半导体物理与器件基础 上课用

半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌半导体物理与器件基础微电子学院韩萌半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌2课程简介•课程性质：专业基础课学分：5•课程特点：半导体物理部分概念多、内容广；器件部分公式多且复杂。•课程要求：半导体物理部分着重理解,掌握基本计算公式；器件部分掌握器件结构,理解工作原理,熟悉器件功能。•考核：平时成绩20％，期中30％，期末50％半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌3为什么开设这门课？•所授课程与本专业有什么关系？•所授课程与将来就业有什么关系？–毕业班学生面试情况的反馈–已经上岗实习学生的工作情况反馈•学习本课程的重要性和必要性–与后续专业课有密切联系，是基础是根基；–本课程总评成绩影响专转本的资格；–对于应聘及从事本专业及相关专业工作有必然影响，对于本专业及相关专业从业人员个人发展有直接关系。量子力学统计物理固体物理半导体物理半导体材料半导体器件半导体工艺半导体集成电路半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌4什么是半导体•简单地说，半导体（Semiconductor）是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。•半导体的导电性可以人为控制。譬如光照、加热或掺入杂质。•半导体发展历程：电子管→晶体管→IC→超大规模IC(45nm,高k)•半导体能完成的任务处理信号：二极管整流、三极管放大、信号的光－电转换处理数据：A/D转换、数据存储、计算与控制•半导体制造工艺（以MOS制程流程为例）半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌5氧化(场氧化层)硅基板二氧化硅氧光刻胶显影氧化层旋涂光刻胶光刻胶光刻胶的曝光曝光的光刻胶GSD有源区上层氮化硅SDG氮化硅淀积氮化硅接触窗SDG刻蚀接触窗离子注入oxDG离子束扫描S淀积金属及刻蚀drainSDG金属接触淀积对晶硅多晶硅硅烷气体掺杂气体氧化(栅氧化层)栅氧化层氧光刻胶去除氧化层氧离子化气体二氧化硅刻蚀光刻胶氧化层离子化CF气体多晶硅光刻及刻蚀氧化层离子化CCl4气体晶圆对准与曝光掩模板UV光半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌6目录•第1章固体晶格结构（6学时）•第3章固体量子理论初步（8学时）•第4章平衡半导体（10学时）•第5章载流子输运现象（8学时）•第6章半导体中的非平衡过剩载流子（8学时）•第7章pn结（6学时）•第8章pn结二极管（6学时）•第9章金属半导体和半导体异质结（3学时）•第10章双极晶体管（10学时）•第11章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础（6学时）•第12章金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入（2学时）•第14章光器件（2学时）半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌7第一章固体晶格结构•1.1半导体材料•1.2固体类型•1.3空间晶格•1.5固体中的缺陷和杂质•1.6半导体材料的生长•第一章习题•第一章小结回目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌81.1半导体材料•Ⅳ族元素半导体和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌91.2固体类型•无定形（非晶）、多晶、单晶•晶体的特点：1.组成晶体的原子按一定方式有规则排列2.有固定的熔点Si(硅):1420℃Ge(锗):941℃3.单晶具有方向性：各向异性单晶区域（晶粒）晶界本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌101.3空间晶格•晶格：原子的周期性排列•1.3.1原胞和晶胞•理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构成的。•晶体结构用点阵来描述，在点阵的每个格点上附有一群原子。这一群原子称为基元。基元在空间重复就构成晶格。1.格点：描述原子排列的点。2.点阵平移矢量r表示从任意一点r看去，都和从r’看到的原子排列是相同的。本章目录基矢半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌111.3空间晶格3.晶格、二维晶格、三维晶格。4.晶胞、原胞、晶格常数晶胞：可以复制出整个晶体的小部分晶体。原胞：可以复制出整个晶格的最小晶胞。晶格常数：晶胞的边长•1.3.2基本的晶体结构（见右图）•简立方（sc）、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌121.3空间晶格•1.3.3晶面和密勒指数1.晶面：点阵中所有的格点都位于一系列相互平行等距的平面上，这样的平面系称为晶面。2.密勒指数：晶面与三个晶轴截距的倒数的互质整数。3.晶面的具体求解方法：a.先求晶面与坐标轴的截距p、q、sb.写截距的倒数c.倒数同乘以其最小公分母，求得密勒指数(h,k,l)d.写出晶面(hkl)，若截距在晶轴负侧则标上“－”号，本章目录习题一半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌131.3空间晶格4.晶列：点阵中所有格点都在一系列互相平行等距的直线上，这些直线系称为晶列。5.晶向：用三个整数表示晶列的方向。如图从格点O沿某个晶列到格点P作位移矢量R6.晶向指数[mnp]：晶向矢量在三个晶轴上投影的互质整数。本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌141.3空间晶格7.计算晶体的原子体密度和面密度原子体密度：晶体内单位体积中包含的原子数。（个/cm3）原子面密度：晶面上单位面积包含的原子数。（个/cm2）•例题见习题2/3/4本章目录习题二半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌151.3空间晶格•1.3.4金刚石结构Ⅳ族元素Si、Ge都是金刚石结构。本章目录习题五1、是两个面心立方晶格构成的复式格子。2、构成方式：其中一个面心立方晶格沿着另一个的体对角线滑移1/4长度套构而成。半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌161.3空间晶格•闪锌矿结构（或称铅锌矿）与金刚石结构相似，唯一区别在于其中含有两类元素，如GaAs。•纤锌矿结构六方对称结构本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌171.5固体中的缺陷和杂质•1.5.1固体中的缺陷1、点缺陷：空位、填隙原子2、线缺陷：位错刃位错、螺位错3、缺陷的显示与观察x射线形貌技术、透射电子显微术、红外显微观察和金相腐蚀法。金相腐蚀法：缺陷处晶格完整性被破坏，腐蚀速度比理想晶格大，在晶格表面显示出腐蚀坑。Si：(111)面为正三角形，(100)面为正方形，(110)面为菱形。本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌181.5固体中的缺陷和杂质•1.5.2固体中的杂质1、定义：杂质指晶体中的外来原子或杂质原子。2、杂质的分类：替位杂质和填隙杂质3、掺杂：向半导体中加入某种杂质以改变其导电性的手段。4、掺杂的方法：扩散、离子注入本章目录预淀积、推进、激活半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌191.6半导体材料的生长•1.6.1在熔融体中的生长CZ法（直拉法）本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌20练习题1、GaAs的晶格常数为5.65埃，分别确定每立方厘米内Ga和As的原子数。确定半导体Ge的原子体密度，其晶格常数为5.65埃。38381055810554）（体密度为为金刚石结构，其原子）（以它们的原子体密度为均为面心立方晶格，所与.6Ge.6AsGa半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌212、某体心立方晶体由两种元素构成，A和B。A在角上，B在中心。A的有效半径为1埃，假设均是钢球且A球与其最近邻的A球相切。计算可填入B球的最大半径；A元素和B元素的体密度。2222222BR383810211021）（个的体密度：）（个的体密度：BA半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌223、一个简立方晶格常数为5埃，计算最近平行平面间距：(100)(110)4、计算如下平面Si原子的面密度：(100)(110)(111)半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌23第一章习题1.画出(632)晶面、(020)晶面、(503)晶面、(320)晶面。（P8例1.2）返回2.一个bcc单晶材料,晶格常数为a,计算晶体中的原子体密度。(P8自测题E1.1)返回3.一个fcc单晶材料，晶格常数为a，计算晶体中的原子体密度。4.计算bcc和fcc结构中(100)、(110)面的原子面密度，晶格常数为a。5.（P9例1.3）6.（作业）计算金刚石结构的原子体密度，(010)面和(110)面的原子面密度，画出(110)面原子分布情况。返回7.（作业）画出scc、bcc、fcc中(100)、(110)、(111)晶面的原子分布情况，并计算各晶面的原子面密度。本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌24第一章作业答疑半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌25第一章小结•基本概念：点阵、格点、晶格、晶胞、原胞、晶面、晶向等•固体的分类：无定形、单晶、多晶•sc、bcc、fcc三种晶格特点•会画指定晶面或根据所给晶面写出密勒指数•金刚石结构的特点•固体中缺陷的种类•固体中杂质的类型和掺杂的基本方法•计算原子体密度和面密度本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌26第二章量子力学初步•玻尔曾说：“如果谁没被量子力学搞得头晕，那他就一定是不理解量子力学。”•爱因斯坦说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。”•费曼说：“我们知道它如何计算，但不知道它为何要这样去计算，但只有这样去计算才能得出既有趣又有意义的结果。”半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌27第三章固体物理基础•3.1允带与禁带•3.2固体中电的传导•3.3三维扩展•3.4状态密度函数•3.5统计力学•第三章习题•第三章小结回目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌28•3.1.1能带的形成原子聚集在一起，最初的分立能级就分裂为能带。1、电子的共有化运动及能带的形成3.1允带与禁带本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌293.1允带与禁带2、能级分裂的特点外层轨道能级早分裂，内层轨道能级迟分裂内层能级分裂的能带窄，外层能带较宽3、相关名词解释允带：允许电子填充的能带。禁带：不允许电子填充的能量状态。导带：没有被电子填充的能量最低的允带。价带：已经被电子填满的能量最高的允带。带隙：或称禁带宽度能带简图，见右图实际的能带图是E-k关系EcEv本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌303.1允带与禁带•3.1.3k空间能带图1、波数矢量k：2、自由电子E-k关系：3、晶体中的准自由电子E-k关系：由于晶体中电子波的布拉格反射，在k=±np/a处出现带隙。2ΔkE2ΔkE本章目录kp,ph,kp20220222)(mkmpkE半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌313.2固体中电的传导•3.2.1能带和键模型单晶硅二维图示共价键断裂及正负电荷的产生：“空状态”的产生：本章目录共价键强度越强，带隙越宽。能带中的能量：半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌323.2固体中电的传导•3.2.2漂移电流一个体密度为N的正电荷集，平均漂移速度为vd，则漂移电流密度为：J=eNvd无电场力作用时，电子无规则热运动，从能带的角度理解为：导带中＋k值的电子和－k值的电子一样多，净漂移电流为零。有外加电场时，电场使电子得到能量和净动量。漂移电流与电子定向运动有关。本章目录半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌333.2固体中电的传导•3.2.3电子的有效质量泰勒级数展开的条件：(1)x=x0处展开式的值等于该点函数值。(2)x=x0的领域内，两边导数值近似相等。设能带底位于k=0处，将E(k)在k＝0附近泰勒级数展开，得到02)0()(2)()(21)0()()(21)0()(,0)()(21)()0()(*2202220222022020220nkkkkkmkEkEmkkEkdkkEdEkEkdkkEdEkEdkkdEkdkkEdkdkkdEEkE有，对比自由电子本章目录能带底部附近的E-k关系半导体物理与器件基础微电子教研室韩萌34•设能带顶位于k=0处，将E(k)在k＝0附近泰勒级数展开，得到•另外，能带极值附近电子的速度写为：•半导体中电子的加速度：•有效质量的意义：1、能带底电子有效质量是正值，能带顶是负值；能带底电子速度与k方向相同，能带顶与k方向相反；有效质