第一章半导体物理基础课件.ppt
主讲教师,解光军 教授研究生院学科建设办公室主任霍英东青年教师奖获得者安徽省高校中青年学科带头人培养对象第七届安徽省优秀青年教育经历1988-1992，合肥工业大学，本科1992-1995，合肥工业大学，硕士1999-2002，中国科技大学，博士2003-2005，中国科技大学，博士后科研方向集成电路设计、量子信息处理集成电路设计研究中心http:/ic-,Brussel，2007,Physics of Semiconductor Devices,半导体器件物理,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,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）要求平时成绩 30%（作业20实验10）期末考试 70,References,S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 1981 Y. Taur & T. K. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge Univ. Press, 1998 M. Shur, Introduction to Electronic Devices, John Wiley, 1996Robert F. Pierret, Advanced Semiconductor Fundamentals, 2nd Ed, Prentice Hall, 2002,刘树林，半导体器件物理，电子工业出版社，2005曹培栋，微电子技术基础双级、场效应晶体管原理，电子工业出版社，2001陈星弼，唐茂成，晶体管原理与设计，成都电讯工程学院出版社，1987张屏英，周佑谟，晶体管原理，上海科学技术出版社，1985,半导体器件物理 作者： 孟庆巨 刘海波 出版社： 科学出版社 出版日期：2005-6-2 ISBN：7030139518版次：第1版,晶体管原理与设计(第2版)作者：陈星弼/张庆中出版社：电子工业 第1版 第2次印刷ISBN：7121022680出版日期：2006-02-01,Physics of Semiconductor Devices by Simon M. SzeWiley-Interscience; 2 edition (September 1981),Advanced Semiconductor Fundamentals (2nd Edition) by Robert F. Pierret Prentice Hall; 2 edition (August 9, 2002),11,课程网址http:/,半导体器件物理基础,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,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,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,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,固体：1、晶体：具有一定的外形、固定的熔点，更重要的是组成晶体的原子（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,SolidsSolids can be classified as crystal, polycrystalline and amorphous,Crystal three dimensional long range order of atoms.,Polycrystalline medium range order, many small regions called grains, each having crystalline structure, joined at “grain boundaries” which are full of defects.,Amorphous no well defined order .,二维情况下的示意图,非晶,多晶,单晶,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。,图2 金刚石结构晶胞（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,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,CrystalLattice: The periodic arrangement of points 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+pc,a: lattice constant,晶格,基元,Crystal,The lattices is defined by three fundamental translation vectors,基矢,Unit cell: Lattice can be constructed by repeatedly arranging unit cell.,Unit Cell,晶胞,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 block for crystal structure.,Primitive Cell,原胞,立方晶系,四角晶系,斜方晶体,斜方晶体,三角晶系,六角晶系,斜方晶系,单斜晶系,三斜晶系,三斜晶系,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,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。,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。,晶面族,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。,Miller Indices,The Miller indices are obtained using the following steps,Find the intercepts of the plane on the three Cartesian coordinate in terms of the lattice constant.,Take the reciprocals of these numbers and reduce them to the smallest three integers having the same radio.,Enclose the result in parentheses (hkl) as the Miller indices for a single plane.,Miller Indices,12=4x+3y,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,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：,（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,2、线缺陷，如位错；半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都是在高温下进行，因此在晶体中产生一定的应力。在应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子会沿某一晶面发生移动。3、面缺陷，如晶界、孪晶界、相界、堆垛层错等；其它缺陷：体缺陷，如包裹体、夹杂物、第二相团等；微缺陷，加漩涡缺陷，其几何尺寸为微米或亚微米级,From Sand to Wafer,purification,Growth Techniques,Reduction of quartzite to metallurgical grade silicon (MGS) with a purity of 98%.,Conversion of MGS to trichlorosilane (SiHCl3).,Purification of SiHCl3 by distillation.,Chemical vapor deposition (CVD) of Si from the purified SiHCl3, as EGS.,1.2 半导体的能带与杂质能级,纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为本征半导体。一定温度下，共价键上的电子可以获得能量挣脱共价键的束缚从而脱离共价键，成为参与共有化运动的“自由”电子。共价键上的电子脱离共价键的束缚所需要的最低能量就是禁带宽度：Eg。本征激发：将共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为导带电子的过程，成为本征激发。其特征是：成对的产生导带电子和价带空穴。本征半导体的导带电子和价带空穴都参与导电，将电子和空穴统称为载流子。,一 半导体的能带,T0K的半导体能带如下图所示，这时半导体中电子的最高填充带（称为价带）是满带，而满带的上一能带（称为导带）是空带，所以半导体不导电。当温度升高或其他外界因素作用下，价带电子被激发到导带底，使得导带变为半满带，而价带也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电。,半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁留下的空态（等效为空穴）。,二 杂质半导体,1 替位式杂质和间隙式杂质,间隙式杂质：杂质进入半导体后可以存在于晶格原子的间隙位置上。替位式杂质：取代晶格原子而位于格点上。,晶胞内存在的间隙,2 浅能级和浅能级杂质,N型半导体？施主杂质？施主电离？P型半导体？受主杂质？受主电离？,掌握几个概念：,（1）在Si掺入V族元素磷（P），由于Si中每个Si原子的最近邻有4个Si原子，当5个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，磷原子5个价电子中的4个与周围的4个Si原子组成4个共价键，还多出了一个价电子，磷原子所在处也多余一个正电荷，称为“正离子磷中心”（2）由于以磷为代表的V族元素在Si中能够释放导电电子，称V族元素为“施主杂质”，电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为“施主电离”（3）多余的这个电子虽然不受共价键的束缚，但被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键，只需很小的能量ED 就可以使其挣脱束缚，称为“电离” ，形成能在整个晶体中“自由”运动的导电电子。主要依靠电子导电的半导体称为“N型半导体”,1、施主,（1）在Si掺入III族元素硼（B），由于Si中每个Si原子的最近邻有4个Si原子，当3个价电子的硼原子取代Si原子而位于格点上时，硼原子必须从附近的Si原子共价键中夺取1个电子才能和4个Si原子组成4个共价键，这样硼原子就多出了一个电子，形成“负电中心硼离子”（2）由于以硼为代表的III族元素在Si中能够接受电子而产生导电空穴，称III族元素为“受主杂质”或“P型杂质”，空穴脱离受主杂质的束缚过程称为“受主电离”，所需的能量称为受主杂质电离能EA （3）同时在Si共价键中产生一个空穴，这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能导电，但这种束缚作用同样很弱，只需很小的能量EA 就可以使其成为在整个晶体中“自由”运动的导电空穴。主要依靠空穴导电的半导体称为“P型半导体”,2、受主,3、 杂质能级,施主能级ED上电子获得能量跃迁到导带称为导电电子，因此施主能级位于导带底能级低ED的禁带中，且有 ED Eg;受主能级上的空穴得到能量EA后，就从受主的束缚态跃迁到价带称为导电空穴，因此受主能级位于价带顶能级高EA的禁带中，且有 EA Eg。,ED 和EA都很小，这样的杂质能级称为浅能级，相应的杂质就称为浅能级杂质。,能级接近,能级接近,3 杂质的补偿作用,如果在半导体中既掺入施主杂质又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为“杂质的补偿作用”。,在半导体器件和集成电路中，通过在N型Si外延层上特定区域掺入浓度更高的受主杂质，该区域经过杂质补偿作用就称为P型区，而在N型与P型的交界处就形成PN结。如果在此掺入更高浓度的施主杂质，在二次补偿区域又由P型补偿为N型，从而形成双极型器件的NPN结构。,晶体制造过程中的杂质补偿,Compensated,半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用后的等效粒子。有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用。,电子和空穴的有效质量m*,
