半導(dǎo)體器件物理第一章半導(dǎo)體特性

1、半導(dǎo)體器件物理第一章半導(dǎo)體特性1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)按導(dǎo)電能力分類物質(zhì)按導(dǎo)電能力分類導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體在電性能上的重要性質(zhì)半導(dǎo)體在電性能上的重要性質(zhì)熱敏特性熱敏特性摻雜特性摻雜特性光敏特性光敏特性1.1.1 晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu)1.固體分類固體分類晶體晶體非晶體非晶體單晶單晶多晶多晶2.晶胞晶胞 晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中最小的周期性重復(fù)的單元。晶胞的邊長稱為晶格常數(shù)，通常用a表示。 1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)aaa3. 幾種常見的晶格結(jié)構(gòu)幾種常見的晶格結(jié)構(gòu)簡單立方 面心立方 體心立方 1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 在器件和集成電路制造中使用的一些重要的半導(dǎo)體具有屬于四面體的金剛石或

2、閃鋅礦結(jié)構(gòu)。 1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2 晶面與晶向晶面與晶向 晶列的取向稱為晶向，為表示晶向，從一個格點O沿某個晶向到另一格點P作位移矢量R，則 R=l1a+l2b+l3c 若l1：l2：l3不是互質(zhì)的，則要通過l1：l2：l3= m：n：p化為互質(zhì)整數(shù)，mnp 就稱為晶列指數(shù)，寫作mnp，用來表示某個晶向。1.晶向晶向1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)XYZaXYZa2.晶面：晶面： 晶格中的所有格點也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族，通常我們用晶面指數(shù)（也稱為密勒指數(shù)）來表示晶面的不同取向。1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)aa2a3xyz0（1）首先確定該晶面在晶

3、軸上的三個截距，并以晶格常數(shù)為單位表示截距值。（2）然后取截距的倒數(shù)，并約簡為3個沒有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡成最簡單的整數(shù)比。（3）最后將此結(jié)果以“(hkl)”表示，即為此平面的密勒指數(shù)。 【例例】如圖的平面，試求其密勒指數(shù)如圖的平面，試求其密勒指數(shù)3.密勒指數(shù)計算密勒指數(shù)計算1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)XYZaXYZa100(100)4.三個重要的晶面與晶向三個重要的晶面與晶向 立方晶格中晶列指數(shù)和晶面指數(shù)相同的晶列和晶向是相互垂直的，如100晶向和（100）晶面垂直。 1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)YXZaaXYZaa111(111)1.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)XYZaaYXZaa110(110)1.

4、1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.2.1 晶面與晶向晶面與晶向1.電子的共有化運動電子的共有化運動1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 由于晶體中各原子靠得很近，引起各原子外層價電子的運動區(qū)域相互重疊起來，使價電子的運動區(qū)域在晶格中連成一片。電子在這一瞬間可以在甲原子周圍運動，而下一個瞬間又可通過交疊的運動區(qū)域轉(zhuǎn)到乙原子周圍運動，并以同樣的方式繼續(xù)轉(zhuǎn)移，不斷地從一個原子跑到另一個原子，從而能夠在整個晶體中運動。這就是電子的共有化運動。 1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 由于一塊晶體中的電子運動狀態(tài)不能相同，因此為了容納原來屬于N個單個原子的所有價電子，原來分屬于N個單個原子的相同的價電子能級必

5、須分裂成屬于整個晶體的N個稍有差別的能級，這些能級互相靠得很近，分布在一定的能量區(qū)域，通常就把這N個互相靠得很近的能級所占據(jù)的能量區(qū)域稱為能帶。 2.能帶的形成能帶的形成1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)允帶允帶允帶禁帶禁帶能級能帶原子軌道(有N個能級)u關(guān)于能帶的名詞：關(guān)于能帶的名詞：u1.允帶允許電子填充的能帶，稱為允帶。u2.禁帶禁止電子填充的能量區(qū)間，稱為禁帶。u3.空帶沒有電子填充的能帶，稱為空帶。u4.滿帶完全被電子填滿的能帶，稱為滿帶。u5.價帶價電子對應(yīng)能級分裂而形成的能帶，稱為價帶。u6.導(dǎo)帶導(dǎo)帶是位于價帶之上第一個能帶。在外電場作用下，該能帶里的電子能從外電場吸收能量，從而形成電流

6、，故稱為導(dǎo)帶。1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)vEvEgEcEvEgE導(dǎo)帶價帶 左下圖表示具有金剛石結(jié)構(gòu)的晶體的價電子填充能帶的情況，圖中的價帶是滿帶。價帶頂Ev和導(dǎo)帶底Ec之間的間隙稱為禁帶。價帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量間隙稱為禁帶寬度，用符號Eq表示。為方便，通常用右下圖的簡化畫法。1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.2.2 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi 半導(dǎo)體材料大部分是共價鍵晶體。如果共價鍵中的電子獲得足夠的能量，它就可以擺脫共價鍵的束縛，成為可以自由運動的電子，這時在原來的共價鍵上就留下了一個空位。因為鄰鍵上的電子隨時可以跳過來填補這個

7、空位，從而使空位轉(zhuǎn)移到鄰鍵上去，所以，空位也是可以移動的。這種可以自由移動的空位被稱為空穴。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動來導(dǎo)電的。因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)cEvEgE導(dǎo)帶價帶 電子從晶格熱運動吸收能量，從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的過程稱為本征激發(fā)。 相比于絕緣體，半導(dǎo)體的禁帶寬度比較小，常溫常壓下，硅的Eg值約為eV，鍺Eg值為eV，而砷化鎵為eV。在常溫下，半導(dǎo)體中已有不少電子吸收晶格振動能量，激發(fā)到導(dǎo)帶中去，所以具有一定的導(dǎo)電能力。 1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.3 雜質(zhì)與缺陷1.3.1 雜質(zhì)與雜質(zhì)能級雜質(zhì)與雜質(zhì)能級1. 替位式雜質(zhì)與間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)與間隙式雜

8、質(zhì)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiAB2. 雜質(zhì)能級雜質(zhì)能級ePSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPeSiSiSiSi電子 一個族雜質(zhì)原子可以向半導(dǎo)體硅提供一個自由電子而本身成為一個帶正電的離子，這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。當(dāng)硅中摻有施主雜質(zhì)時，主要靠施主提供的電子導(dǎo)電，我們把主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中的電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；而空穴稱為少子。1.3 雜質(zhì)與缺陷BeSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSie空穴SiSi 一個族雜質(zhì)原子可以向半導(dǎo)體硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負(fù)電的離子，

9、通常把這種雜質(zhì)叫受主雜質(zhì)。當(dāng)硅中摻有受主雜質(zhì)時，主要靠受主提供的空穴導(dǎo)電，我們把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中的空穴是多子，電子是少子。 1.3 雜質(zhì)與缺陷cEvEDEgEDEcEvEAEgEAE能帶圖表示電離過程能帶圖表示電離過程1.3 雜質(zhì)與缺陷cEvEDEAEcEvEAEDE 3.3.雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)的補償作用 如果在半導(dǎo)體材料中，同時存在著施主和受主雜質(zhì)，他們之間具有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補償作用。在能帶和雜質(zhì)能級的基礎(chǔ)上，這個問題很容易理解。從根本上來說，補償?shù)默F(xiàn)象是因為導(dǎo)帶和施主能級的能量比價帶和受主能級高得多。所以，在導(dǎo)帶或施主能級上的電子總是要首先去

10、填充那些空的受主或價帶能級。1.3 雜質(zhì)與缺陷N+硅襯底硅襯底N外延層外延層NPPN+硼磷 雜質(zhì)的補償?shù)膽?yīng)用雜質(zhì)的補償?shù)膽?yīng)用 在半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中，通過在N型Si外延層上特定區(qū)域摻入濃度更高的受主雜質(zhì)，該區(qū)域經(jīng)過雜質(zhì)補償作用就成為P型區(qū)，而在N型與P型區(qū)的交界處就形成了PN結(jié)。如果再次摻入更高濃度的施主雜質(zhì)，在二次補償區(qū)域就又由P型補償為N型，從而形成雙極型器件的NPN結(jié)構(gòu)。1.3 雜質(zhì)與缺陷1.3.2 缺陷與缺陷能級缺陷與缺陷能級弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷 間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位但沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。肖特基缺

11、陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點缺陷。它們依靠熱運動不斷地產(chǎn)生和消失著，在一定的溫度下達(dá)到動態(tài)平衡，使缺陷具有一定的平衡濃度值。 1.點缺陷點缺陷1.3 雜質(zhì)與缺陷2.線缺陷線缺陷b晶體的滑移現(xiàn)象晶體的滑移現(xiàn)象3.面缺陷面缺陷1.3 雜質(zhì)與缺陷1.4 熱平衡載流子 在一定溫度下，半導(dǎo)體依靠本征激發(fā)和雜質(zhì)電離產(chǎn)生導(dǎo)電電子和空穴。然而，在載流子產(chǎn)生的同時，電子也可以從高能級躍遷到低能級，并向晶格放出一定的能量。從而使導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴不斷減少，這一過程稱為載流子的復(fù)合。在一定溫度下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)等于復(fù)合掉的電子-空穴對數(shù)，稱為熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)1.4.1 費米能級與載

12、流子濃度費米能級與載流子濃度1.費米能級的概念費米能級的概念 費米能級就是用來表達(dá)電子填充能帶水平高低的一個概念。費米能級反映了半導(dǎo)體的摻雜類型，還能反映摻雜濃度的高低。 cEvEiEFEFEFEFEFE本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 輕摻雜輕摻雜N型型 重?fù)诫s重?fù)诫sN型型 重?fù)诫s重?fù)诫sP型型 輕摻雜輕摻雜P型型 1.4 熱平衡載流子cEvEcEvEcEvEcEvE2.費米分布函數(shù)費米分布函數(shù))exp(11)(kTEEEfF 上式表明，一定溫度下，一個能量為E的電子狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率。 1、費米能級是基本上填滿和基本上空的能級的分界線。2、導(dǎo)帶和價帶中的載流子數(shù)目還是可以很多。 kTEEF3%8 .

13、4)(EfkTEEF3%95)(Ef1.4 熱平衡載流子3.載流子濃度載流子濃度)exp(kTEENnFcC32/3*)2(2hkTmNnC其中)exp(kTEENpFvV其中32/3*)2(2hkTmNpV討論：1、n和p隨溫度和費米能級如何變化？ 2、EF在不同的位置，n和p的大小關(guān)系？1.4 熱平衡載流子1.4.2 本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體載流子濃度1、電中性條件pn 2、本征費米能級2ln22FcCVFcFEENNkTEEE3、本征載流子濃度)2exp()(2/1kTENNpnngVCi2innp 4、重要關(guān)系式討論：本征半導(dǎo)體的載流子濃度和哪些因素有關(guān)？1.4 熱平衡載流子1.

14、4.2 本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體載流子濃度1.N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體DNn DiiNnnnp22ANp AiiNnpnn222.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度表達(dá)式雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度表達(dá)式)exp(kTEEnniFi)exp(kTEEnpFii1.4 熱平衡載流子1.5 非平衡載流子1.5.1 非平衡載流子的注入非平衡載流子的注入 如果對半導(dǎo)體施加外加作用，破壞了熱平衡狀態(tài)的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度將比平衡狀態(tài)時多，多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。注入非平衡載流子的方式有1.光注入、2.電注入、3.

15、其他方式。小注入條件: 注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小得多。 1.5.2 非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子的復(fù)合 在非平衡的情形下，產(chǎn)生和復(fù)合之間的相對平衡就被打破了。由于多余的非平衡載流子的存在，電子和空穴的數(shù)目比熱平衡時增多了，它們在熱運動中相互遭遇而復(fù)合的機會也將成比例地增加，因此，這時復(fù)合將要超過產(chǎn)生而造成一定的凈復(fù)合，即 凈復(fù)合=復(fù)合-產(chǎn)生 當(dāng)去掉外界作用后，正是由于這種凈復(fù)合的作用，使非平衡載流子逐漸減少，以至最后消失，半導(dǎo)體又回到平衡狀態(tài)。1.5 非平衡載流子ptpdd)exp(-)()(0tptptp0)( pep0)(0非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 可

16、見，非平衡載流子的濃度隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減是非平衡載流濃度減小到原來的1/e所經(jīng)歷的時間常數(shù)。進(jìn)一步計算表明，是非平衡載流子平均生存的時間，稱為非平衡載流子的壽命。 非平衡載流子壽命是標(biāo)志半導(dǎo)體材料質(zhì)量的主要參數(shù)之一。 1.5 非平衡載流子1.5.3 復(fù)合機制復(fù)合機制1.直接復(fù)合直接復(fù)合cEvE 直接復(fù)合就是單位體積中每個電子在單位時間里都有一定的幾率和空穴相遇而復(fù)合。從能帶角度講，就是導(dǎo)帶電子直接落入價帶與空穴復(fù)合，同時還存在著上述過程的逆過程，即價帶電子也有一定的幾率躍遷到導(dǎo)帶中去，產(chǎn)生一對電子和空穴。 1.5 非平衡載流子2.間接復(fù)合間接復(fù)合cEvEtE 雜質(zhì)和缺陷在半導(dǎo)體禁帶中形成能級

17、，它們不但影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能，還可以促進(jìn)非平衡載流子的復(fù)合而影響其壽命，通常把具有促進(jìn)復(fù)合作用的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心的存在使電子-空穴的復(fù)合可以分為兩個步驟，先是導(dǎo)帶電子落入復(fù)合中心能級，然后再落入價帶與空穴復(fù)合，而復(fù)合中心被騰空后又可以繼續(xù)進(jìn)行上述過程，當(dāng)然相反的逆過程也同時存在。 1.5 非平衡載流子 晶格結(jié)構(gòu)在表面出現(xiàn)的不連續(xù)性在禁帶中引入了大量的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)稱為表面態(tài)；除表面態(tài)外，還存在著由于緊貼表面的層內(nèi)的吸附離子、分子或機械損傷等所造成的其他缺陷。它們在禁帶形成復(fù)合中心能級，大大增加了表面區(qū)域的載流子的復(fù)合率。3.表面復(fù)合表面復(fù)合 可見，非平衡載流子的壽命值，

18、不僅與材料種類有關(guān)，而且與雜質(zhì)原子的出現(xiàn)有關(guān)，特別是鍺、硅中的深能級雜質(zhì)，能形成復(fù)合中心，使壽命降低。同時，半導(dǎo)體的表面狀態(tài)對壽命也有顯著的影響。另外，晶體中位錯等缺陷，也能形成復(fù)合中心能級。因而嚴(yán)重地影響少數(shù)載流子的壽命。在制造器件的過程中，由于高溫處理，在材料內(nèi)部增加新的缺陷，往往使壽命降低。所以，壽命值的大小在很大程度上反映了晶格的完整性，它是衡量材料質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。1.5 非平衡載流子1.6 載流子的運動1.6.1 載流子的漂移運動與遷移率載流子的漂移運動與遷移率1.歐姆定律的微分形式歐姆定律的微分形式ElVRlRVsIJ/2.漂移運動和遷移率漂移運動和遷移率nqtvdsABE 遷

19、移率是反映載流子在電場作用下運動難易程度的物理量。上式反映了電導(dǎo)率與載流子濃度和遷移率之間的關(guān)系。 電導(dǎo)率的計算電導(dǎo)率的計算nnnqpppq N型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率P型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率pnpqnq本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 半導(dǎo)體的電阻率可以用四探針直接測量讀出，所以實際工作中習(xí)慣用電阻率來討論問題，由電導(dǎo)率求倒數(shù)就可得到電阻率 E)(pnpnpqnqJJJ 漂移電流的計算漂移電流的計算1.6 載流子的運動 學(xué)習(xí)根據(jù)雜學(xué)習(xí)根據(jù)雜質(zhì)濃度查表求電質(zhì)濃度查表求電阻率，倒過來也阻率，倒過來也可以求?？梢郧?。）（電阻率cm23 4 5 6 81410151023 4 5 6 823 4 5 6 823 4 5 6 823 4 5 6 823 4 5 6 8161017101810191020104-103-102-101-10110210GaAs-PGaAs-NSi-NSi-PGe-NGe-P）雜質(zhì)濃度（-3cmGaAs _ _ _Si _Ge _ _ _ _K300T 1.6 載流子的運動1.6.2 載流子的擴散