半导体器件物理(第八章)施敏第二版课件

江西科技师范大学
半导体器件物理 如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110）， 此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
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禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都 能带电
3~6eV
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV
锗0.67 eV
砷化镓 1.42 eV 江西科技师范大学
半导体器件物理
第 章 半导体特性
1.1 半导体的晶格结构 1.2 半导体的导电性 1.3 半导体中的电子状态和能带
1
1.4 半导体中的杂质与缺陷
1.5 载流子的运动 1.6 非平衡载流子 1.7 习题
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半导体器件物理
● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动
半导体器件物理
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动； 但内层电子的轨道交叠较 少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共 有化程度强些。

2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章

1
绪论

什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et




2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用

无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）

20
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2

有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术

硅、锗：共价半导体 硅、锗晶体结构：金刚石结构
一、共价键的形成和性质
对于单晶Si或Ge，它们分别由同一种原子组成，通过二个原子间共有一 对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。
这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力，称为共 价键。
由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的共价晶体。
六个同类晶向；<111>代表了立方晶胞所有空间对角线的8 个晶向；而<110>表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向
School of Microelectronics
晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距 的平面系上，这样的平面系称为晶面族，如图1.8所示。
为表示不同的晶面，在三个晶轴上取某一晶面与三晶轴的 截距r、s、t，如图1.9所示。
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcபைடு நூலகம்以下
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
金刚石结构固体物理学原胞
中心有原子的正四面体结构（相同双原 子复式晶格）
金刚石结构原子在晶胞内的排列情况 顶角八个，贡献1个原子； 面心六个，贡献3个原子； 晶胞内部4个； 共计8个原子。
硅、锗基本物理参数
晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 原子密度 硅：5.00×1022 锗：4.42×1022 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm
半导体的基本知识

NMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体
绝缘体
栅极
栅极
n
n
p 掺杂半导体衬底
n 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底 耗尽型电路符号
衬底 增强型电路符号
PMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体 绝缘体
栅极
栅极
p
p
n 掺杂半导体衬底
p 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底
衬底
耗尽型电路符号
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子 电荷。
金 属
氧化层陷阱电荷
可动离子电荷 Na+K+氧源自层固定电荷SiO2Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线
平带电压：
VFBmsQf Q Cm oQot
实际MOS二极管的阈值电压：
V T V F B qC A W o N m ψ s(i n V Fv B) 2sq C o A ( N 2 ψ B ) 2 ψ B
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的金属平行板电压— —阈值电压
一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
V TqC A N W omψ s(in v 2s)qC o A N (2 ψ B )2 ψ B
三种 状态
由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：
表面电势ψs：

N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
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现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn

微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
2006 0.10 1.5—2
2009 0.07 <1.5
2012 0.05 <1.0
栅介质的限制
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
随着 tgate 的缩小，栅泄 漏电流呈指数性增长
栅介质的限制
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减 少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数
在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM…
10nm ? Atomic level?
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在 0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发

32
考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可 以求得：
v = hk /m0
E = h2k2/2m0
根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和 运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子 的能量可以是0至无限大间的任何值。
33
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波
布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数 中的一样，描述晶体中电子的共有化运动状 态。
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2.布里渊区与能带
求解晶体中电子的薛定谔方程，可得如 图1-10(a)所示的E(k)~k关系。
K = n/2a (n = 0, ±1, ±2, …)时能量出 现不连续。
简约布里渊区（图1-10(c)）
38
由于k是分立的，所以布里渊区中的能级 是准连续的。
每个能带最多可以容纳2N个电子。
42
三维晶格布里渊区的做法（略） 参见教材P15-P16
43
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
44
45
46
47
三者的主要区别： 禁带宽度和导带填充程度
金属导带半满 半导体禁带宽度在1eV左右 绝缘体禁带宽且导带空
规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
4
单电子近似 假设每个电子是在周期性排列且固定不
动的原子核势场及其它电子的平均势场 中运动。该势场具有与晶格同周期的周 期性势场。
5
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓
沿磁场方向做匀速运动，速度
v|| vcos

《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性