半导体物理与器件基础 上课用

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1、半导体物理与器件基础,微电子学院 韩萌,2,课程简介,课程性质：专业基础课 学分：5 课程特点：半导体物理部分概念多、内容广；器件部分公式多且复杂。 课程要求：半导体物理部分着重理解,掌握基本计算公式；器件部分掌握器件结构,理解工作原理,熟悉器件功能。 考核：平时成绩20，期中30，期末50,3,为什么开设这门课？,所授课程与本专业有什么关系？所授课程与将来就业有什么关系？ 毕业班学生面试情况的反馈 已经上岗实习学生的工作情况反馈 学习本课程的重要性和必要性 与后续专业课有密切联系，是基础是根基； 本课程总评成绩影响专转本的资格； 对于应聘及从事本专业及相关专业工作有必然影响，对于本专业及相关

2、专业从业人员个人发展有直接关系。,4,什么是半导体,简单地说，半导体（Semiconductor）是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。 半导体的导电性可以人为控制。譬如光照、加热或掺入杂质。 半导体发展历程：电子管晶体管 IC 超大规模IC(45nm,高k) 半导体能完成的任务处理信号：二极管整流、三极管放大、信号的光电转换处理数据：A/D转换、数据存储、计算与控制 半导体制造工艺（以MOS制程流程为例）,5,6,目录,第1章 固体晶格结构（6学时） 第3章 固体量子理论初步（8学时） 第4章 平衡半导体（10学时） 第5章 载流子输运现象（8学时） 第6章 半导体中的非平衡过剩载流子（8学时

3、） 第7章 pn结（6学时） 第8章 pn结二极管（6学时） 第9章 金属半导体和半导体异质结（3学时） 第10章 双极晶体管（10学时） 第11章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础（6学时） 第12章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入（2学时） 第14章 光器件（2学时）,7,第一章 固体晶格结构,1.1 半导体材料 1.2 固体类型 1.3 空间晶格 1.5 固体中的缺陷和杂质 1.6 半导体材料的生长 第一章习题 第一章小结,回目录,8,1.1 半导体材料,族元素半导体和-族化合物半导体,本章目录,9,1.2 固体类型,无定形（非晶）、多晶、单晶晶体的特点： 组成晶体的原子

4、按一定方式有规则排列 有固定的熔点 Si(硅): 1420 Ge(锗):941 单晶具有方向性：各向异性,本章目录,10,1.3 空间晶格,晶格：原子的周期性排列 1.3.1 原胞和晶胞 理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构成的。 晶体结构用点阵来描述，在点阵的每个格点上附有一群原子。这一群原子称为基元。基元在空间重复就构成晶格。格点：描述原子排列的点。 点阵平移矢量 r表示从任意一点r看去，都和从r看到的原子排列是相同的。,本章目录,11,1.3 空间晶格,晶格、二维晶格、三维晶格。 晶胞、原胞、晶格常数晶胞：可以复制出整个晶体的小部分晶体。原胞：可以复制出整个晶格的最小晶胞。晶格常

5、数：晶胞的边长1.3.2 基本的晶体结构（见右图） 简立方（sc）、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）,本章目录,12,1.3 空间晶格,1.3.3 晶面和密勒指数 晶面：点阵中所有的格点都位于一系列相互平行等距的平面上，这样的平面系称为晶面。 密勒指数：晶面与三个晶轴截距的倒数的互质整数。 晶面的具体求解方法：a. 先求晶面与坐标轴的截距 p、q、sb. 写截距的倒数c. 倒数同乘以其最小公分母，求得密勒指数(h, k, l)d. 写出晶面(hkl)，若截距在晶轴负侧则标上“”号，,本章目录,习题一,13,1.3 空间晶格,晶列：点阵中所有格点都在一系列互相平行等距的直线上，这些直线系称

6、为晶列。晶向：用三个整数表示晶列的方向。如图从格点O沿某个晶列到格点P作位移矢量R晶向指数mnp：晶向矢量在三个晶轴上投影的互质整数。,本章目录,14,1.3 空间晶格,7. 计算晶体的原子体密度和面密度原子体密度：晶体内单位体积中包含的原子数。（个/cm3）原子面密度：晶面上单位面积包含的原子数。（个/cm2） 例题见习题2/3/4,本章目录,习题二,15,1.3 空间晶格,1.3.4 金刚石结构族元素Si、Ge都是金刚石结构。,本章目录,习题五,1、是两个面心立方晶格构成的复式格子。 2、构成方式：其中一个面心立方晶格沿着另一个的体对角线滑移1/4长度套构而成。,16,1.3 空间晶格,闪

7、锌矿结构（或称铅锌矿）与金刚石结构相似，唯一区别在于其中含有两类元素，如GaAs。纤锌矿结构六方对称结构,本章目录,17,1.5 固体中的缺陷和杂质,1.5.1 固体中的缺陷 1、点缺陷：空位、填隙原子2、线缺陷：位错刃位错、螺位错3、缺陷的显示与观察x射线形貌技术、透射电子显微术、红外显微观察和金相腐蚀法。金相腐蚀法：缺陷处晶格完整性被破坏，腐蚀速度比理想晶格大，在晶格表面显示出腐蚀坑。Si：(111)面为正三角形，(100)面为正方形，(110)面为菱形。,本章目录,18,1.5 固体中的缺陷和杂质,1.5.2 固体中的杂质 1、定义：杂质指晶体中的外来原子或杂质原子。 2、杂质的分类：替

8、位杂质和填隙杂质 3、掺杂：向半导体中加入某种杂质以改变其导电性的手段。 4、掺杂的方法：扩散、离子注入,本章目录,预淀积、推进、激活,19,1.6 半导体材料的生长,1.6.1 在熔融体中的生长CZ法（直拉法）,本章目录,20,练习题,1、GaAs的晶格常数为5.65埃，分别确定每立方厘米内Ga和As的原子数。确定半导体Ge的原子体密度，其晶格常数为5.65埃。,21,2、某体心立方晶体由两种元素构成，A和B。A在角上，B在中心。A的有效半径为1埃，假设均是钢球且A球与其最近邻的A球相切。计算可填入B球的最大半径；A元素和B元素的体密度。,22,3、一个简立方晶格常数为5埃，计算最近平行平面

9、间距：(100) (110) 4、计算如下平面Si原子的面密度：(100) (110) (111),23,第一章习题,画出(632)晶面、(020)晶面、(503)晶面、(320)晶面。（P8 例1.2）返回 一个bcc单晶材料, 晶格常数为a, 计算晶体中的原子体密度。 (P8 自测题E1.1)返回 一个fcc单晶材料，晶格常数为a，计算晶体中的原子体密度。 计算bcc和fcc结构中(100)、(110)面的原子面密度，晶格常数为a 。 （P9 例1.3） （作业）计算金刚石结构的原子体密度，(010)面和(110)面的原子面密度，画出(110)面原子分布情况。返回 （作业）画出scc、bc

10、c、fcc中(100)、(110)、(111)晶面的原子分布情况，并计算各晶面的原子面密度。,本章目录,24,第一章 作业答疑,25,第一章小结,基本概念：点阵、格点、晶格、晶胞、原胞、晶面、晶向等 固体的分类：无定形、单晶、多晶 sc、bcc、fcc三种晶格特点 会画指定晶面或根据所给晶面写出密勒指数 金刚石结构的特点 固体中缺陷的种类 固体中杂质的类型和掺杂的基本方法 计算原子体密度和面密度,本章目录,26,第二章 量子力学初步,玻尔曾说：“如果谁没被量子力学搞得头晕，那他就一定是不理解量子力学。” 爱因斯坦说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。” 费曼说：“我们知道它

11、如何计算，但不知道它为何要这样去计算，但只有这样去计算才能得出既有趣又有意义的结果。”,27,第三章 固体物理基础,3.1 允带与禁带 3.2 固体中电的传导 3.3 三维扩展 3.4 状态密度函数 3.5 统计力学 第三章习题 第三章小结,回目录,28,3.1.1 能带的形成原子聚集在一起，最初的分立能级就分裂为能带。 1、电子的共有化运动及能带的形成,3.1 允带与禁带,本章目录,29,3.1 允带与禁带,2、能级分裂的特点外层轨道能级早分裂，内层轨道能级迟分裂内层能级分裂的能带窄，外层能带较宽 3、相关名词解释允带：允许电子填充的能带。禁带：不允许电子填充的能量状态。导带：没有被电子填充

12、的能量最低的允带。价带：已经被电子填满的能量最高的允带。带隙：或称禁带宽度能带简图，见右图实际的能带图是E-k关系,本章目录,30,3.1 允带与禁带,3.1.3 k 空间能带图 1、波数矢量k：2、自由电子E-k关系：3、晶体中的准自由电子E-k关系：由于晶体中电子波的布拉格反射，在k=np/a处出现带隙。,本章目录,31,3.2 固体中电的传导,3.2.1 能带和键模型单晶硅二维图示共价键断裂及正负电荷的产生：“空状态”的产生：,本章目录,共价键强度越强，带隙越宽。,能带中的能量：,32,3.2 固体中电的传导,3.2.2 漂移电流一个体密度为N 的正电荷集，平均漂移速度为vd，则漂移电流

13、密度为：J = e N vd 无电场力作用时，电子无规则热运动，从能带的角度理解为：导带中k值的电子和k值的电子一样多，净漂移电流为零。有外加电场时，电场使电子得到能量和净动量。漂移电流与电子定向运动有关。,本章目录,33,3.2 固体中电的传导,3.2.3 电子的有效质量泰勒级数展开的条件：(1) x=x0处展开式的值等于该点函数值。(2) x=x0的领域内，两边导数值近似相等。设能带底位于k=0处，将E(k)在k0附近泰勒级数展开，得到,本章目录,34,设能带顶位于k=0处，将E(k)在k0附近泰勒级数展开，得到另外，能带极值附近电子的速度写为： 半导体中电子的加速度： 有效质量的意义：

14、1、能带底电子有效质量是正值，能带顶是负值；能带底电子速度与k方向相同，能带顶与k方向相反；有效质量大的电子位于能带内层，有效质量小的位于外层。 2、有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，在解决半导体中电子受外力作用下运动规律时，可以不涉及内部势场的影响。,3.2 固体中电的传导,本章目录,习题一,能带顶部附近的E-k关系,35,3.2 固体中电的传导,3.2.4 空穴的概念当价带中有一个空状态，且电子都以v(k)速度运动，此时的电流密度为J 。当填入一个电子，该电子形成的电流为-ev(k)，则J + -ev(k) = 0 即 J =ev(k)所以，电流 J 可以看作是一个+e电量的微粒以

15、速度v(k)运动形成的电流。导带电子有效质量mn*和价带空穴有效质量mp*是正值还是负值？,本章目录,36,3.2 固体中电的传导,3.2.5 金属、绝缘体和半导体 价电子刚好填满一个或更多的能带，其余能带全为空，那么这个晶体是一个绝缘体。 若能带存在交叠，就可能给出两个金属性质的部分充满能带。 金刚石、硅和锗能带不交叠，纯净晶体在绝对零度时是绝缘体。,本章目录,37,晶体中不同方向上原子间距不同电子在不同方向受到势场不同 3.3.1 硅、砷化镓的k空间能带图,3.3 三维扩展,本章目录,38,直接带隙半导体间接带隙半导体,本章目录,3.3 三维扩展,光子无法改变电子动量,39,3.4 状态密

16、度函数,3.4.1 状态密度函数的数学推导 (略讲，重点是结果) 状态密度：单位体积单位能量间隔内的状态数目。如何求k和kdk之间的状态总数dZ ？自由电子的状态密度函数,本章目录,40,3.4 状态密度函数,3.4.2 扩展到半导体 导带中的有效状态密度：价带中的有效状态密度：自由粒子状态密度：,本章目录,习题四,41,3.5 统计力学,3.5.1 统计规律 麦克斯韦波尔兹曼分布粒子可被区分，能态容纳的粒子数无限制，用于低压气体 玻色爱因斯坦分布粒子不可区分，能态容纳的粒子数无限制，用于光子或黑体辐射 费米狄拉克分布粒子不可区分，每个量子态只容纳一个粒子，用于晶体中的电子 3.5.2 费米狄拉克概率函数该概率分布函数描述了能量为E的量子态被电子占据的概率的大小，EF称为费米能级。,