半导体低维物理讲义之二

《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的日常生活中，半导体扮演着至关重要的角色。

从智能手机、电脑到汽车、家电，几乎所有的现代电子设备都离不开半导体。

那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。

导体，比如金属，具有良好的导电性，而绝缘体，如塑料、橡胶等，则几乎不导电。

半导体的独特之处在于，它的导电性可以通过控制杂质的含量和施加外部条件（如电场、光照、温度等）来改变。

常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。

其中，硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。

二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，正是这些特性使得它们在电子领域得到了广泛的应用。

1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著的改变。

利用这一特性，可以制成热敏电阻，用于温度测量、温度控制等方面。

2、光敏特性在光照的作用下，半导体的导电性会增强。

基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。

3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其导电性。

例如，在硅中掺入磷元素可以形成 N 型半导体，掺入硼元素则形成 P 型半导体。

三、半导体的制造工艺要将半导体材料制成可用的电子器件，需要经过一系列复杂的制造工艺。

1、晶圆制备首先，需要从硅矿石中提炼出高纯度的硅，并将其制成单晶硅锭。

然后，通过切割等工艺将硅锭加工成薄而圆的晶圆。

2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。

通过在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，未曝光的光刻胶会被去除，从而在晶圆表面形成所需的图案。

3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上形成电路的微观结构。

4、掺杂通过离子注入等方法，向晶圆中掺入杂质，形成不同类型的半导体区域。

5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。

四、半导体在集成电路中的应用集成电路是半导体技术的重要应用领域。

Part 1
第二章
第二章
2.1杂质和杂质能级
2.2缺陷及其作用
一、杂质的类型
一、杂质的类型杂质的类型
二、浅能级杂质
1.浅施主杂质
导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。

二、浅能级杂质
2.浅受主杂质
把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴半导体或P型半导体。

三、浅能级杂质电离能的计算—类氢模型
四、杂质的补偿作用
四、杂质的补偿作用
五、深能级杂质
五、深能级杂质著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。

六、III-V族化合物中的杂质能级
一、点缺陷
一、点缺陷
1、空位、间隙的产生与消失
(b)缺陷。

一、点缺陷
二、线缺陷——位错。

半导体物理讲义-2第二部分半导体中的电子和空穴前面我们讨论了半导体能带结构的一些共同的基本特点。

不同的半导体材料．其能带结构不同，而且往往是各向异件的，即沿不同的被矢k方向，E ~ K关系不同。

由于问题复杂，虽然理论上发展了多种计算的力法．但还不能完全确定出电子的全部能态，尚需借助于实验帮助，采用理论和实验相结合的方法来确定半导体中电子的能态。

本节介绍最初测出载流子有效质量并据此推出半导体能带结构的回旋共振实验及硅和锗的能带结构。

因对大多数半导体，起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴，所以只给出导带底和价带顶附近的能带结构一、k空间等能面已知，一维情况下设能带极值在k=0处，则导带底附近和价带顶附近的E ~ K关系：图极值附近E ~K 关系示意图所以，如果知道m*n和m*p ，则极值附近的能带结构便可了解。

对实标的三维晶体，以kx , ky , kz为坐标轴构成k空间，k空间任―矢量代表波矢k(kx , ky , kz) 。

其中简单情况（半导体或晶体具有各向同性时）：导带低附近E ~ K关系当E(k)为某一定值时，对应于许多组不同的(kx，ky，kz)，将这些组不同的(kx，ky，kz)连接起来构成一个封闭面，在这个面上的能量值均相等，这个面称为等能量面，简称等能面。

容易看出，上式表示的等能面是一系列半径为的球面。

图 k空间球形等能面平面示意图一般情况（半导体或晶体具有各向异性的性质）：导带低附近E ~ K关系晶体有各向异性时，E(k)与k的关系沿不同的k方向不一定相同，反映出沿不同的k 方向，电子的有效质量不一定相同，而且能带极值不一定位于k＝o处。

设导带底位于k0 ,能量为E(k0)，在晶体中选择适当的坐标轴kx , ky , kz，并令m*x , m*y , m*z分别表示沿kx , ky , kz 三个方向的导带底电子的有效质量，用泰勒级数在极值k0附近展开，略去高次项，得:注意：要具体了解这些球面或椭球面的方程，最终得出能带结构，还必须知道有效质量的值。

半导体物理讲义一、硅的性质硅是一种呈灰色金属光泽的半金属。

所谓半金属是其一些物理，化学特性介于金属和非金属之间的元素。

硅无毒，无害，性脆，易碎。

元素符号为Si，属周期表中第三周期ⅣA族元素，比重为2.33，原子序数14，原子量为28.086。

在自然界中没有游离状态的硅、多呈氧化物状态存在。

在岩石圈（自表面深度为16公里内的地壳）中的丰度为27.6（重量）%，因而硅的资源极为丰富。

硅的资源虽然极为丰富，但由于其在自然界中呈氧化物状态存在，想要获得半导体级硅实为不是一件易事。

硅的主要原子价态是4价，其次是2价。

常温下化学性质稳定，不溶于强酸，易溶于碱。

在高温下性质活泼，易与多种物资发生化学反应。

硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为：28Si 为92.23%, 29Si为4.67 %，30Si为3.10 %。

常压下硅的晶体结构为金刚石型，α=0.5431nm, 加压到15GPa时，改变为面心立方型，α=0.6636nm。

硅纯化到一定程度为良好半导体材料。

所谓半导体，是指其电阻率介于导体和绝缘体之间，其范围为10-3-1010Ω.cm的一种固体物质。

如载流子浓度为1×1018 cm-3的N型重掺硅单晶，其电阻率大约为5×10-2Ω.cm，而载流子浓度为1×1012 cm-3的N型高纯度硅单晶，其电阻率大约为5000Ω.cm。

载流子浓度是一个与杂质浓度有关的重要电学参数，杂质含量多少是影响电阻率大小的重要因素。

电流是带正电的空穴和带负电的电子定向传输实现的。

硅是一种神奇元素，通常的工业硅（99.0 - 99.9%）不具有半导体性能。

这种纯度水平的硅多用在制造硅钢片或与铝制成合金用在汽车工业上。

只有将硅提纯到很高纯度，即人们常说的89（99.999999 %）到99 （99.9999999 %）时就显示出其优异的半导体材料性能。

半导体硅材料包括：硅多晶，硅单晶，硅单晶片（切片，研磨片以及抛光片等）硅外延片，非晶硅和微晶硅，多孔硅以及以硅基材料（SOI和SiGe/Si材料等）。

半二复习笔记1.1MOS结构1.费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示2.表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示3.金半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1. MOSFET非饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能力3. 提高饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作用。

VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截止频率：器件电流增益为1时的频率高频等效模型如下：栅极总电容CG看题目所给条件。

若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。

3. 提高截止频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 非理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关④亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。

⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。

因此S越小越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑⇒ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L` <L ，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越小⇒ΔL的绝对值越大⇒沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越小⇒ΔL的相对值越大⇒沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。