半导体器件原理-第二章1

• 波粒二相性是利用波理论描述晶体中电子运动和 状态的基础。
例2.2：计算一个粒子的德布罗意波长，电子的运动速度为 107cm/s。
解：电子动量
p mv 9.111031 105 9.111026 kg m s
德布罗意波长为
h 6.6251034 7.27 109 m 72.7 A
• 量子力学的波理论是半导体物理 学理论的基础。
• 量子力学的三个基本原理
– 能量量子化原理 – 波粒二相性原理 – 不确定原理
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.811015 J
2.811015 1.6 1019
1.75104 eV
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
（2）波粒二相性原理
• 1924，德布罗意，物质波：p=h/λ→λ=h/p
本章内容
1. 量子力学的基本原理
2. 薛定谔波动方程
3. 薛定谔波动方程的应用
4.原子波动理论的延伸
5. 小结
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.1 量子力学的基本原理
（1）能量量子化原理
• 1900，普朗克，量子概念，量子能量E=hν ； • 1905，爱因斯坦，光波由分立的粒子组成，解释

ui R ui t VD1 UREF=5V VD2 uo uo UREF+0.7V 0 −（UREF+0.7V） t
0
图2-12 双向限幅电路
开关作用 电子开关电路。在自动化控制电路和数字电路中有广泛地应 用。电子开关比机械开关的开关速度快得多，可达一秒钟上万 次，且无触点的颤动引起的火花，安全可靠。 图2-13所示的两个电路。
我们将在下一节详细讨论。
2. 检波 通常，无线电波中含有复杂的多种频率成分， 调幅收音机必须从中挑选出需要的音频信号， 为此要设置检波电路。半导体二极管检波电 路如图2-11所示。其中VD是检波二极管，C1 是高频滤波电容，R是检波电路负载电阻， C2是与下一级电路的耦合电容。

ui 调频 信号 VD C1
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 S p+ Si 子 电方式，称为电子半导体 i 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
二极管电路定性分析
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
N型半导体和 P 型半导体

所谓“硅跳”，是指熔硅在坩埚内象沸腾 似地跳动或溅出坩埚外。容易出现“硅跳”的 几个主要情况如下：
① 多晶硅有氧化夹层或严重不纯， ② 熔化后温度过高， ③ “塔桥”。
2．硅单晶的拉制工艺过程 直拉硅单晶过程中有如下几个工序：熔接籽晶、
引晶 、缩颈、 放肩 、等径生长 和收尾。 如图4-14所示。
工业硅的纯化最常用的方法是酸浸法（酸 洗）。即当硅凝固时，多数杂质（Fe、Al、C、 B、P、Cu等）离析在晶粒周围，这些杂质往往 呈硅化合物或硅酸盐状态,一般都可用酸溶解。
只有少数杂质如碳化硅、氧化铁不溶。而硅则 不溶于酸中，为此可采用酸浸法纯化工业硅、故 称化学提纯。酸浸法所用酸有：盐酸、硫酸，王 水、氢氟酸及其不同组合的混合酸。
单晶硅棒材料(见硅材料图1、图2） 加工成硅片可用来制作各种类型的半导体器件 (图3、图4)
单晶
多晶
多晶硅是生产制备单晶硅的原材料，多晶硅 经提纯后，纯度可高达9个 “9” ，甚至更纯 （见多晶硅图）。现在首先介绍高纯多晶硅的制 备。
§ 2-1 多晶硅的制备
多晶硅制备方法及工艺流程，如图4-1所示。
二、四氯化硅（SiCl4）的制备
制备四氯化硅的方法很多，工业上主要采用工业 硅与氯气合成方法。其反应式
Si 2Cl2 400 50 0c SiCl4 Q(放热)
三、三氯氢硅（SiHCl3）的制备
工业硅经氯化氢处理即可得到三氯氢硅。其反 应原理如下：
Si 3HCl 280~300c SiHCl3 50.0kcal / mol
四、精馏提纯
在粗三氯氢硅中，含有杂质如硼、磷、钛、 铁、铜等的氯化物。提纯的目的就是要最大限 度地除去这些杂质。三氯氢硅多用筛板精馏塔 进行提纯。下面我们介绍精馏原理。

国科⼤-半导体器件物理第⼀章半导体物理基础1.主要半导体材料的晶体结构。

简单⽴⽅(P/Mn)、体⼼⽴⽅(Na/W)、⾯⼼⽴⽅(Al/Au)⾦刚⽯结构：属⽴⽅晶系，由两个⾯⼼⽴⽅⼦晶格相互嵌套⽽成。

Si Ge闪锌矿结构（⽴⽅密堆积），两种元素，GaAs, GaP等主要是共价键纤锌矿结构（六⽅密堆积），CdS, ZnS闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原⼦均处于另⼀种原⼦构成的四⾯体中⼼，配种原⼦构成的四⾯体中⼼，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，⽽纤锌矿上下相对2.⾦属、半导体和绝缘体能带特点。

1）绝缘体价电⼦与近邻原⼦形成强键，很难打破，没有电⼦参与导电。

能带图上表现为⼤的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电⼦激发到导带。

2）半导体近邻原⼦形成的键结合强度适中，热振动使⼀些键破裂，产⽣电⼦和空⽳。

能带图上表现为禁带宽度较⼩，价带内的能级被填满，⼀部分电⼦能够从价带跃迁到导带，在价带留下空⽳。

外加电场，导带电⼦和价带空⽳都将获得动能，参与导电。

3）导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠。

很容易产⽣电流3.Ge, Si，GaAs能带结构⽰意图及主要特点。

1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在⼀条竖直线上2）导带底电⼦有效质量为正，带顶有效质量为负3）有效质量与能带的曲率成反⽐，导带的曲率⼤于价带，因此电⼦的有效质量⼤；轻空⽳带的曲率⼤，对应的有效质量⼩4.本征半导体的载流⼦浓度，本征费⽶能级。

5.⾮本征半导体载流⼦浓度和费⽶能级。

<100K 载流⼦主要由杂质电离提供杂质部分电离区(凝固区) 。

100~500K，杂质渐渐全部电离，在很⼤温度范围内本征激发的载流⼦数⽬⼩于杂质浓度，载流⼦主要由掺杂浓度决定。

饱和电离区。

>500K，本征激发的载流⼦浓度⼤于掺杂浓度，载流⼦主要由本征激发决定。

本征区。

6.Hall效应，Hall迁移率。