半导体物理与器件第一章ppt课件.ppt

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1、半导体物理与器件,电子设计自动化技术研究所集成电路设计与集成系统专业陈延湖,课程学习意义重大,半导体,微电子,各类集成电路,电子计算机互联网,个人通信手机移动互联网,尖端武器,现代网络通信设备，大型云计算服务器，超级数据中心,智能IC卡，金融支付,电话，电视，MP3，可穿戴等电子消费品,物联网，工业控制，节能环保，汽车电子,硅等半导体材料是制造集成电路等新型产品的载体，晶体管等半导体器件是设计集成电路的核心元器件。,半导体集成电路产业应用市场巨大，产值超3000亿美元，是信息产业的基石，属国家战略新兴产业。已设立千亿产业投资基金，助力产业发展。,事实上半导体产业是一个巨大的产业，除了集成电路产

2、业外，还包括电力电子器件、光电子器件、M/NEMS传感器等，半导体物理与器件无疑是从事相关产业工作的基础必备知识,学术研究的热点,自1956年以来半导体物理相关的诺贝尔奖多达8项,每年发表在IEEE顶级期刊的半导体理论与技术论文达数千篇,1947年由肖克利和他的两助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室工作时发明的点接触式晶体管该晶体管用半导体锗制作。1956年为此获诺贝尔物理学奖,基尔比于1958年发明了世界上第一块集成电路，并于2000年获得诺贝尔物理学奖,2010年诺贝尔物理奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，他们发现了一种新型半导体材料：石墨烯,具预测可用来发展出更薄、导电

3、速度更快的新一代电子元件或晶体管，具有替代硅材料的可能。,集成电路的革新有赖于半导体新材料、新器件、新工艺的创新。,MOSFET1960s,微电子,微纳电子,BJT1947,MooreS Law,BeyondMooreS Law 2030？,总结,一、半导体领域是一个充满活力而有广泛用途领域，在学术界和工业界均大有可为。,三、各大研究生院微电子、集成电路设计、固体电子专业、光电子专业的主要考研科目之一,二、集成电路技术和工具将不断革新，而半导体物理与器件的基本理论将长期有效，它是技术创新的源泉和学术研究的热点，在专业学习中居于先导和基础位置。,课程性质,半导体物理与器件,半导体集成电路设计,集

4、成电路制造工艺,电路理论基础,低频电子线路,高频电子线路,数字电子线路,可编程系统、通信系统、嵌入式系统等系统级课程,半导体物理与器件物理是集成电路设计专业的专业基础课，偏重材料物理特性、电子运动规律、器件物理模型、器件工作原理的学习。,半导体物理与器件物理必备先学课程为高等数学：微积分、微分方程求解大学普通物理：量子力学，固体物理，统计力学等电子学：元器件在电路中的功能、 元器件外特性电磁场与电磁波：电磁波的传输特性,高等数学、大学物理、电磁场与电磁波,课程教材与考核,参考资料：Chenminghu (胡正明) 著 王燕等译 现代集成电路半导体器件S.M.SZE (施敏）等著，耿丽等译 半导

5、体器件物理（第三版） 田敬民半导体物理问题与习题,教科书：教1：Donald A. Neamen著，赵毅强等译半导体物理与器件教2:刘恩科等 半导体物理学,考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试（闭卷）70%,课程学习内容,半导体物理部分（共约32课时）,第一章 固体的晶体结构（2学时）,第三章 固体量子理论初步 （7学时）,第四章 平衡状态下的半导体（8学时）,第五章载流子输运（6学时）,第六章 半导体中的非平衡过剩载流子（9学时）,课程学习内容,第七章 PN结 （4学时）,第八章 pn结二极管 （5学时）,第九章 金属半导体和半导体异质结 （4学时）,第十章 金属-氧化物-半导体场效

6、应晶体管基础（10学时）,第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入（3学时）,第十二章双极晶体管（6学时）,半导体器件部分（共约32课时）,课程特点与学习目标,课程特点理论性强，涉及基础物理、高等数学、化学等知识内容广，涉及半导体材料、器件、工艺的相关知识概念、术语多。如：晶格结构、电子有效质量、空穴、费米能级、载流子浓度、迁移率等 理论与工程相结合、定性与定量相结合。需要一定的数学公式推导与计算,学习目标、要求、建议目标：掌握基本物理概念，基本物理理论，模型，器件基本工作原理， 领会其中的物理意义，物理过程，学会基本的推导和计算。要求：独立完成课后作业习题，认真进行课后自修与总结建

7、议：注重物理概念，物理原理，物理意义的思考和学习，提倡问答式学习，讨论式学习；关注学科背景及发展现状，理论联系实际，培养钻究能力，激发专业学习兴趣。,第一章 固体晶格结构,1.1半导体材料半导体基本特性半导体分类1.2 固体类型固体半导体类型1.3 空间晶格固体晶格固体晶胞：晶胞与原胞、密勒指数、晶向指数金刚石结构和闪锌矿结构：硅、砷化镓晶胞结构 1.4 原子价键,1.1 半导体材料,半导体基本特征：导电性介于金属和绝缘体之间,根据掺杂不同，电阻率可在很大范围内变化，具有两种导电类型。纯净半导体为负温度系数具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导气体、压力、磁场等

8、对半导体电阻率都产生较大的影响,导体： 10-6cm 10-4cm Cu:10-6cm 半导体：10-4cm1010cm Ge=0.2cm 绝缘体：1010cm,气敏传感器 压力传感器 霍尔传感器 重力传感器,二极管 晶体管等电子器件及集成电路,图像传感器、激光器等光电子器件,半导体分类,固体半导体分类：,半导体定义与分类,无机半导体种类与应用：,半导体材料革新代系：,第一代：元素半导体,硅Si、锗Ge、,第二代：化合物半导体,砷化镓GaAs,磷化铟InP,第三代：宽禁带半导体,氮化镓GaN、碳化硅SiC,最新研究热点,纳米材料，低维材料等，如石墨烯graphene 、碳纳米管CNT。,1.2

9、 固体类型,固体分类：,（a）非晶体：基本无序，仅在几个原子尺度（纳米级）内有序（b）多晶体：短程有序，长程无序，在多个原子尺度（微米级）具有几何周期性形成晶粒，晶粒之间是无序的（c）单晶体：长程有序，整体范围（毫米级）内具有几何周期性，结构均匀对称，具有良好的电子特性,目前应用最广的、最成熟的半导体材料均为固体单晶。 如单晶硅。纳米非晶材料成为研究热门，如非晶硅。,单晶材料（完美几何外观）,多晶硅与非晶硅 （片状，块状）,1.3晶体结构-空间晶格,一个典型的单元或原子团在三维的每一个方向上按某种间隔规则重复排列就形成了单晶体。,为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子（单元或原子团）（基元）抽象

10、为一个点，这个抽象出的点称为格点。,构成晶体的格点集合称为空间点阵。,由空间点阵构成的网络就是晶格。晶格就是为了方便描述以及研究晶体结构而抽象出来的一种几何结构模型。,晶格,晶体=基元+晶格,晶体种类很多，但可以归纳为有限的晶格结构,晶胞与原胞,晶胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体的一小部分晶体。原胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体的最小晶胞。,二维晶格中的几种不同的晶胞选取,A,B,C,D中为原胞的是？,A 和 B,原胞与晶胞的区别,原胞的格点在原胞的顶角上，内部和面上不含其它格点。原胞的选择只考虑晶体的周期性，原胞的边一般是非正交的。晶胞的格点可以在顶角上，也可在其内部和面上，

11、晶胞除了考虑晶体的周期性外，还可根据晶胞的特殊对称性来选取。晶胞的边可以选择正交的边。,在固体物理学的研究中常采用原胞，称为固体物理学原胞。仅考虑周期性。在半导体物理学中常采用晶胞，考虑周期性和对称性,基矢,基矢：三个相互独立的边矢量，用于确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周期排列构成晶格，因此，基矢的大小又称为晶格常数。,对左图，a，b，c为晶胞基矢；a1，a2，a3为原胞基矢。,基矢的坐标轴即为晶轴,基本的晶格结构,根据原胞或晶胞的结构，所有晶体的结构可归结为14种晶格结构。主要的半导体材料晶格结构可归结为三种基本结构：简单立方，体心立方，面心立方,三个方向基矢大小相等为a，

12、互相正交，晶格常数为a，具有立方对称性,例题,例1.1，考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度,解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。,例题,简立方的原子体密度是3x1022cm-3.假定原子是刚球并与最近相邻原子相切。确定晶格常数和原子半径。,a,r,用于制造集成电路的晶圆模型,晶面和密勒指数,半导体器件总是做在半导体的某个表面上，我们可以用晶格参数描述这些面。晶面：通过格点做的平面。密勒指数：某一晶面在晶格坐标轴上的截距的倒数可以化为互质的整数

13、hkl来表示晶面的取向，称为密勒指数。用符号（hkl）来表述晶面。,2c,3b,4a,（a) (1 0 0) (b) (1 1 0) (c) (1 1 1),立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成100，同理等效对角面110，等效顶对角面111。,任何平行的平面都是彼此等效的,晶列和晶向指数,晶体总是按某一个方向生长，而且晶体在不同的方向上具有不同的生长和被腐蚀速度。晶列：任意两个格点的连线称为晶列。晶向指数：在坐标系中晶列的方向用晶向指数表示，它们是该晶列对应的矢量的分量。用hkl表述,1 1 1,晶向100110111

14、垂直于晶面(100)(110)(111),等效晶向,用表示时，代表所有的等效晶向,所有立方边方向等效,所有面对角线方向等效,所有体对角线方向等效,例题,某一体心立方结构的晶格常数是5。计算(1 1 0)平面的原子面密度。,(1 1 0)平面,原子价键,原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达到最低。这个结合力就是原子价键提供。原子间成键，倾向于形成满壳层，以使能量低。原子类型不同，则原子价键类型不同，进而形成了不类型的晶体。离子键（Ionic bonding），例如NaCl晶体等；共价键（Covalent bonding），例如 Si、Ge以及GaAs晶体等金属键（Metalli

15、c bonding），例如 Li、Na、K、Fe、Cu、Au、Ag等范德华键（Van der Waals bonding），例如，HF分子之间在低温下也通过范德华键形成分子晶体。,硅材料中共价键形成示意图,金刚石结构与闪锌矿结构,金刚石结构 ：四族硅（Si），锗(Ge);闪锌矿结构：三五族化合物砷化镓（GaAs）等;纤锌矿结构：二六族化合物硫化铬(CdS)，硫化锌（ZnS）等;氯化钠型结构：四六族硫化铅(PbS)，锑化铅（PbTe）等。,常见的半导体晶体结构,金刚石结构,金刚石型结构重要的半导体材料硅、锗等为第四主族元素。原子的最外层都有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合，

16、它们的晶格结构与碳原子组成的一种金刚石晶格一样，都属于金刚石结构。,从化学键的角度分析金刚石结构,一个原子与周围四个原子组成四个共价键，共价键处于sp3杂化轨道状态，它们之间具有相同的夹角为10928，构成了正四面体结构。,金刚石结构：其最重要特点是结构中每个原子有四个最近邻的原子，这五个原子组成正四面体。,正四面体积累起来得到上图的网状金刚石型结构,从晶格角度分析金刚石结构,金刚石结构的晶胞结构：由两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。,金刚石结构的晶格为复式晶格：立方顶角和面心上的原子等效，晶胞内的4个原子等效,金刚石晶胞在（100）面上的投影：,

17、（100）面,0、1/2位置原子为一个面心立方晶格的原子,1/4、3/4位置原子为位移体对角线1/4的另一面心立方晶格的原子,例题：实验测得硅晶格常数为0.543089nm。求硅的原子体密度，两个原子间最短距离。,例题：计算硅晶体（1 1 1）晶面的原子面密度。a= 0.543089nm,闪锌矿结构,闪锌矿型结构和混合键,砷化镓等三五族化合物半导体材料为闪锌矿结构,金刚石结构与闪锌矿结构的区别在于：金刚石结构中只有一种元素原子，而闪锌矿结构中有两种元素原子。,闪锌矿型结构,闪锌矿型结构和混合键,化合物半导体共价键具有不同程度的离子性，这类半导体称为极性半导体。,Ga,As,As原子具有一定的电负性,小结：,重要知识点：晶胞，原胞及其区别晶格常数晶面与密勒指数晶列与晶向指数基本要求：掌握三种简单晶格结构的特征。会计算原子体密度和面密度。会使用密勒指数和晶向指数标示和识别晶面和晶向。掌握硅、砷化镓的晶胞结构。,参考资料,半导体材料晶胞的多媒体动画交互模型，可访问http:/jas.eng.buffalo.edu/ ：1 crystal structure,