最新半導體器件物理之半導體材料

1、半導體器件物理半導體器件物理s.m. sze, physics of semiconductor devices, second edition, jahn wiley & sons, inc. 1981.施敏施敏 著著, 黃振崗譯黃振崗譯, 半導體器件物理半導體器件物理，電，電子工業(yè)出版社子工業(yè)出版社, 1987.王家驊等編著，王家驊等編著，半導體器件物理半導體器件物理，科學出，科學出版社，北京，版社，北京，1983。施敏施敏(s.m. sze)主編，主編，現(xiàn)代半導體器件物現(xiàn)代半導體器件物理理，科學出版社，北京，科學出版社，北京，2001。l第一章第一章 半導體物理基礎半導體物理基礎

2、 晶體結(jié)構(gòu)，能帶論，晶格振動，半導體統(tǒng)計，晶體結(jié)構(gòu)，能帶論，晶格振動，半導體統(tǒng)計，非平衡載流子輸運非平衡載流子輸運, 器件工作基本方程器件工作基本方程l第二章第二章 半導體接觸半導體接觸 p-n結(jié)結(jié) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 金屬金屬-半導體接觸半導體接觸 半導體絕緣體半導體絕緣體 m i sl第三章第三章 典型半導體器件典型半導體器件3.1 3.1 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管 基本工作原理，輸出特性，等效電路，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管基本工作原理，輸出特性，等效電路，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(hbt)(hbt)3.2 3.2 場效應晶體管場效應晶體管 結(jié)型場效應晶體管結(jié)型場效應晶體管, mosfet, mosfet的

3、基本工作原理和電荷控制模的基本工作原理和電荷控制模型型,c-mos,c-mos器件的基本工作原理器件的基本工作原理, ,異質(zhì)結(jié)場效應晶體管異質(zhì)結(jié)場效應晶體管, ,非晶薄膜非晶薄膜晶體管晶體管3.3 3.3 光電子器件光電子器件 ledled和半導體激光器和半導體激光器, ,光探測器光探測器, ,太陽能電池太陽能電池, ,集成光電子學集成光電子學3.4 3.4 專用微波器件專用微波器件 隧道二級管隧道二級管,impatt,impatt器件器件, ,體效應器件體效應器件l第四章第四章 新型半導體器件新型半導體器件超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半導體超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半導體1.1

4、 半導體材料半導體材料1.2 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)1.3 能帶能帶1.4 熱平衡時的載流子濃度熱平衡時的載流子濃度1.5 載流子輸運載流子輸運1.6 半導體的聲子譜以及光學、熱學和高場性質(zhì)半導體的聲子譜以及光學、熱學和高場性質(zhì)1.7 半導體器件工作的基本方程半導體器件工作的基本方程固體材料根據(jù)導電性能可分為：絕緣體、半導體和導體固體材料根據(jù)導電性能可分為：絕緣體、半導體和導體：熔凝石英、玻璃：熔凝石英、玻璃 ：1010-18-18-10-10-8-8 s/cm s/cm硅、砷等，硅、砷等， 介于絕緣體與導體之間，介于絕緣體與導體之間，且對溫度、光照、磁場及雜且對溫度、光照、磁場及雜質(zhì)原子等敏感質(zhì)原

5、子等敏感電子應用領電子應用領域中最重要的材料之一。域中最重要的材料之一。鋁、銀等，鋁、銀等， ：104-106 s/cm絕緣體、半導體和導體電導率的典型范圍。絕緣體、半導體和導體電導率的典型范圍。元素與化合物半導體元素與化合物半導體si60年代初年代初ge50年代初年代初sicalas alsbbn gaasgap gasbinas inpinsbcds cdsecdte zns znsezntepbspbte絕大多數(shù)絕大多數(shù)半導體器半導體器件都是用件都是用硅材料制硅材料制作的作的微波、光電微波、光電器件器件主要用來制作主要用來制作微光電器件，微光電器件，紅外器件和光紅外器件和光電池。電池。半

6、導體材料半導體材料形態(tài)形態(tài)非晶非晶多晶多晶晶體晶體非晶態(tài)半導體：非晶態(tài)半導體： 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，但在達到一定值的外界條件體，但在達到一定值的外界條件( (如電場、光、溫度等如電場、光、溫度等) )時，呈現(xiàn)時，呈現(xiàn)出半導體電性能，稱之為非晶態(tài)半導體材料。開關元件、記憶元出半導體電性能，稱之為非晶態(tài)半導體材料。開關元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等。件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等。晶體：晶體：原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。原子有規(guī)律排列，具有確定的晶體結(jié)構(gòu)，各向異性。多晶

7、：多晶：由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶由大的晶粒和晶界組成，也可能包括部分非晶, ,保留了單晶保留了單晶的基本性質(zhì)，總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。的基本性質(zhì)，總體性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性。半導體材料半導體材料的制備的制備從熔體中制備從熔體中制備growth from melt：czochralski（提拉法）（提拉法）:利用子晶生長利用子晶生長slice boule into wafers:zone refining: 外延生長外延生長epitaxial growth:cvd、pvd方法方法(非晶薄膜非晶薄膜）：）：晶體晶體晶體晶體vapor phase epitaxy mbe liquid

8、-phase epitaxy 晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個晶格可以用晶體中原子的周期性排列稱為晶格，整個晶格可以用單胞單胞來描述，來描述，重復重復單胞單胞能夠形成整個晶格。能夠形成整個晶格。三種立方晶體三種立方晶體單胞單胞簡單立方簡單立方 cubic(p mn)體心立方體心立方 bccbody center(na,w,etc)面心立方面心立方 fcc(al,au,etc)xzyaxzyaxzya金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，屬立方晶系，由兩個面心立方子晶格相互由兩個面心立方子晶格相互嵌套而成。嵌套而成。硅，鍺，硅，鍺，每個原子有四個最每個原子有四個最近鄰。近鄰。閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)

9、，兩種元素，兩種元素，gaas, gap等等纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，cds, zns 化合物半導體的兩種單胞化合物半導體的兩種單胞巖鹽結(jié)構(gòu)巖鹽結(jié)構(gòu)，pbs, pbte 晶向晶向：從坐標原點到點：從坐標原點到點 （u , ,w） 的直線的直線1。特定的方向用方括號表示：。特定的方向用方括號表示： u w2。晶向指數(shù)。晶向指數(shù) u， ，w 是一組最小的指數(shù)，是一組最小的指數(shù)，1/2 1/2 11123。負指數(shù)。負指數(shù) w4。由對稱性決定的等效晶向。由對稱性決定的等效晶向u 基失基失: 基本平移矢量，平移矢量（連接任意兩個陣點的矢量）不過任何基本平移矢量，平移矢量（連接任意兩個陣點的矢量）不過任何 陣

10、點陣點 。取一原點。取一原點o，選，選 三個基本平移矢量。任何一平移矢三個基本平移矢量。任何一平移矢 量量 ，都可用，都可用 表示表示:晶面晶面：在坐標軸上截距為：在坐標軸上截距為1/ 的平面的平面1/2 1/2 1112hcba,rcba,cwbaur 一些半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)元素元素/化合物化合物 名稱名稱晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)（晶格常數(shù)（300k)元素半導元素半導體體cgesisncarbon(diamond)germaniumsilicongrey tindiamonddiamonddiamonddiamond3.566795.657485

11、.430866.4892iv-ivsicsilicon carbidezincblende4.358iii-valsbbnbpgangasbgaasgapinsbinasinpaluminum antimonideboron nitrideboron phosphidegallium nitridegallium antimonidegallium arsenidegallium phosphideindium antimonideindium arsenideindium phosphidezincblendezincblendezincblendewurtzitezincblendezin

12、cblendezincblendezincblendezincblendezincblende6.13553.6154.538a=3.186, c=5.1766.09555.65345.45056.47886.05855.8688元素元素/化合物化合物名稱名稱晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)晶格常數(shù)（300k)ii-vicdscdscdseznoznsznscadmium sulfidecadmium sulfidecadmium selenidezinc oxidezinc sulfidezinc sulfidezincblendewurtzitezincblendecubiczincblendew

13、urtzite5.832a=4.16, c=6.7566.054.585.42a=3.82, c=6.26iv-vipbspbtelead sulfidelead telluridecubiccubic5.9356.460一些半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)一些半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)cbacba 2*cbadcb 2*cbabac 2* 2* aa0* ba*lckbhag 為整數(shù)為整數(shù)lkh,3)2(* vv1。能帶的形成。能帶的形成 近自由電子近似近自由電子近似 緊束縛近似緊束縛近似 k空間和態(tài)密度空間和態(tài)密度 金屬、半導體、絕緣體的能帶金屬、半導體、絕緣體的能帶 直接和間接禁帶直接

14、和間接禁帶 帶隙的溫度依賴帶隙的溫度依賴2。電子和空穴有效質(zhì)量。電子和空穴有效質(zhì)量1.3.1 能帶的形成能帶的形成 近自由電子近似近自由電子近似緊束縛近似緊束縛近似k空間和態(tài)密度空間和態(tài)密度金屬、半導體、絕緣體的能帶金屬、半導體、絕緣體的能帶直接和間接禁帶直接和間接禁帶帶隙的溫度依賴帶隙的溫度依賴 mkhke2/)(22 一維近自由電子模型的能帶和帶隙一維近自由電子模型的能帶和帶隙當晶體周期勢比較弱時當晶體周期勢比較弱時,可以將其作為微擾來處可以將其作為微擾來處理理, 即用近自由電子模型來代替自由電子模型。即用近自由電子模型來代替自由電子模型。適合于簡單金屬適合于簡單金屬(na,k,al)和窄

15、帶隙半導體。和窄帶隙半導體。由于周期微擾勢的存在，在由于周期微擾勢的存在，在brillouin區(qū)邊界產(chǎn)生帶隙，即能譜中出區(qū)邊界產(chǎn)生帶隙，即能譜中出現(xiàn)禁帶?，F(xiàn)禁帶。ke0/a2/a3/a-3/a-2/a/ake0/a/a -linear combination of atomic orbitals 孤立原子孤立原子電子能級分立電子能級分立晶體晶體 由大量的原子結(jié)合而成由大量的原子結(jié)合而成 各原子的電子軌道有不同程度的交疊各原子的電子軌道有不同程度的交疊 電子的運動出現(xiàn)共有化電子的運動出現(xiàn)共有化 單一的能級分裂成單一的能級分裂成n n個新的能級個新的能級 n n個新能級之間的差別較小，個新能級之間

16、的差別較小，n n很大，因此成為具有一定寬度的能帶很大，因此成為具有一定寬度的能帶原子原子晶體晶體ge導帶導帶價帶價帶nm543. 0l l晶格間距晶格間距使孤立的硅原子彼此接近組成金剛石結(jié)構(gòu)晶使孤立的硅原子彼此接近組成金剛石結(jié)構(gòu)晶體時形成能帶體時形成能帶價帶全滿價帶全滿導帶全空導帶全空eveg5價電子與近鄰原子形成強價電子與近鄰原子形成強鍵，很難打破，沒有電子鍵，很難打破，沒有電子參與導電。參與導電。能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶能帶圖上表現(xiàn)為大的禁帶寬度，價帶內(nèi)的能級被填寬度，價帶內(nèi)的能級被填滿，導帶空著，熱能或外滿，導帶空著，熱能或外場不能把價帶頂?shù)碾娮蛹霾荒馨褍r帶頂?shù)碾娮蛹ぐl(fā)到導帶。發(fā)到導帶

17、。近鄰原子形成的鍵結(jié)合強度近鄰原子形成的鍵結(jié)合強度適中，熱振動會使一些鍵破適中，熱振動會使一些鍵破裂，產(chǎn)生電子和空穴。裂，產(chǎn)生電子和空穴。能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度較能帶圖上表現(xiàn)為禁帶寬度較小，價帶內(nèi)的能級被填滿，小，價帶內(nèi)的能級被填滿，一部分電子能夠從價帶躍遷一部分電子能夠從價帶躍遷到導帶，在價帶中留下空穴。到導帶，在價帶中留下空穴。外加電場，導帶電子和價帶外加電場，導帶電子和價帶空穴都將獲得動能，參與導空穴都將獲得動能，參與導電。電。導帶或者被部分填充，或者導帶或者被部分填充，或者與價帶重疊。與價帶重疊。很容易產(chǎn)生電流很容易產(chǎn)生電流. .導帶導帶半滿帶半滿帶價帶價帶價帶價帶導帶導帶eveg1大

18、多數(shù)半導體的能隙隨溫大多數(shù)半導體的能隙隨溫度的升高而減少。度的升高而減少。,lmkllklnkzyx 1.3.2 有效質(zhì)量有效質(zhì)量 1222*1222*1222*)()()( zzyyxxkemkemkem1123 ltcnmmm3/12ltdnmmmtopeecdeefenn)()()exp(kteencnfc)exp(kteenpvfvinpnifee)ln(22cvvcnnktee)/exp(2ktennnnpgvci pnnd)exp(1111 kteegnnfddd)exp()exp(211)exp(kteenkteenkteenfvvdfdfccnnpa)exp(11kteegnn

19、faaa)exp()exp(11)exp(kteenkteegnkteenfccfaavfv )exp(21ktenndca)/exp()2(ktennnnndcaadadcdnktenn)/exp(21當)2/exp()(212/1ktennndcd )(dcdeee)/exp(2ktennnnpgvcidanpnnadiadnnnnn|若dnonndinoinonnnnp/22)ln(dcfcnnktee)ln(inoifnnkteedaidannnnn|若aponpaipoiponnpnn/22)ln(avvfnnktee)ln(ipofinpkteee 1)11( il 載流子擴散系數(shù)

20、載流子擴散系數(shù)與遷移率有關的重要參數(shù)與遷移率有關的重要參數(shù)對于非簡并半導體，即對于非簡并半導體，即np np （n n型半導體）型半導體） je電導率電導率 ： /1 ej對有電子和空穴兩種載流子的半導體：對有電子和空穴兩種載流子的半導體： )(11pnqpn nqn 1 nqn 霍爾效應霍爾效應 為了直接測量載流子濃度，最常用的方為了直接測量載流子濃度，最常用的方法是霍爾效應法。法是霍爾效應法。zxhyybjrwve )/(霍爾系數(shù)霍爾系數(shù))1(qnrrh )1(qprrh 霍爾遷移率：霍爾遷移率： | hhr 復合過程復合過程 每當物理系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)受到擾動，即每當物理系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)受到擾動，即pn ni2系統(tǒng)要恢復平衡系統(tǒng)要恢復平衡 ，復合過程復合過程 輻射過程輻射過程俄歇過程俄歇過程對于具有直接帶隙的大多數(shù)對于具有直接帶隙的大多數(shù)iii- v族化合物是最重要的族化合物是最重要的電子俘獲、電子發(fā)射、電子俘獲、電子發(fā)射、空穴俘獲、空穴發(fā)射?？昭ǚ@、空穴發(fā)射。pnnppu 0 )(0nntthpppnu tthppn 1 )(egh )1(xtpxeqjf 描述在外場作用下，半導體內(nèi)載流子的靜態(tài)和動態(tài)行為的方程。描述在外場作用下，半導體內(nèi)載流子的靜態(tài)和動態(tài)行為的方程。三類：麥克斯韋方程，電流密度方程，連續(xù)性方程。三類：麥克斯韋方程，電流密度方程，連