合工大初試1第一章：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1

PhysicsofSemiconductorDevices半導(dǎo)體器件物理主要講授內(nèi)容1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2、PN結(jié)3、雙極結(jié)型晶體管4、金屬-半導(dǎo)體結(jié)5、JFET和金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管6、MOS場效應(yīng)晶體管課程要求掌握半導(dǎo)體器件的原理、特點及應(yīng)用學(xué)習分析各類半導(dǎo)體器件的方法提高解決實際問題的能力（器件設(shè)計）要求平時成績30%期末考試

70％ReferencesS.M.Sze,PhysicsofSemiconductorDevices,2ndEd,Wiley,1981Y.Taur&T.K.Ning,FundamentalsofModernVLSIDevices,CambridgeUniv.Press,1998M.Shur,IntroductiontoElectronicDevices,JohnWiley,1996RobertF.Pierret,AdvancedSemiconductorFundamentals,2ndEd,PrenticeHall,2002劉樹林，半導(dǎo)體器件物理，電子工業(yè)出版社，2005曹培棟，微電子技術(shù)基礎(chǔ)—雙級、場效應(yīng)晶體管原理，電子工業(yè)出版社，2001陳星弼，唐茂成，晶體管原理與設(shè)計，成都電訊工程學(xué)院出版社，1987張屏英，周佑謨，晶體管原理，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985半導(dǎo)體器件物理

作者：孟慶巨劉海波

出版社：科學(xué)出版社

出版日期：2005-6-2

ISBN：7030139518

版次：第1版晶體管原理與設(shè)計(第2版)

作者：陳星弼//張慶中

出版社：電子工業(yè)

第1版第2次印刷

ISBN：7121022680

出版日期：2006-02-01半導(dǎo)體器件電子學(xué)（英文版）

作者：（美）沃納，格朗著出版社：電子工業(yè)出版社

ISBN：7505379623

印次：1

出版日期：2002-9-1

版次：1

半導(dǎo)體器件電子學(xué)——國外電子與通信教材系列

作者：（美）沃納，（美）格朗著，呂長志等譯出版社：電子工業(yè)出版社

ISBN：7121008823

印次：1

出版日期：2005-2-1

字數(shù)：1069000

版次：1

PhysicsofSemiconductorDevicesbySimonM.SzeWiley-Interscience;2edition(September1981)

AdvancedSemiconductorFundamentals(2ndEdition)byRobertF.PierretPrenticeHall;2edition(August9,2002)課程網(wǎng)址

/2006/psd/10半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體中的電子和空穴半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體的類型及其摻雜半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計半導(dǎo)體中載流子的輸運漂移和擴散產(chǎn)生和復(fù)合遷移率、擴散系數(shù)速度飽和半導(dǎo)體器件據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種（2000）所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：金屬－半導(dǎo)體接觸

pn結(jié)

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)量子阱前言：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間(電阻率)。半導(dǎo)體一些重要特性：1、電阻率具有溫度效應(yīng)；2、摻雜可改變電阻率；3、適當波長的光照可改變導(dǎo)電能力；4、其導(dǎo)電能力隨電場、磁場的作用而改變。概括的說：半導(dǎo)體的特性受到溫度、光照、磁場、電場和微量雜質(zhì)含量的影響而改變導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體一半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

二晶體的晶向與晶面

三半導(dǎo)體中的缺陷1.1半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和缺陷固體：1、晶體：具有一定的外形、固定的熔點，更重要的是組成晶體的原子（或離子）在至少微米量級的較大范圍內(nèi)都是按一定的方式規(guī)則排列而成，稱為長程有序。

單晶：單晶－主要是由原子（或離子）的一種規(guī)則排列。

元素半導(dǎo)體，如Ge、Si；化合物半導(dǎo)體，如GaAs

多晶：是由很多晶粒雜亂地堆積而成的。2、非晶態(tài)半導(dǎo)體：沒有規(guī)則的外形，沒有固定的熔點，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在長程有序，只是在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列，稱為短程有序。如：非晶態(tài)硅，非晶態(tài)鍺等。一半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

Solids

Solidscanbeclassifiedascrystal,polycrystallineandamorphousCrystal

–threedimensionallongrangeorderofatoms.Polycrystalline

–mediumrangeorder,manysmallregionscalledgrains,eachhavingcrystallinestructure,joinedat“grainboundaries”whicharefullofdefects.Amorphous–nowelldefinedorder.二維情況下的示意圖非晶多晶單晶晶體結(jié)構(gòu)：許多重要的半導(dǎo)體，如Si、Ge，具有屬于四面相的金剛石或閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)：亦即每個原子被位于四面體頂角的四個等距緊鄰原子所包圍。兩個緊鄰原子之間的鍵由自旋相反的兩個電子形成。稱為共價晶體。圖1共價四面體共價鍵具有方向性和飽和性。共價鍵方向是四面體對稱的，即共價鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角是109o28’，這種正四面體稱為共價四面體。圖2金剛石結(jié)構(gòu)晶胞（由四個共價鍵四面體所組成）正立方體的邊長稱為－晶格常數(shù)a金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看成兩個面心立方沿空間對角線相互平移1/4對角線長度套構(gòu)而成。面心立方二晶體的晶向與晶面晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的，整個晶體就像網(wǎng)格，稱為晶格，組成晶體的原子（或離子）的重心位置稱為格點，格點的總體稱為點陣。立方晶系的晶軸立方晶胞的三個垂直方向為三個坐標軸

Crystal

Lattice:Theperiodicarrangementofpointsinacrystal.

Basis:Theconstituentatomsattachedtoeachlattice

point.Everybasisisidenticalincomposition,

arrangement,andorientation.

Crystal=Lattice+BasisR=ma+nb+pca:latticeconstant晶格基元

CrystalThelatticesisdefinedbythreefundamentaltranslationvectors基矢Unitcell:Latticecanbeconstructedbyrepeatedlyarrangingunitcell.UnitCell晶胞PrimitiveCell:Aunitcelliscalledasprimitiveunitcellifthereisnocellofsmallervolumethatcanserveasabuildingblockforcrystalstructure.PrimitiveCell原胞立方晶系四角晶系斜方晶體斜方晶體三角晶系六角晶系斜方晶系單斜晶系三斜晶系三斜晶系1.晶向概念：通過晶格中任意兩點可以作一條直線，而且通過其他格點還可以作出很多條與它彼此平行的直線，晶格中的所有格點全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列。晶列的取向稱為晶向。兩種不同的晶列晶向的表示從一個格點沿某個晶向到另一個格點P作位移矢量若三個系數(shù)不是互質(zhì)的，則通過：化為互質(zhì)整數(shù)[mnp]－稱為晶列指數(shù)，用來表示晶向。相反晶向同類晶向記為<mnp>,如：<100>就代表了6個同類晶向：<111>代表了立方晶胞所有空間對角線的8個晶向。<110>表示立方晶胞所有12個面對角線的晶向。2.晶面概念：晶格所有格點也可以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。晶面族取某一晶面與三晶軸的截距，將截距倒數(shù)的互質(zhì)數(shù)h，k，l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記為（hkl），并用來表示某一晶面。晶面的截距同類晶面用{hkl}表示。如果晶面和某個晶軸平行，則截距為，相應(yīng)的指數(shù)為零。MillerIndicesTheMillerindicesareobtainedusingthefollowingstepsFindtheinterceptsoftheplaneonthethreeCartesiancoordinateintermsofthelatticeconstant.Takethereciprocalsofthesenumbersandreducethemtothesmallestthreeintegershavingthesameradio.Enclosetheresultinparentheses(hkl)astheMillerindicesforasingleplane.MillerIndices12=4x+3yMillerindices[43]立方晶系中的一些常用晶向和晶面一個特點：立方晶系中，晶列指數(shù)和晶面指數(shù)相同的晶向和晶面之間是互相垂直的。如：[100]⊥(100),[110]⊥(110)等三缺陷實際半導(dǎo)體中存在各種缺陷，它們對半導(dǎo)體的物理、化學(xué)性質(zhì)起著顯著的甚至是決定性的作用。主要晶體缺陷有：點缺陷，線缺陷，面缺陷等。（1）弗侖克爾缺陷(FrenkelDefect)：原子脫離正常格點移到間隙位置，形成一個自間隙原子，同時在原來的格點位置處產(chǎn)生一個空位．間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。

弗侖克爾缺陷1、點缺陷：（2）肖特基缺陷：原子脫離正常格點位置后可以不在晶體內(nèi)部形成間隙原子，而是占據(jù)晶體表面的一個正常位置，并在原來的格點位置處產(chǎn)生一個空位。在晶體內(nèi)部只形成空位的熱缺陷稱為肖特基缺陷。一點說明：它們依靠熱運動不斷產(chǎn)生和消失著，在一定溫度下達到動態(tài)平衡，使缺陷具有一定的平衡濃度值。在Si，Ge中形成間隙原子一般需要較大的能量，所以肖脫基缺陷存在的可能性遠比弗侖克爾缺陷大，因此Si，Ge中主要的點缺陷是空位。肖特基缺陷2、線缺陷，如位錯；半導(dǎo)體單晶制備和器件生產(chǎn)的許多步驟都是在高溫下進行，因此在晶體中產(chǎn)生一定的應(yīng)力。在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對于另一部分原子會沿某一晶面發(fā)生移動。3、面缺陷，如晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯等；其它缺陷：體缺陷，如包裹體、夾雜物、第二相團等；微缺陷，加漩渦缺陷，其幾何尺寸為微米或亞微米級．FromSandtoWaferQuartziteCoalMGSCarbonmonoxidepurificationMGShrydrochlorideTCShydrogenTCShydrogenhrydrochlorideEGSGrowthTechniquesReductionofquartzitetometallurgicalgradesilicon(MGS)withapurityof~98%.ConversionofMGStotrichlorosilane(SiHCl3).PurificationofSiHCl3bydistillation.Chemicalvapordeposition(CVD)ofSifromthepurifiedSiHCl3,asEGS.1.2半導(dǎo)體的能帶與雜質(zhì)能級純凈的、不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一定溫度下，共價鍵上的電子可以獲得能量掙脫共價鍵的束縛從而脫離共價鍵，成為參與共有化運動的“自由”電子。共價鍵上的電子脫離共價鍵的束縛所需要的最低能量就是禁帶寬度：Eg。本征激發(fā)：將共價鍵上的電子激發(fā)成為準自由電子，也就是價帶電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子的過程，成為本征激發(fā)。其特征是：成對的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子和價帶空穴都參與導(dǎo)電，將電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。一半導(dǎo)體的能帶T＝0K的半導(dǎo)體能帶如下圖所示，這時半導(dǎo)體中電子的最高填充帶（稱為價帶）是滿帶，而滿帶的上一能帶（稱為導(dǎo)帶）是空帶，所以半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當溫度升高或其他外界因素作用下，價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底，使得導(dǎo)帶變?yōu)榘霛M帶，而價帶也成為半滿帶，這時導(dǎo)帶和價帶中的電子都可以參與導(dǎo)電。半導(dǎo)體中真正對導(dǎo)電有貢獻的是那些導(dǎo)帶底部附近的電子和價帶頂部附近電子躍遷留下的空態(tài)（等效為空穴）。導(dǎo)帶價帶EgEc導(dǎo)帶底Ev價帶頂禁帶寬度二雜質(zhì)半導(dǎo)體1替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)進入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子的間隙位置上。替位式雜質(zhì)：取代晶格原子而位于格點上。晶胞內(nèi)存在的間隙2淺能級和淺能級雜質(zhì)N型半導(dǎo)體？施主雜質(zhì)？施主電離？P型半導(dǎo)體？受主雜質(zhì)？受主電離？掌握幾個概念：（1）在Si摻入V族元素磷（P），由于Si中每個Si原子的最近鄰有4個Si原子，當5個價電子的磷原子取代Si原子而位于格點上時，磷原子5個價電子中的4個與周圍的4個Si原子組成4個共價鍵，還多出了一個價電子，磷原子所在處也多余一個正電荷，稱為“正離子磷中心”（2）由于以磷為代表的V族元素在Si中能夠釋放導(dǎo)電電子，稱V族元素為“施主雜質(zhì)”，電子脫離施主雜質(zhì)的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為“施主電離”（3）多余的這個電子雖然不受共價鍵的束縛，但被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運動，不過這種吸引要遠弱于共價鍵，只需很小的能量ΔED

就可以使其掙脫束縛，稱為“電離”，形成能在整個晶體中“自由”運動的導(dǎo)電電子。主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為“N型半導(dǎo)體”1、施主（1）在Si摻入III族元素硼（B），由于Si中每個Si原子的最近鄰有4個Si原子，當3個價電子的硼原子取代Si原子而位于格點上時，硼原子必須從附近的Si原子共價鍵中奪取1個電子才能和4個Si原子組成4個共價鍵，這樣硼原子就多出了一個電子，形成“負電中心硼離子”（2）由于以硼為代表的III族元素在Si中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，稱III族元素為“受主雜質(zhì)”或“P型雜質(zhì)”，