1、復旦大學微電子研究院包宗明B半導體物理、器件和工藝導論（第一部分）半導體物理和半導體器件物理復旦大學微電子研究院半導體物理、器件和工藝導論（第一部分）本課程的目的為后繼課程的學習打基礎；提高工作中分析問題和解決問題的能力；提高今后工作中繼續(xù)學習和研究的能力。主要參考書：雙極型與MOS半導體器件原理黃均鼐 湯庭鰲編著其他參考書：1、半導體物理學 劉恩科 國防工業(yè)出版社 （1994）2、R.M.Warner,B.L.Grung (半導體器件電子學呂長志等譯，電子工業(yè)出版社2019年2月出版)3、Robert F. Pierret (半導體器件基礎黃 如等譯，電子工業(yè)出版社2019年11月出版)本課

2、程的目的為后繼課程的學習打基礎；要 求這門課程是本科三門課程的集合，本科課堂教學約200學時，而且學習難度比較大，和后繼課程關系密切，你們必須努力學習。本課程學習范圍限于課堂內容。參考書中相關的內容自己選擇閱讀。不無故缺課。認真聽課（記筆記)。認真復習(研讀筆記或ppt，看參考書相關內容）。認真整理重點內容。認真做習題。要 求這門課程是本科三門課程的集合，本科課堂教半導體物理和半導體器件物理半導體中的電子狀態(tài)平衡態(tài)電子統(tǒng)計分布電導率和遷移率非平衡載流子結MOSC-VBJT（雙極型晶體管）MOSFET(MOS晶體管）半導體物理和半導體器件物理半導體中的電子狀態(tài)單晶半導體單晶：原子在空間按一定的規(guī)

3、律周期性排列。金剛石、硅、砷化鎵等大部分半導體是兩個面心立方晶格的套移。后者兩個格子是由異種原子組成。單晶半導體單晶：原子在空間按一定的規(guī)律周期性排列。晶列指數(shù)-晶向指數(shù)任何兩個原子之間的連線在空間有許多與它相同的平行線。一族平行線所指的方向用晶列指數(shù)表示晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標軸上的投影的比例取互質數(shù)111、100、110晶列指數(shù)-晶向指數(shù)任何兩個原子之間的連線在空間有許多與它相同晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相同的平行晶面一族平行晶面用晶面指數(shù)來表示它是按晶面在坐標軸上的截距的倒數(shù)的比例取互質數(shù)(111)、(100)、(110)相同指數(shù)的晶面和晶列互相垂直。單

4、晶、多晶和非晶。晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相第一章 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子可能處在哪些能量狀態(tài)處在不同能量狀態(tài)的電子的行為不同。引入有效質量就可以用經典力學的方法處理半導體中電子的運動規(guī)律，有效質量和能帶結構有關。晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質量，能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負質量。接近填滿的能帶中電子運動的總效果可以用虛擬的粒子空穴來描述。第一章 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子可能處在哪些能量狀態(tài)自由電子的粒子性和波h是普朗克常數(shù)k稱為波矢，是一個矢量，代表波傳播的方向。自由電子的粒子性和波h是普朗克常數(shù)k稱為波矢，是一個矢量，代原子中電子的運動

5、狀態(tài)Schrdinger 方程波函數(shù)：自旋量子數(shù)磁量子數(shù)角量子數(shù)主量子數(shù)E1E2E3勢函數(shù)：拉普拉斯算符：能量：原子中電子的運動狀態(tài)Schrdinger 方程波函數(shù)：自旋單晶體中電子允許存在的狀態(tài)？不同狀態(tài)電子的行為？單晶體中電子允許存在的狀態(tài)？單晶體中電子的能帶結構（E、k關系）薛定諤方程勢能模型求解能帶結構（E-k關系）。用量子力學的方法可以求出各種單晶體中的電子在理想狀態(tài)下的能量（E）、波矢（k）關系。它既不同于自由電子的能量隨波矢連續(xù)增加也不同于原子中的電子處于分立的能量狀態(tài)，而是形成能帶 。E是k的周期性函數(shù)，而且和方向有關。 從Ek關系可以說明半導體的各種電學和光學性質：可以得到有

6、效質量；可以知道在相同的電場作用下，那些半導體中的電子速度比較快；可以解釋為什么有的半導體在強電場時會出現(xiàn)微分負阻效應；可以了解那些半導體適合于制造發(fā)光器件。單晶體中電子的能帶結構（E、k關系）薛定諤方程勢能模型軌道交疊當空間周期性排列的原子間距縮小使原子的價電子軌道發(fā)生交疊時就會出現(xiàn)共有化運動。軌道交疊當空間周期性排列的原子間距縮小使原子的價電子軌道發(fā)生能級轉變?yōu)槟軒М斣又g距離逐步接近時，原子周圍電子的能級逐步轉變?yōu)槟軒?，下圖是金剛石結構能級向能帶演變的示意圖。能級轉變?yōu)槟軒М斣又g距離逐步接近時，原子周圍電子的能級逐簡單的一維勢阱用簡單的一維矩形勢阱計算出能帶的基本特征。Vx簡單的一

7、維勢阱用簡單的一維矩形勢阱計算出能帶的基本特征。Vx單晶體的能帶最簡單的一維矩形勢阱中電子的能帶圖（E-k圖）.絕緣體、半導體、金屬和半金屬能帶的示意圖（上圖只表示狀態(tài)按能量分布，下圖為E-k圖）。單晶體的能帶最簡單的一維矩形勢阱中電子的能帶圖（E-k圖）.單晶體中電子的速度和有效質量單晶體中電子的速度和有效質量可以從E、k關系求得。簡單情況和自由電子相類似。實際單晶體是各向異性的，能帶結構非常復雜，有效質量的倒數(shù)是一個張量。單晶體中電子的速度和有效質量單晶體中電子的速度和有效質量可以單晶體中電子的速度和有效質量E-kE-kv-km*-km*k單晶體中電子的速度和有效質量E-kE-kv-km*

8、-km*k電場作用下晶體中電子的運動單晶體E-k關系是周期性的，所以只需要討論一個周期，即第一布里淵區(qū)的情況。通常能帶頂部和底部E-k關系接近二次曲線，有效質量接近常數(shù)，頂部為負底部為正。允許帶中電子允許占有的能量狀態(tài)也是分立的。在外電場作用下電子狀態(tài)在k空間作勻速運動：充滿電子的能帶中的電子在恒定電場的作用下雖然它們的狀態(tài)在變化但是整體速度分布不變所以不傳導電流。絕緣體價帶充滿電子，價帶上面是沒有電子的空帶，禁帶又寬，幾乎沒有本征激發(fā)載流子，所以不能傳導電流。只有能帶沒有完全填滿才能傳導電流。電場作用下晶體中電子的運動單晶體E-k關系是周期性的，所以只晶體中電子的運動對電流的貢獻量子力學計算

9、表明單晶體中電子運動對電流的貢獻可以用自由電子類似的方法處理。當能帶中電子的填充率比較低的時候，只需把電子的質量改為有效質量。當能帶接近填滿的情況下，可以引入空穴來替代該能帶中所有電子對電流的總貢獻?？昭ㄊ且粋€虛擬的粒子，它帶有正電荷，電量是一個電子電荷，有效質量是該能帶頂電子有效質量的負值。因為能帶頂電子的有效質量是負值，所以空穴的有效質量是正值。晶體中電子的運動對電流的貢獻量子力學計算表明單晶體中電子運動空穴空穴有效質量有效質量微電子器件第一章電子態(tài)課件硅和砷化鎵的能帶硅和砷化鎵的能帶從E-k關系可以得到晶體中電子的有效質量電子有效質量輕空穴重空穴電子從E-k關系可以得到晶體中電子的有效質

10、量電子有效質量輕空穴重硅和砷化鎵能帶的特征砷化鎵導帶底和價帶頂同時在波矢為零處，稱為直接能帶，而硅導帶底不在波矢為零處，稱為間接能帶；硅在第一布里淵區(qū)導帶底有六個最小值；價帶頂都有兩個分支，所以有兩種載流子（輕空穴和重空穴），變化比較大的曲線對應的有效質量??；砷化鎵導帶的底部（稱為主能谷）和上面的極小值(稱為子能谷）之間能量差只有0.29eV，高于常溫電子的熱運動能量0.026eV；砷化鎵的導帶中，和主能谷相比，子能谷的電子狀態(tài)密度大而電子遷移率低；砷化鎵在第一布里淵區(qū)有八個子能谷。硅和砷化鎵能帶的特征砷化鎵導帶底和價帶頂同時在波矢為零處，稱施主和受主能級施主和受主能級雜質補償和深能級（鍺中金

11、）雜質補償和深能級（鍺中金）局域能級處在導帶和價帶中的電子是共有化電子，它們在晶體中的許多位置上情況基本相同。被雜質和缺陷束縛的電子是局域電子，它被束縛在某個雜質附近的局部區(qū)域。必須給于能量，才能激發(fā)它脫離束縛參與共有化運動。所以它們束縛的電子處于禁帶中間的能級上。能級位置距離導帶或價帶比較近，以至于常溫下就可以幾乎全部被熱激發(fā)的能級叫淺能級，其它叫深能級。淺能級雜質通常用于有目的地摻入半導體中控制它的導電類型和電阻率。如施主雜質：磷、砷、銻；受主雜質：硼、鋁、鎵、銦。雜質缺陷形成的深能級的濃度通常比淺能級雜質少很多，它有顯著的復合和陷阱效應，在濃度高的時候也會有顯著的補償效應。絕大多數(shù)情況下

12、是對器件性能不利的有害因素，常常是我們要防范的對象。這也就是我們半導體工藝線對保持高度凈化特別重視的原因。局域能級處在導帶和價帶中的電子是共有化電子，它們在晶體中的許重點內容半導體單晶中原子在空間按一定規(guī)律周期性排列。用晶列指數(shù)或晶面指數(shù)表示晶體的取向。晶體中的一個電子受到晶體內部的原子和其他許多電子的作用，所以在外力作用下的運動規(guī)律和自由電子不同。量子力學計算表明引入電子有效質量就可以用經典力學的方法來處理單晶中電子行為。薛定諤方程勢能模型求解出E-k關系為一系列能帶。晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質量，而能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負質量。接近填滿的能帶中電子的整體行為可以用空穴來描述?？昭ㄊ菐д姾傻奶摂M粒子，其有效質量是空狀態(tài)電子有效質量的負值。電子和空穴兩種不同載流子的存在和可控是集成電路工藝的前提?？炊韬蜕榛壍哪軒?/p>