半导体器件物理之半导体材料公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

1、半导体器件物理第1页参 考 书S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Jahn Wiley & Sons, Inc. 1981.施敏 著, 黄振岗译, 半导体器件物理，电子工业出版社, 1987.王家骅等编著，半导体器件物理，科学出版社，北京，1983。施敏(S.M. Sze)主编，当代半导体器件物理，科学出版社，北京，。第2页主 要 内 容第一章 半导体物理基础晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计，非平衡载流子输运, 器件工作基本方程第二章 半导体接触P-N结异质结金属-半导体接触半导体绝缘体 M I S第3页

2、第三章 经典半导体器件3.1 双极结型晶体管基本工作原理，输出特征，等效电路，异质结双极晶体管(HBT)3.2 场效应晶体管结型场效应晶体管, MOSFET基本工作原理和电荷控制模型,C-MOS器件基本工作原理,异质结场效应晶体管,非晶薄膜晶体管3.3 光电子器件LED和半导体激光器,光探测器,太阳能电池,集成光电子学3.4 专用微波器件隧道二级管,IMPATT器件,体效应器件第四章 新型半导体器件超晶格器件，共振隧道器件，其它新型半导体主 要 内 容第4页第一章 半导体物理基础1.1 半导体材料1.2 晶体结构1.3 能带1.4 热平衡时载流子浓度1.5 载流子输运1.6 半导体声子谱以及光

3、学、热学和高场性质1.7 半导体器件工作基本方程Ch1第5页1.11.1 半导体材料固体材料依据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体绝缘体：熔凝石英、玻璃 ：10-18-10-8 S/cm半导体：硅、砷等，介于绝缘体与导体之间，且对温度、光照、磁场及杂质原子等敏感电子应用领域中最主要材料之一。导体： 铝、银等， ：104-106 S/cm第6页绝缘体、半导体和导体电导率经典范围。第7页周期表中与半导体相关部分周期II族III族IV族V族VI族2B硼C碳N氮3Mg镁Al铝Si硅P磷S硫4Zn锌Ga镓Ge锗As砷Se硒5Cd镉In铟Sn锡Sb锑Te碲6Hg汞Pb铅第8页1.1元素与化合物半导体元素

4、IV-IV族化合物III-V族化合物II-VI族化合物IV-VI族化合物Si60年代初Ge50年代初SiCAlAs AlSbBN GaAsGaP GaSbInAs InPInSbCdS CdSeCdTe ZnS ZnSeZnTePbSPbTe绝大多数半导体器件都是用硅材料制作微波、光电器件主要用来制作微光电器件，红外器件和光电池。第9页1.1半导体材料形态非晶多晶晶体非晶态半导体： 原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻体，但在到达一定值外界条件(如电场、光、温度等)时，展现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等。晶体：原子有

5、规律排列，含有确定晶体结构，各向异性。多晶：由大晶粒和晶界组成，也可能包含部分非晶,保留了单晶基本性质，总体性质上表现出各向同性。第10页半导体材料制备从熔体中制备Growth from melt：Czochralski（提拉法）:利用子晶生长Slice boule into wafers:Zone refining: 外延生长Epitaxial growth:CVD、PVD方法(非晶薄膜）：晶体晶体Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 1.1第11页1.2 晶体结构-单晶半导体材料1.2晶体中原子周期性排列称为晶格，整个晶格能够用单胞来描述

6、，重复单胞能够形成整个晶格。三种立方晶体单胞简单立方 Cubic(P Mn)体心立方 bccBody center(Na,W,etc)面心立方 fcc(Al,Au,etc)xzyaxzyaxzya第12页1.2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。硅，锗，每个原子有四个最近邻。闪锌矿结构，两种元素，GaAs, GaP等第13页纤锌矿结构，CdS, ZnS 化合物半导体两种单胞岩盐结构，PbS, PbTe 选择单胞规则：1）对称性与整个晶体对称性一致，2）直角最多，3）体积最小晶体学单胞或惯用单胞第14页晶向：从坐标原点到点 （u ,w） 直线1。特定方向用方括号表示： u

7、w 2。晶向指数 u，w 是一组最小指数，1/2 1/2 11123。负指数 w 4。由对称性决定等效晶向1.2基失: 基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点矢量）不过任何 阵点 。取一原点O，选 三个基本平移矢量。任何一平移矢 量 ，都可用 表示:晶面：在坐标轴上截距为1/h, 1/k , 1/l 平面1/2 1/2 1112 1。晶面取向用圆括号表示(h k l ) 2。 h k l 称为米勒指数 3。负指数( k l ) 4。由对称性决定等效晶面h k l 第15页1.2一些半导体材料晶体结构和晶格常数元素/化合物名称晶体结构晶格常数（300K)元素半导体CGeSiSnCarbon(D

8、iamond)GermaniumSiliconGrey TinDiamondDiamondDiamondDiamond3.566795.657485.430866.4892IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358III-VAlSbBNBPGaNGaSbGaAsGaPInSbInAsInPAluminum antimonideBoron nitrideBoron phosphideGallium nitrideGallium antimonideGallium arsenideGallium phosphideIndium antimonideIndium a

9、rsenideIndium phosphideZincblendeZincblendeZincblendeWurtziteZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblende6.13553.6154.538a=3.186, c=5.1766.09555.65345.45056.47886.05855.8688第16页元素/化合物名称晶体结构晶格常数（300K)II-VICdSCdSCdSeZnOZnSZnSCadmium sulfideCadmium sulfideCadmium selenideZinc oxideZinc

10、sulfideZinc sulfideZincblendeWurtziteZincblendeCubicZincblendeWurtzite5.832a=4.16, c=6.7566.054.585.42a=3.82, c=6.26IV-VIPbSPbTeLead sulfideLead tellurideCubicCubic5.9356.460一些半导体材料晶体结构和晶格常数第17页倒格基矢：当给定一组正基矢（a,b,c)时，可定义一组倒格基矢(a*,b*,c*)倒格矢：每个倒格矢垂直于正格子一组晶面，倒格子原胞与正格子原胞体积成反比：第18页维格纳-赛茨原胞：从倒格子中选定中心点到紧邻等效

11、倒格点作垂直平分面，如此得到一组垂直平分面即可围成一个维格纳-赛茨原胞。第19页1.3 1.3 能带 1。能带形成 近自由电子近似 紧束缚近似 k空间和态密度 金属、半导体、绝缘体能带 直接和间接禁带 带隙温度依赖2。电子和空穴有效质量第20页1.3.11.3.1 能带形成 近自由电子近似紧束缚近似k空间和态密度金属、半导体、绝缘体能带直接和间接禁带带隙温度依赖第21页自由电子气模型近自由电子近似 一维电子气色散曲线kE0/a2/a3/a-3/a-2/a/akE0/a/a扩展区方案简约区方案色散关系采取最简单形式第22页一维近自由电子模型能带和带隙当晶体周期势比较弱时,能够将其作为微扰来处理,

12、 即用近自由电子模型来代替自由电子模型。适合于简单金属(Na,K,Al)和窄带隙半导体。因为周期微扰势存在，在Brillouin区边界产生带隙，即能谱中出现禁带。kE0/a2/a3/a-3/a-2/a/akE0/a/a近自由电子近似 扩展区方案简约区方案第23页1.3LCAO-Linear combination of atomic orbitals紧束缚近似 紧束缚近似表明：假如晶格间距a比较大原子，相互之间离得比较远，则每个原子能级含有N重简并，而当a减小时，波函数重合造成能带。能够用强定域化原子波函数线性组合来构建Bloch函数。E原子固体第24页1.3晶体中电子共有化运动孤立原子电子能

13、级分立晶体 由大量原子结合而成 各原子电子轨道有不一样程度交叠 电子运动出现共有化 单一能级分裂成N个新能级 N个新能级之间差异较小，N很大，所以成为含有一定宽度能带原子晶体导带价带L晶格间距使孤立硅原子彼此靠近组成金刚石结构晶体时形成能带第25页1.3金属、半导体和绝缘体能带 价带全满导带全空(a)绝缘体价电子与近邻原子形成强键，极难打破，没有电子参加导电。能带图上表现为大禁带宽度，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。近邻原子形成键结合强度适中，热振动会使一些键破裂，产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度较小，价带内能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在

14、价带中留下空穴。外加电场，导带电子和价带空穴都将取得动能，参加导电。导带或者被部分填充，或者与价带重合。很轻易产生电流.导带（c)金属半满带价带(b)半导体价带导带第26页1.3直接和间接禁带 Ge, Si和GaAs能带结构。 第27页1.3带隙温度依赖 大多数半导体能隙随温度升高而降低。Ge, Si和GaAs能隙随温度改变关系。 Ge Si GaAs0K：0.743, 1.17, 1.519 eV室温: 0.66, 1.12, 1.42 eV Eg(T)=Eg(0) - T2/(T+)第28页1.3K空间和态密度 晶体中电子因为受到有限体积限制，k值只能取分立值n, l, m为任意整数L3为

15、晶体体积惯用几何方法标志晶体中电子共有化运动状态：kykxkz每一组(n, l, m)对应“k空间”中一个点，代表一个确定电子共有化运动状态。k空间中点密度，代表电子状态密度。依据k空间中状态密度，和能量表示式，能够求能态密度。第29页1.3.2 有效质量 为描述电子和空穴运动而引入对半导体导带底和价带顶附近，电子在x, y, z方向有效质量：在导带底和价带顶附近，晶体中电子与自由电子相同，只不过含有有效质量。 带底，有效质量为正，带顶，有效质量为负。 有效质量各向异性。 复杂能带可能有多个峰和谷，有可能有多组有效质量。第30页 K空间等能面-标志晶体中载流子E(k)关系简单立方晶体等能面是以

16、k0为中心球面。mx* = my* = mz* 锗、硅-旋转椭球。横向有效质量：mt* ；纵向有效质量：ml* 结合详细问题有效质量：态密度和电导有效质量。 电子电导有效质量： 电子态密度有效质量：第31页1.4 热平衡时载流子浓度 本征硅n型(磷，施主)掺杂 p型(硼，受主)掺杂 Si三种基本键图形第32页1.4.1 本征半导体 导带内被占据能级数导带底附近，非简并半导体，电子密度：同理，价带顶附近，非简并半导体，空穴密度：本征半导体：本征载流子浓度（1）（2）(1)=(2)本征半导体费米能级非常靠近带隙中央第33页可得到本征载流子浓度： Ge，Si 和GaAs本征载流子浓度与温度关系。质量

17、作用定律. 第34页本征温度Ti：载流子浓度=本底浓度 本征温度与本底浓度关系第35页1.4.2 施主和受主 施主能级：该能级上填充一个电子后呈中性，而撤空后带正电。 受主能级：该能级若为空则呈中性，若填充一个电子则带负电。 Ge，Si和GaAs中各种杂质实测电离能。 第36页Ge，Si和GaAs中各种杂质实测电离能。 浅能级；对电导有主要影响。 深能级：对复合和俘获有作用。 多重能级 第37页1.4.3 费米能级 本征半导体费米能级靠近在带隙中央，热平衡时本征半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。第38页掺杂半导体呢？依据载流子浓度和类型能够确定费米能级位置。n型和p型半导体能带、态密度

18、、费米分布和载流子浓度。第39页考虑n型半导体： 施主杂质浓度：ND 电中性条件： 总负电荷（电子）=总正电荷（空穴+电离施主） 施主杂质能级基态简并度杂质能级未被占据几率，即电离几率第40页对于给定NC,ND, NA,NV,EC,ED, EA,EV,T，费米能级能够唯一确定。考虑p型半导体： 受主杂质浓度：NA 第41页施主杂质浓度为1015 cm-3 Si样品，电子密度与温度关系。 500K，本征激发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。禁带宽度和杂质电离能悬殊差异，载流子浓度在低温主要是杂质电离提供，高温是本征激发。第42页对于凝固区斜率，视赔偿条件而定： 对于部分赔

19、偿半导体, 当 近似无赔偿情况在不一样温度下,可能会有不一样斜率 ,有拐折出现 第43页对于饱和区:在宽温度范围(比如上图100500K)载流子密度保持恒定. 仍有质量作用定律: 电中性条件: 对n型半导体: 有: 第44页对p型半导体: 有: 第45页依据以上两个方程,得到费米能级位置改变：硅费米能级与掺杂浓度和温度关系。带隙与温度关系。第46页1.5 载流子输运 迁移率电阻率霍尔效应 复合过程 第47页1.5.1 迁移率 声学声子迁移率, 随温度T和有效质量增加而降低.GaAs之类极性半导体，光学声子散射机构非常主要，要考虑。声学声子迁移率电离杂质迁移率Ge, Si等非极性半导体，声学声子

20、、杂质离子等散射，影响迁移率其它散射机制：谷内散射， 谷间散射电离杂质散射, 迁移率伴随有效质量而降低，随温度而增加，包含上述两种机制组合迁移率为：第48页伴随浓度增加 迁移率降低伴随m*增加迁移率也降低电子迁移率大于空穴迁移率室温下Ge，Si和GaAs迁移率与杂质浓度关系GeSiGaAs第49页载流子扩散系数与迁移率相关主要参数对于非简并半导体，即np （n型半导体） 1.5.2 电阻率 电导率 ： 或对有电子和空穴两种载流子半导体： 电阻率测量： 四探针法第51页300K下硅实测电阻率与杂质浓度关系并非载流子浓度第52页300K下Ge, GaAs和GaP实测电阻率与杂质浓度关系第53页1.5.3 霍尔效应 为了直接测量载流子浓度，最惯用方法是霍尔效应法。霍尔测量载流子密度装置示意图霍尔系数npp n可判断导电类型可确定载流子浓度霍尔迁移率： 第54页1.5.4 复合过程 每当物理系统热平衡状态受到扰动，即pn ni2系统要恢复平衡 ，复合过程 带间复合 辐射过程俄歇过程对于含有直接带隙大多数III- V族化合物是最主要第55页单能级复合 电子俘获、电子发射、空穴俘获、空穴发射。 最有效复合中心是带隙中央附近能级。小注入条件下，复合率： n型半导体 n型半导体内少数载流子（空穴）寿命） 第56页多能级陷阱 定性地类似于单能级情形 寿命是与全部带正电、负