华南理工大学半导体物理第四章课件

• 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
• 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
• 本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象： • 介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面 • 讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其 杂质能级 • 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平 衡载流子的产生与复合 • 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介 绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程 • 简要介绍了半导体表面的相关知识
• 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAs晶体中As 的成份偏多，不仅形成Ga空位，而且As原子还可占据Ga空 位，称为反结构缺陷。
• 此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位 置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。
• 位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。
• 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在 晶体中会产生一定应力。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出 发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28´，这种正四面 体称为共价四面体。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切，圆球半径就称 为共价四面体半径。
图1.6 两种不同的晶列
• 晶列的取向称为晶向。 • 为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移 矢量R，如图1.7，则
R=l1a+l2b+l3c • 若l1:l2:l3不是互质的，通过

半导体器件
半导体应用
探索各种半导体器件，如二极管、 晶体管和集成电路的工作原理。
了解半导体在电子通信、计算机 和能源技术等领域中的应用。
晶体物理基础
本节将介绍晶体物理学的基本原理及晶格结构。了解晶体的性质和结构对于理解半导体物理至关重要。
晶体结构
探索晶体的结晶结构和晶格参数。
布拉维格子
了解布拉维格子及其在晶体物理中的重要性。
PN结与二极管
深入了解PN结和二极管的工作原理和特性。探索PN结在电子器件中的重要性和应用。
PN结形成
了解PN结的形成过程和材料特性。
正向偏置
介绍正向偏置情况下PN结的导电性能和电流行为。
反向偏置
研究反向偏置情况下PN结的特性和电流行为。
场效应晶体管
本节将深入研究场效应晶体管的工作原理和应用。了解场效应晶体管作为重要的电子器件的优势和特性。
晶体缺陷
研究晶体中的缺陷和杂质对材料性能的影响。
晶体生长
了解晶体的生长原理和方法。
晶体缺陷与扩散
本节将深入研究晶体缺陷和扩散现象。了解这些关键概念对于半导体器件设计和制造至关重要。
1
缺陷类型
介绍晶体缺陷的种类，如点缺陷和线缺
扩散过程
2
陷。
详细了解扩散现象的原理和应用，包括
掺杂和控制扩散速率。
3
热扩散
1
原理介绍
详细了解场效应晶体管的基本物理原理和工作机制。
2
பைடு நூலகம்
MOSFET
研究金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和特性。
3
JFET
了解结型场效应晶体管的结构和特点。
集成电路基础
在本节中，我们将介绍集成电路的基本概念和设计原则。了解集成电路的演变和应用。

①定义
半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的 技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。
②晶体缺陷的影响
A：生长出不均匀的二氧化硅膜 B：淀积的外延膜质量差 C：掺杂层不均匀 D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正 常工作。
.
11
硅中三种普遍的缺陷形式
• 点缺陷：原子层面的局部缺陷 • 位错：错位的晶胞 • 层错：晶体结构的缺陷
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的晶 圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单个 芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶体 结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这正 是对晶圆生产的一个挑战。
.
3
2.1 硅的晶体结构
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
24 2
5000
0.17
3.0 ( 5%)
Year
(Critical Dimension)
1998
2000
(0.25 mm) (0.18 mm)
200
0.17 (26 x 32)
0.15
300
0.12 26 x 32
0.1
23 2
23 1.5
1000
500
0.13
0.075
2.0 ( 3%) 1.4 ( 2%)
非晶：原子排列无序 晶胞：长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞，
晶胞是三维结构中最简单的由原子组成的重复单 元。 单晶：晶胞在三维方向上整齐地重复排列。 多晶体：晶胞排列不规律
.
4
非晶原子排列
.
5
三维结构的晶胞
晶胞
.
6

第四页，共74页。
2.表面(biǎomiàn)势与表面(biǎomiàn)耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更 为(ɡènɡ wéi)详细的能带图。
第五页，共74页。
在下面(xià mian)的讨论中，定义与费米能级相对应的费
米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此(yīncǐ)，对于P型半 导体，
MOS 电容(diànróng)等效示意图 第十页，共74页。
在平带条件(tiáojiàn)下对应的总电容称为MOS 结构的平带 电容CFB
C FB
t OX
OX 0
1 2
OX S
LD
右图表示(biǎoshì)了 P型半导体MOS结构 的理想C-U曲线
线
第十一页，共74页。
MOS电容-电压(diànyā)曲
UDS较小时(xiǎoshí)，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
第二十四页，共74页。
2. 饱和(bǎohé)工作区
此时的电流-电压特性(tèxìng)对应与特性(tèxìng)图中UGS=5V曲线的 AB段。
导电沟道(ɡōu dào)随UDS的变化
ns
ni
exp
q(
s
T
F
ps
ni
exp
q(
F T
s
第七页，共74页。
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好(zhènghǎo)是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。

1. 集成电路最重要是两大因素：一个叫市场，一个叫人 才。中国市场很大，人才济济。中国集成电路发展非 常宽广。 集成电路产业化基地为集成电路的发展，高技术的发 展提供了一个技术服务平台。这个平台既是研发的平 台，又是孵化的平台。 这个平台提供的是整合资源和公共服务。这个平台可 以充分集中和利用公用资源。 集成电路的发展前景，它的竞争力，它的潜力，它的 创造力都表现在知识产权，就是表现在人的头脑当中， 这就需要创新。
长江中上游地区
人口: 348 mln US$245 bn 出口: US$11 bn
长三角地区
人口: 136 mln GDP: US$256 bn 出口: US$100 bn
西南地区
人口: 137 mln GDP: US$72 bn 出口: US$4 bn
珠三角地区
人口: 119 mln GDP: US$344 bn 出口: US$156 bn
内容简介
• • • • • • • • 绪言 半导体的晶体结构 半导体能带 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 半导体表面及MIS结构 半导体的物理效应
二十世纪是科学革命的世纪，重大的科学发现与理论 创新不但改变了科学技术本身，也改变了人们的自然观、世 界观，改变了人类社会的文明进程
世界第一只晶体管
• 世界第一块集 成电路（TI， 1958)） • J. S. Kilby
集成电路的战略地位和关键作用
• 信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料 和能源一起是人类社会的三大资源。知识经济的支柱产 业—微电子产业和科学技术对我国以及世界经济都有着举 足轻重的作用，成为一个国家综合国力的重要标志之一。 • 微电子芯片和软件是信息产业的基础和核心。原始硅材料 经过人们的设计和一系列特定的工艺技术加工创造，将体 现信息采集、加工、运算、传输、存储和随动执行功能的 信息系统集成并固化在硅芯片上，成为信息化的基础，一 芯千金。 • 现代经济发展的数据表明，GDP每增长100需要10元左右 电子信息工业产值和1元集成电路产值的支持。以单位质量 钢筋对GDP的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计 算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000。微电子 技术和产业成为世界各国综合国际竞争力的标志之一。

1
τ
=
P1
+
P2
+
P3
+......=
1
τ1
+1
τ2
+1
τ3
+......
考虑到μn=qτn/m n * ，可得
1 = 1 + 1 + 1 + ......
μ μ1 μ2 μ 3
三、载流子的迁移率、电阻率 与浓度和温度的关系
主要内容
1、 电导率、迁移率与平均自由时间的关系 2、 迁移率与杂质浓度和温度的关系 3、 电阻率与杂质浓度和温度的关系
载流子在连续两次散射之间的时间间隔称为自由时间t。
载流子在连续两次碰撞内所经过的距离称为自由程l。
关系： l=vT*t
2. 平均自由时间、平均自由程
平均自由时间τ—— τ = t1 + t 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + t N = ∑ t i
N
N
平均自由程 l—— l = l1 + l2 + ⋅ ⋅ ⋅ + l N = ∑ li
Ⅳ、半导体中的散射机构
1. 晶格振动散射
格波的能量： ( 1
2
+
n ) hv a
格波能量每增加或减少 hva，称作吸收或释放一个声子。
根据玻耳兹曼统计理论，温度为T时，频率为υa的格波的平均能量：
1 2
hν a
+[ exp(
1
hν a
)
]hν a
−1
k 0T
平均声子数
nq =
exp(
1
hν a ) − 1
对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体

RL B C 0.7伏 E 共发射极的BJT的偏压设置简化图 VCC 几伏
VCB VCE VBE
下图是电子和空穴在基极,集电极和发射极区的分布.正向偏压在e-b耗尽层边
界产生注入电子和空穴浓度,根据注入定理2.74和2.75式有(用下标b描述P型
基极区,ne描述N型发射极区以示区别N型集电极区):
IC(mA )
4
3 2 1 3
100A 80A
60A
40A 20A IB=0 12 UCE(V)
6
9
IC(mA )
4
3 2 1 3
100A 80A
60A
40A 20A IB=0 12 UCE(V)
6
9
输出特性三个区域的特点:
(1) 放大区：发射结正偏，集电结反偏。
即： IC=IB , 且 IC = IB (2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IB>IC，UCE0.3V (3) 截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0
I-V特性测试实验线路（共发射极）:
IC IB
mA
A
RB V VBE V VCE
EC
EB
I-V特性曲线分析:
输入特性
IB(A)
80
60
40 20 UBE(V)
0.4
0.8
输出特性 IC(mA ) 4 100A
3
2
80A
60A
40A 20A IB=0 12 UCE(V)
1 3
6 9
发射极电流是集电极电流和注入发射极的空穴电流IpE之和. 这个电流从P型基极区注入,而且必须来自发射极两边的基极 接触点,如图所示.因此基极电流为:

着掺杂浓度的提高，载流子的迁移率发生明显的下降。
半导体物理与器件
下图所示为室温（300K）条件下锗单晶材料中电子和空穴
的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随
着掺杂浓度的提高，锗材料中载流子的迁移率也发生所示为室温（300K）条件下砷化镓单晶材料中电子和空
I eNAvt

Nev v
A
At
E
A
v
eN
V
载流子浓度
单位电量
半导体物理与器件
J drf eNv E
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外
加电场成正比，即：
v E
J drf eNv eN E
其中μ称作载流子的迁移率。
因而有电导率和迁移率的关系： 迁移率的定义表明：载
半导体物理与器件
第五章
载流子输运现象
本章学习要点：
了解载流子漂移运动的机理以及在外电场作用下的漂移电
流；
了解载流子扩散运动的机理以及由于载流子浓度梯度而引
起的扩散电流；
掌握半导体材料中非均匀掺杂浓度带来的影响；
了解并掌握半导体材料中霍尔效应的基本原理及其分析方
法；
半导体物理与器件
输运：载流子的净流动过程称为输运。
获得定向运动动量的速率与通过碰撞失去定向运动动量的
速度保持平衡。
此时晶体中的载流子将在无规则热运动的基础上叠加
一定的定向运动。
半导体物理与器件
我们用有效质量来描述空穴的加速度与外力（电场力）
之间的关系
dv
F m
eE
dt
*
p
v表示电场作用下的粒子速度（漂移速度，不包括热运

+4
出能量，从而消失一对载流子，这个
过程称为复合，
4
∙ 4∙ 4∙
第四章 常用半导体器件原理
平衡状态时，载流子的浓度不再变化。分别用ni和 pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ，理论上
3 EG 0
ni pi A0T 2 e 2kT
其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗 为0.78 eV；k = 8.63 10 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数，硅材料为3.87 1016 cm- 3 K 3 / 2，锗为1.76 1016 cm 3 K 3 / 2。
(a)
P区
空间电荷区
N区
+ + + +
内 建
+
+
+
+
电
场 + + + +
+ + + +
UB
0 (b)
UB 9
∙ 9∙ 9∙
第四章 常用半导体器件原理
空间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对 称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺 杂一边延伸较大。
P区
耗尽区
+ + + + + +
E
当电源电压 (Ea) 变化时，负载线平移到新的位置(b，) 虽然 ID 有比较大
的变化，UD 变化却不大图 4，.3.仍3 然二极近管似的等管压于降 UD(on) ，所以也可以认为 UD(on) 是导通的二极管(a)两电路 端；固(b定) 伏的安特 管性压和降负载 。特性