1、半導(dǎo)體器件物理第1頁參 考 書S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Jahn Wiley & Sons, Inc. 1981.施敏 著, 黃振崗譯, 半導(dǎo)體器件物理，電子工業(yè)出版社, 1987.王家驊等編著，半導(dǎo)體器件物理，科學(xué)出版社，北京，1983。施敏(S.M. Sze)主編，當(dāng)代半導(dǎo)體器件物理，科學(xué)出版社，北京，。第2頁主 要 內(nèi) 容第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)，能帶論，晶格振動(dòng)，半導(dǎo)體統(tǒng)計(jì)，非平衡載流子輸運(yùn), 器件工作基本方程第二章 半導(dǎo)體接觸P-N結(jié)異質(zhì)結(jié)金屬-半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體絕緣體 M I S第3頁

2、第三章 經(jīng)典半導(dǎo)體器件3.1 雙極結(jié)型晶體管基本工作原理，輸出特征，等效電路，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)3.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管, MOSFET基本工作原理和電荷控制模型,C-MOS器件基本工作原理,異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,非晶薄膜晶體管3.3 光電子器件LED和半導(dǎo)體激光器,光探測(cè)器,太陽能電池,集成光電子學(xué)3.4 專用微波器件隧道二級(jí)管,IMPATT器件,體效應(yīng)器件第四章 新型半導(dǎo)體器件超晶格器件，共振隧道器件，其它新型半導(dǎo)體主 要 內(nèi) 容第4頁第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1 半導(dǎo)體材料1.2 晶體結(jié)構(gòu)1.3 能帶1.4 熱平衡時(shí)載流子濃度1.5 載流子輸運(yùn)1.6 半導(dǎo)體聲子譜以及光

3、學(xué)、熱學(xué)和高場(chǎng)性質(zhì)1.7 半導(dǎo)體器件工作基本方程Ch1第5頁1.11.1 半導(dǎo)體材料固體材料依據(jù)導(dǎo)電性能可分為：絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體絕緣體：熔凝石英、玻璃 ：10-18-10-8 S/cm半導(dǎo)體：硅、砷等，介于絕緣體與導(dǎo)體之間，且對(duì)溫度、光照、磁場(chǎng)及雜質(zhì)原子等敏感電子應(yīng)用領(lǐng)域中最主要材料之一。導(dǎo)體： 鋁、銀等， ：104-106 S/cm第6頁絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體電導(dǎo)率經(jīng)典范圍。第7頁周期表中與半導(dǎo)體相關(guān)部分周期II族III族IV族V族VI族2B硼C碳N氮3Mg鎂Al鋁Si硅P磷S硫4Zn鋅Ga鎵Ge鍺As砷Se硒5Cd鎘In銦Sn錫Sb銻Te碲6Hg汞Pb鉛第8頁1.1元素與化合物半導(dǎo)體元素

4、IV-IV族化合物III-V族化合物II-VI族化合物IV-VI族化合物Si60年代初Ge50年代初SiCAlAs AlSbBN GaAsGaP GaSbInAs InPInSbCdS CdSeCdTe ZnS ZnSeZnTePbSPbTe絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅材料制作微波、光電器件主要用來制作微光電器件，紅外器件和光電池。第9頁1.1半導(dǎo)體材料形態(tài)非晶多晶晶體非晶態(tài)半導(dǎo)體： 原子排列長程無序，有一些非晶材料常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但在到達(dá)一定值外界條件(如電場(chǎng)、光、溫度等)時(shí)，展現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等。晶體：原子有

5、規(guī)律排列，含有確定晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。多晶：由大晶粒和晶界組成，也可能包含部分非晶,保留了單晶基本性質(zhì)，總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。第10頁半導(dǎo)體材料制備從熔體中制備Growth from melt：Czochralski（提拉法）:利用子晶生長Slice boule into wafers:Zone refining: 外延生長Epitaxial growth:CVD、PVD方法(非晶薄膜）：晶體晶體Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 1.1第11頁1.2 晶體結(jié)構(gòu)-單晶半導(dǎo)體材料1.2晶體中原子周期性排列稱為晶格，整個(gè)晶格能夠用單胞來描述

6、，重復(fù)單胞能夠形成整個(gè)晶格。三種立方晶體單胞簡單立方 Cubic(P Mn)體心立方 bccBody center(Na,W,etc)面心立方 fcc(Al,Au,etc)xzyaxzyaxzya第12頁1.2金剛石結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，由兩個(gè)面心立方子晶格相互嵌套而成。硅，鍺，每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰。閃鋅礦結(jié)構(gòu)，兩種元素，GaAs, GaP等第13頁纖鋅礦結(jié)構(gòu)，CdS, ZnS 化合物半導(dǎo)體兩種單胞巖鹽結(jié)構(gòu)，PbS, PbTe 選擇單胞規(guī)則：1）對(duì)稱性與整個(gè)晶體對(duì)稱性一致，2）直角最多，3）體積最小晶體學(xué)單胞或慣用單胞第14頁晶向：從坐標(biāo)原點(diǎn)到點(diǎn) （u ,w） 直線1。特定方向用方括號(hào)表示： u

7、w 2。晶向指數(shù) u，w 是一組最小指數(shù)，1/2 1/2 11123。負(fù)指數(shù) w 4。由對(duì)稱性決定等效晶向1.2基失: 基本平移矢量，平移矢量（連接任意兩個(gè)陣點(diǎn)矢量）不過任何 陣點(diǎn) 。取一原點(diǎn)O，選 三個(gè)基本平移矢量。任何一平移矢 量 ，都可用 表示:晶面：在坐標(biāo)軸上截距為1/h, 1/k , 1/l 平面1/2 1/2 1112 1。晶面取向用圓括號(hào)表示(h k l ) 2。 h k l 稱為米勒指數(shù) 3。負(fù)指數(shù)( k l ) 4。由對(duì)稱性決定等效晶面h k l 第15頁1.2一些半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)元素/化合物名稱晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)（300K)元素半導(dǎo)體CGeSiSnCarbon(D

8、iamond)GermaniumSiliconGrey TinDiamondDiamondDiamondDiamond3.566795.657485.430866.4892IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358III-VAlSbBNBPGaNGaSbGaAsGaPInSbInAsInPAluminum antimonideBoron nitrideBoron phosphideGallium nitrideGallium antimonideGallium arsenideGallium phosphideIndium antimonideIndium a

9、rsenideIndium phosphideZincblendeZincblendeZincblendeWurtziteZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblende6.13553.6154.538a=3.186, c=5.1766.09555.65345.45056.47886.05855.8688第16頁元素/化合物名稱晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)（300K)II-VICdSCdSCdSeZnOZnSZnSCadmium sulfideCadmium sulfideCadmium selenideZinc oxideZinc

10、sulfideZinc sulfideZincblendeWurtziteZincblendeCubicZincblendeWurtzite5.832a=4.16, c=6.7566.054.585.42a=3.82, c=6.26IV-VIPbSPbTeLead sulfideLead tellurideCubicCubic5.9356.460一些半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)第17頁倒格基矢：當(dāng)給定一組正基矢（a,b,c)時(shí)，可定義一組倒格基矢(a*,b*,c*)倒格矢：每個(gè)倒格矢垂直于正格子一組晶面，倒格子原胞與正格子原胞體積成反比：第18頁維格納-賽茨原胞：從倒格子中選定中心點(diǎn)到緊鄰等效

11、倒格點(diǎn)作垂直平分面，如此得到一組垂直平分面即可圍成一個(gè)維格納-賽茨原胞。第19頁1.3 1.3 能帶 1。能帶形成 近自由電子近似 緊束縛近似 k空間和態(tài)密度 金屬、半導(dǎo)體、絕緣體能帶 直接和間接禁帶 帶隙溫度依賴2。電子和空穴有效質(zhì)量第20頁1.3.11.3.1 能帶形成 近自由電子近似緊束縛近似k空間和態(tài)密度金屬、半導(dǎo)體、絕緣體能帶直接和間接禁帶帶隙溫度依賴第21頁自由電子氣模型近自由電子近似 一維電子氣色散曲線kE0/a2/a3/a-3/a-2/a/akE0/a/a擴(kuò)展區(qū)方案簡約區(qū)方案色散關(guān)系采取最簡單形式第22頁一維近自由電子模型能帶和帶隙當(dāng)晶體周期勢(shì)比較弱時(shí),能夠?qū)⑵渥鳛槲_來處理,

12、 即用近自由電子模型來代替自由電子模型。適合于簡單金屬(Na,K,Al)和窄帶隙半導(dǎo)體。因?yàn)橹芷谖_勢(shì)存在，在Brillouin區(qū)邊界產(chǎn)生帶隙，即能譜中出現(xiàn)禁帶。kE0/a2/a3/a-3/a-2/a/akE0/a/a近自由電子近似 擴(kuò)展區(qū)方案簡約區(qū)方案第23頁1.3LCAO-Linear combination of atomic orbitals緊束縛近似 緊束縛近似表明：假如晶格間距a比較大原子，相互之間離得比較遠(yuǎn)，則每個(gè)原子能級(jí)含有N重簡并，而當(dāng)a減小時(shí)，波函數(shù)重合造成能帶。能夠用強(qiáng)定域化原子波函數(shù)線性組合來構(gòu)建Bloch函數(shù)。E原子固體第24頁1.3晶體中電子共有化運(yùn)動(dòng)孤立原子電子能

13、級(jí)分立晶體 由大量原子結(jié)合而成 各原子電子軌道有不一樣程度交疊 電子運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)共有化 單一能級(jí)分裂成N個(gè)新能級(jí) N個(gè)新能級(jí)之間差異較小，N很大，所以成為含有一定寬度能帶原子晶體導(dǎo)帶價(jià)帶L晶格間距使孤立硅原子彼此靠近組成金剛石結(jié)構(gòu)晶體時(shí)形成能帶第25頁1.3金屬、半導(dǎo)體和絕緣體能帶 價(jià)帶全滿導(dǎo)帶全空(a)絕緣體價(jià)電子與近鄰原子形成強(qiáng)鍵，極難打破，沒有電子參加導(dǎo)電。能帶圖上表現(xiàn)為大禁帶寬度，價(jià)帶內(nèi)能級(jí)被填滿，導(dǎo)帶空著，熱能或外場(chǎng)不能把價(jià)帶頂電子激發(fā)到導(dǎo)帶。近鄰原子形成鍵結(jié)合強(qiáng)度適中，熱振動(dòng)會(huì)使一些鍵破裂，產(chǎn)生電子和空穴。能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度較小，價(jià)帶內(nèi)能級(jí)被填滿，一部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在

14、價(jià)帶中留下空穴。外加電場(chǎng)，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴都將取得動(dòng)能，參加導(dǎo)電。導(dǎo)帶或者被部分填充，或者與價(jià)帶重合。很輕易產(chǎn)生電流.導(dǎo)帶（c)金屬半滿帶價(jià)帶(b)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶第26頁1.3直接和間接禁帶 Ge, Si和GaAs能帶結(jié)構(gòu)。 第27頁1.3帶隙溫度依賴 大多數(shù)半導(dǎo)體能隙隨溫度升高而降低。Ge, Si和GaAs能隙隨溫度改變關(guān)系。 Ge Si GaAs0K：0.743, 1.17, 1.519 eV室溫: 0.66, 1.12, 1.42 eV Eg(T)=Eg(0) - T2/(T+)第28頁1.3K空間和態(tài)密度 晶體中電子因?yàn)槭艿接邢摅w積限制，k值只能取分立值n, l, m為任意整數(shù)L3為

15、晶體體積慣用幾何方法標(biāo)志晶體中電子共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：kykxkz每一組(n, l, m)對(duì)應(yīng)“k空間”中一個(gè)點(diǎn)，代表一個(gè)確定電子共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。k空間中點(diǎn)密度，代表電子狀態(tài)密度。依據(jù)k空間中狀態(tài)密度，和能量表示式，能夠求能態(tài)密度。第29頁1.3.2 有效質(zhì)量 為描述電子和空穴運(yùn)動(dòng)而引入對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近，電子在x, y, z方向有效質(zhì)量：在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近，晶體中電子與自由電子相同，只不過含有有效質(zhì)量。 帶底，有效質(zhì)量為正，帶頂，有效質(zhì)量為負(fù)。 有效質(zhì)量各向異性。 復(fù)雜能帶可能有多個(gè)峰和谷，有可能有多組有效質(zhì)量。第30頁 K空間等能面-標(biāo)志晶體中載流子E(k)關(guān)系簡單立方晶體等能面是以

16、k0為中心球面。mx* = my* = mz* 鍺、硅-旋轉(zhuǎn)橢球。橫向有效質(zhì)量：mt* ；縱向有效質(zhì)量：ml* 結(jié)合詳細(xì)問題有效質(zhì)量：態(tài)密度和電導(dǎo)有效質(zhì)量。 電子電導(dǎo)有效質(zhì)量： 電子態(tài)密度有效質(zhì)量：第31頁1.4 熱平衡時(shí)載流子濃度 本征硅n型(磷，施主)摻雜 p型(硼，受主)摻雜 Si三種基本鍵圖形第32頁1.4.1 本征半導(dǎo)體 導(dǎo)帶內(nèi)被占據(jù)能級(jí)數(shù)導(dǎo)帶底附近，非簡并半導(dǎo)體，電子密度：同理，價(jià)帶頂附近，非簡并半導(dǎo)體，空穴密度：本征半導(dǎo)體：本征載流子濃度（1）（2）(1)=(2)本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)非?？拷鼛吨醒氲?3頁可得到本征載流子濃度： Ge，Si 和GaAs本征載流子濃度與溫度關(guān)系。質(zhì)量

17、作用定律. 第34頁本征溫度Ti：載流子濃度=本底濃度 本征溫度與本底濃度關(guān)系第35頁1.4.2 施主和受主 施主能級(jí)：該能級(jí)上填充一個(gè)電子后呈中性，而撤空后帶正電。 受主能級(jí)：該能級(jí)若為空則呈中性，若填充一個(gè)電子則帶負(fù)電。 Ge，Si和GaAs中各種雜質(zhì)實(shí)測(cè)電離能。 第36頁Ge，Si和GaAs中各種雜質(zhì)實(shí)測(cè)電離能。 淺能級(jí)；對(duì)電導(dǎo)有主要影響。 深能級(jí)：對(duì)復(fù)合和俘獲有作用。 多重能級(jí) 第37頁1.4.3 費(fèi)米能級(jí) 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近在帶隙中央，熱平衡時(shí)本征半導(dǎo)體能帶、態(tài)密度、費(fèi)米分布和載流子濃度。第38頁摻雜半導(dǎo)體呢？依據(jù)載流子濃度和類型能夠確定費(fèi)米能級(jí)位置。n型和p型半導(dǎo)體能帶、態(tài)密度

18、、費(fèi)米分布和載流子濃度。第39頁考慮n型半導(dǎo)體： 施主雜質(zhì)濃度：ND 電中性條件： 總負(fù)電荷（電子）=總正電荷（空穴+電離施主） 施主雜質(zhì)能級(jí)基態(tài)簡并度雜質(zhì)能級(jí)未被占據(jù)幾率，即電離幾率第40頁對(duì)于給定NC,ND, NA,NV,EC,ED, EA,EV,T，費(fèi)米能級(jí)能夠唯一確定?？紤]p型半導(dǎo)體： 受主雜質(zhì)濃度：NA 第41頁施主雜質(zhì)濃度為1015 cm-3 Si樣品，電子密度與溫度關(guān)系。 500K，本征激發(fā)載流子濃度大于摻雜濃度，載流子主要由本征激發(fā)決定。本征區(qū)。禁帶寬度和雜質(zhì)電離能懸殊差異，載流子濃度在低溫主要是雜質(zhì)電離提供，高溫是本征激發(fā)。第42頁對(duì)于凝固區(qū)斜率，視賠償條件而定： 對(duì)于部分賠

19、償半導(dǎo)體, 當(dāng) 近似無賠償情況在不一樣溫度下,可能會(huì)有不一樣斜率 ,有拐折出現(xiàn) 第43頁對(duì)于飽和區(qū):在寬溫度范圍(比如上圖100500K)載流子密度保持恒定. 仍有質(zhì)量作用定律: 電中性條件: 對(duì)n型半導(dǎo)體: 有: 第44頁對(duì)p型半導(dǎo)體: 有: 第45頁依據(jù)以上兩個(gè)方程,得到費(fèi)米能級(jí)位置改變：硅費(fèi)米能級(jí)與摻雜濃度和溫度關(guān)系。帶隙與溫度關(guān)系。第46頁1.5 載流子輸運(yùn) 遷移率電阻率霍爾效應(yīng) 復(fù)合過程 第47頁1.5.1 遷移率 聲學(xué)聲子遷移率, 隨溫度T和有效質(zhì)量增加而降低.GaAs之類極性半導(dǎo)體，光學(xué)聲子散射機(jī)構(gòu)非常主要，要考慮。聲學(xué)聲子遷移率電離雜質(zhì)遷移率Ge, Si等非極性半導(dǎo)體，聲學(xué)聲子

20、、雜質(zhì)離子等散射，影響遷移率其它散射機(jī)制：谷內(nèi)散射， 谷間散射電離雜質(zhì)散射, 遷移率伴隨有效質(zhì)量而降低，隨溫度而增加，包含上述兩種機(jī)制組合遷移率為：第48頁伴隨濃度增加 遷移率降低伴隨m*增加遷移率也降低電子遷移率大于空穴遷移率室溫下Ge，Si和GaAs遷移率與雜質(zhì)濃度關(guān)系GeSiGaAs第49頁載流子擴(kuò)散系數(shù)與遷移率相關(guān)主要參數(shù)對(duì)于非簡并半導(dǎo)體，即np （n型半導(dǎo)體） 1.5.2 電阻率 電導(dǎo)率 ： 或?qū)τ须娮雍涂昭▋煞N載流子半導(dǎo)體： 電阻率測(cè)量： 四探針法第51頁300K下硅實(shí)測(cè)電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系并非載流子濃度第52頁300K下Ge, GaAs和GaP實(shí)測(cè)電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系第53頁1.5.3 霍爾效應(yīng) 為了直接測(cè)量載流子濃度，最慣用方法是霍爾效應(yīng)法。霍爾測(cè)量載流子密度裝置示意圖霍爾系數(shù)npp n可判斷導(dǎo)電類型可確定載流子濃度霍爾遷移率： 第54頁1.5.4 復(fù)合過程 每當(dāng)物理系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)受到擾動(dòng)，即pn ni2系統(tǒng)要恢復(fù)平衡 ，復(fù)合過程 帶間復(fù)合 輻射過程俄歇過程對(duì)于含有直接帶隙大多數(shù)III- V族化合物是最主要第55頁單能級(jí)復(fù)合 電子俘獲、電子發(fā)射、空穴俘獲、空穴發(fā)射。 最有效復(fù)合中心是帶隙中央附近能級(jí)。小注入條件下，復(fù)合率： n型半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體內(nèi)少數(shù)載流子（空穴）壽命） 第56頁多能級(jí)陷阱 定性地類似于單能級(jí)情形 壽命是與全部帶正電、負(fù)