeatedly arranging unit cell. Unit Cell晶胞 Physics of Semiconductor Devices Primitive Cell : A unit cell is called as primitive unit cell if there is no cell of smaller volume that can serve as a building
11、 block for crystal structure. Primitive Cell原胞 Physics of Semiconductor Devices 立方晶系 四角晶系 Physics of Semiconductor Devices 斜方晶体 斜方晶体 三角晶系 六角晶系 斜方晶系 Physics of Semiconductor Devices 单斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 Physics of Semiconductor Devices 1. 晶向 概念：通过晶格中任意两点可以作一条直线，而且通过其他格点还可以作 出很多条与它彼此平行的直线，晶格中的所有格点全部位于这一系列相互
12、 平行的直线系上，这些直线系称为晶列。晶列的取向称为晶向。 两种不同的晶列 晶向的表示 从一个格点沿某个晶向到 另一个格点 P 作位移矢量 Physics of Semiconductor Devices 若三个系数不是互质的，则通过： 化为互质整数 mnp称为晶列指数，用来表示晶向。 相反晶向 同类晶向记为 , 如 ： 就代表了6个同类晶向： 代表了立方晶胞所有空间对角线的8个晶向。 表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向。 Physics of Semiconductor Devices 2. 晶面 概念：晶格所有格点也可以看成全部位于一系列相互平行等距的平 面系上，这样的平面系称为晶面族。
13、 晶面族 Physics of Semiconductor Devices 取某一晶面与三晶轴的截距，将截距倒数的互质数h，k，l 称为晶面指数 或密勒指数，记为（hkl），并用来表示某一晶面。 晶面的截距 同类晶面用hkl表示。如果晶面和某个晶 轴平行，则截距为 ，相应的指数为零。 Physics of Semiconductor Devices Miller Indices The Miller indices are obtained using the following steps 1.Find the intercepts of the plane on the three Car
14、tesian coordinate in terms of the lattice constant. 2.Take the reciprocals of these numbers and reduce them to the smallest three integers having the same radio. 3.Enclose the result in parentheses (hkl) as the Miller indices for a single plane. Physics of Semiconductor Devices Miller Indices 12=4x+
15、3y Miller indices 4 3 Physics of Semiconductor Devices 立方晶系中的一些常用晶向和晶面 一个特点： 立方晶系中，晶列指数和晶面指数相同的晶向和晶面之间是互相垂直的。 如：100 (100), 110 (110)等 Physics of Semiconductor Devices 三 缺陷 实际半导体中存在各种缺陷，它们对半导体的物理、化学性质起着显著的 甚至是决定性的作用。主要晶体缺陷有：点缺陷，线缺陷，面缺陷等。 （1）弗仑克尔缺陷(Frenkel Defect)：原子脱离正常格点移到间隙位置 ，形成一个自间隙原子，同时在原来的格点位置处
16、产生一个空位间隙原 子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。 弗仑克尔缺陷 1、点缺陷： Physics of Semiconductor Devices （2）肖特基缺陷：原子脱离正常格点位置后可以不在晶体内部形成间隙 原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置处产生 一个空位。在晶体内部只形成空位的热缺陷称为肖特基缺陷。 一点说明： 它们依靠热运动不断产生和消失着，在一定温度下达到动态平衡，使缺陷具有一定 的平衡浓度值。在Si，Ge中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖脱基缺陷存 在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此Si，Ge中主要的点缺陷是空位。 肖特基缺陷 Physics
