半导体器件电子学-Ch

<<半导体器件电子学>>北京工业大学电控学院2006年9月《半导体器件电子学》课程大纲第一章现代半导体材料晶体结构和特性（10学时）§1.1半导体的基本特性与常见半导体材料§1.2新型宽带半导体材料的特性§1.3Si材料的SOI结构特性§1.4半导体材料的压电特性第二章载流子输运特性及非平衡态（14学时）

§2.1体材料半导体载流子的性质及电流密度 §2.2小尺寸下半导体材料中迁移率退化和速度饱和 §2.3器件的小尺寸带来的热问题 §2.4小尺寸下的量子效应

§2.5小尺寸器件中的量子力学机理 §2.6二维电子气的输运 §2.7调制掺杂结构和场效应晶体管 §2.8强磁场中的二维电子气 §2.9掺杂对输运特性的影响第三章半导体结特性的电子学分析（6学时） §3.1PN结的模型 §3.2求解空间电荷区的近似解析模型

§1.1半导体的基本特性与常见半导体材料一、半导体的基本特性电阻率：介于10-3-106Ω.cm，金属：10－6Ω.cm绝缘体:1012Ω.cm纯净半导体负温度系数掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数不同掺杂类型的半导体做成pn结,或金-半接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子第一章现代半导体材料晶体结构和特性二、常见的半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置元素半导体Si：是常用的元素半导体材料，是目前最为成熟的材料，广泛用于VLSI。Ge：早期使用的半导体材料。化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物（AIIIBV）Ⅲ-Ⅴ：Al，Ga，In——P，As，N，Sb（碲）GaAs、InP、GaP、InAs、GaN等。Ⅱ-Ⅵ族化合物（AIIBVI）

Ⅱ－Ⅵ：Zn，Cd，Hg——S，Se，TeZnO、ZnS、TeCdHg等Ⅵ-Ⅵ化合物（AIVBiV）SiGe、SiC。

混合晶体构成的半导体材料◆两种族化合物按一比例组成，如xAⅢCⅤ+(1-x)BⅢCⅤ，xAⅡCⅥ+(1-x)BⅡCⅥ，SixGe1-x，

能带工程：由于可能通过选取不同比例的x，而改变混晶的物理参数(禁带宽度，折射率等)，这样人们可以根据光学或电学的需要来调节配比x。通过调节不同元素的组分，才能实现禁带宽度的变化。在光电子、微电子方面有很重要的作用。三、常见半导体的结构类型◆金刚石结构：Si、Ge◆闪锌矿结构：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、

AlSb、CdTe◆纤锌矿结构：GaN、AlN、SiC金刚石结构：◆闪锌矿结构◆纤锌矿矿结构构§1.2新新型型宽带带半导导体材材料的的特性性1。GaN半导导体材材料的的特性性由三族族元素素Ga和五五族元元素N，III-V族化化合物物半导导体。。晶体结结构分分为:闪锌矿矿结构构(ZincBlendecrystalstructure)立方方晶纤锌矿矿结构构(Wurtzitecrystalstructure)六角角GaN在1932年年人工工合成成。（参考考书：：NitrideSemiconductorsandDeviceHadisMorkoc））III族的的氮化化物有有三种种晶体体结构构：闪锌矿矿结构构、纤纤锌矿矿结构构、盐盐石岩岩结构构（NaCl））对于AlN、GaN和InN，室室温下下：热热力学学动力力学稳稳定的的结构构是纤纤锌矿矿结构构。GaN、InN通过过薄膜膜外延延生长长在立立方晶晶的（（110））晶面面上，，如Si，，MgO，，GaAs，才才能生生长出出闪锌矿矿结构构。纤锌矿矿结构构六角的的，有有两个个晶格格常数数c和和a，，是复复式格格子。。沿c轴方方向移移动5/8c形形成。。闪锌矿矿结构构(ZincBlendecrystalstructure)立方方晶单胞中中含有有4个个基元元（4个III族原原子和和4个个V族族原子子）复式格格子。。GaN材料料的外外延生生长：：其结构构取决决于使使用的的衬底底类型型六角晶晶体衬衬底长长出纤纤锌矿矿结构构立方晶晶体衬衬底长长出闪闪锌矿矿结构构目前常常用的的衬底底：sapphireAl2O3，蓝宝石缺点：晶体体结构不好好，与氮化化物的热匹匹配不好优点:来来源广，，六角结构构，容易处处理，高温温稳定。由于热匹配配不好，缓缓冲层要厚厚。SiC作为为衬底，热热匹配和晶晶格匹配比比较好。缺点：SiC常规工工艺很难处处理，SiC的结构构变数太大大。GaN体材材料是最理理想的。但但目前还不不能生长出出大尺寸的的材料。掺杂：n-GaN:Si，，Ge，Sn（Selenium）p-GaN：Mg，，（1989）Zn，Be，，Hg，CBasicParameters:ZincBlendecrystalstructureEnergygaps,Eg3.28eV0KEnergygaps,Eg3.2eV300KElectronaffinity4.1eV300KConductionbandEnergyseparationbetweenΓvalleyandXvalleysEΓ1.4eV300KEnergyseparationbetweenΓvalleyandLvalleysEL1.6~1.9eV300KEffectiveconductionbanddensityofstates：：1.2x1018cm-3300KValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.02eV300KEffectivevalencebanddensityofstates4.1x1019cm-3300K立方晶第一一布里渊区区－－截角角八面体WurtzitecrystalstructureEnergygaps,Eg3.47eV0K3.39eV300KEnergygaps,Eg,dir3.503(2)eV1.6K;photoluminescence,fromexcitonicgapaddingtheexcitonbindingenergy3.4751(5)eV1.6K;A-exciton(transitionfromΓΓ9v)3.4815(10)eV1.6K;B-exciton(transitionfromupperΓΓ7v)3.493(5)eV1.6K;C-exciton(transitionfromlowerΓΓ7v)3.44eV300K;temperaturedependencebelow295Kgivenby:Eg(T)-Eg(0)=-5.08x10-4T2/(996-T),(TinK).Electronaffinity4.1eV300KConductionbandEnergyseparationbetweenΓΓvalleyandM-Lvalleys1.1~1.9eV300KEnergyseparationbetweenM-L-valleysdegeneracy6eV300KEnergyseparationbetweenΓΓvalleyandAvalleys1.3~2.1eV300KEnergyseparationbetweenA-valleydegeneracy1eV300KalsoTheenergyseparationsbetweentheΓΓ9stateandthetwoΓΓ7statescanbecalculatedfromtheenergyseparationsoftheA-,B-,C-excitons.Effectiveconductionbanddensityofstates2.3x1018cm-3300KValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.008eV300KEnergyofspin-orbitalsplittingEso11(+5,-2)meV300K;Energyofcrystal-fieldsplittingEcr0.04eV300KEnergyofcrystal-fieldsplittingEcr22(2)meV300K;calculatedfromthevaluesofenergygapEg,dir(givenabove)Effectivevalencebanddensityofstates4.6x1019cm-3300K2。。GaN材材料料的的主主要要器器件件特特性性GaN器器件件的的未未来来：：Electronics：：GaN带带隙隙宽宽，，使使之之最最适适合合高高温温应应用用的的半半导导体体材材料料。。高高迁迁移移率率有有利利于于高高频频应应用用。。多数数为为二二维维器器件件应应用用。。BipolarTransistors：：HBT（（HeterojunctionBipolarTransistor)由于于电电流流横横向向流流动动，，功功率率消消耗耗很很小小。。一种种结结构构：：GaN发发射射极极，，SiC基基极极。。导导带带带带隙隙差差几几乎乎为为零零，，但但价价带带有有很很大大带带隙隙差差。。提提高高发发射射区区发发射射效效率率。。散散热热性性能能好好。。Photo-Transistors：：光光电电晶晶体体管管。。基区区通通过过UV光光照照射射后后，，产产生生光光注注入入空空穴穴。。实实现现对对集集电电极极电电流流的的控控制制。。Thyristors：：晶晶闸闸管管形成成pnpn结结构构，，实实现现电电流流的的开开关关控控制制。。MemoryDevice：：存存储储器器器器件件是是基基于于电电荷荷存存储储。。半半导导体体材材料料中中带带电电载载流流子子寿寿命命依依赖赖于于电电荷荷逃逃脱脱陷陷阱阱的的激激活活能能。。而而带带隙隙越越宽宽，，通通过过复复合合损损失失的的电电荷荷逃逃脱脱的的可可能能性性就就越越小小。。GaN的的存存储储器器具具有有最最高高的的读读出出效效率率。。GaN器器件件的的未未来来：：Optoelectronics:LED1994年年，，Nakamura报报道道了了商商业业化化GaN基基超超亮亮度度LED。。在在固固态态照照明明SSL方方面面有有着着巨巨大大的的潜潜力力。。Optoelectronics:LD通过过GaAlN组组成成异异质质结结，，制制备备出出边边发发光光LDs。。（（Edge-emitting））.只只有有Nichia制制备备出出CW20C下下，，工工作作10000小小时时。。UVDetectorsGaAlN/GaN异异质质结结探探测测器器其其波波段段覆覆盖盖太太阳阳盲盲区区，，是是理理想想的的紫紫外外探探测测器器材材料料。。"太太阳阳光光谱谱盲盲区区"是是指指波波长长在在220～～280纳纳米米的的紫紫外外波波段段，，这这一一术术语语来来自自下下列列事事实实:太太阳阳辐辐射射(紫紫外外辐辐射射的的主主要要来来源源)的的这这一一波波段段的的光光波波几几乎乎被被地地球球的的臭臭氧氧层层所所吸吸收收，，所所以以"太太阳阳光光谱谱盲盲区区"的的紫紫外外辐辐射射变变得得很很微微弱弱。。这这样样，，由由于于空空域域内内太太阳阳光光等等紫紫外外辐辐射射的的能能量量极极其其有有限限，，如如果果出出现现导导弹弹羽羽烟烟的的"太太阳阳光光谱谱盲盲区区"紫紫外外辐辐射射，，那那么么就就能能在在微微弱弱的的背背景景下下探探测测出出导导弹弹。。X-RayDetectors制备备X-ray探探测测器器。。ConductingWindowsforSolarCellsOpticsPiezoelectronicsSurfaceAcousticWaveGenerationAcousto-OpticModulatorPyroelectricity：：热热电电现现象象。。NegativeElectronAffinity2。。SiC半半导导体体材材料料的的特特性性由四四族族Si原原子子和和C原原子子组组成成的的化化合合物物半半导导体体SiC晶晶体体结结构构:具具有有同同质质多多型型的的特特点点几种种典典型型的的晶晶体体结结构构SiC和和Si材材料料性性质质：：六方方结结构构SiC的的解解理理面面是是（（1100））（（1120））(0001)SiC的的技技术术特特性性：：高硬硬度度材材料料；；莫莫氏氏硬硬度度9.2-9.3，，金金刚刚石石10耐磨磨材材料料：：金金刚刚石石10，，SiC9.15热稳稳定定性性：：常常压压下下不不可可能能熔熔化化，，高高温温下下，，SiC升升华华分分解解为为C和和硅硅蒸蒸汽汽，，残残留留下下来来的的石石墨墨以以原原晶晶体体的的赝赝形形存存在在。。化学学性性质质：：SiC表表面面生生产产SiO2层能能防防止止SiC的的进进一一步步氧氧化化。。在在高高于于1700℃温温度度下下SiO2熔化化并并迅迅速速发发生生氧氧化化反反应应。。SiC能能溶溶解解于于熔熔融融的的氧氧化化剂剂物物质质，，如如熔熔融融的的Na2O2，或或Na2CO3-KNO3混合合物物。。在在300℃℃下下可可溶溶于于NaOH+KOH。。SiC材材料料的的优优势势：：宽带带隙隙、、高高临临界界击击穿穿电电场场、、高高热热导导率率、、高高载载流流子子饱饱和和速速度度应用用：：高温温、、高高频频、、大大功功率率、、光光电电子子及及抗抗辐辐射射等等方方面面具具有有巨巨大大的的应应用用潜潜力力。。特别别是是在在高高温温、、大大功功率率应应用用方方面面，，明明显显优优于于Si和和GaAs：：SiC的的热热导导率率高高于于GaAs8-10倍倍；；4H-SiC和和6H-SiC带带隙隙是是GaAs的的2倍倍、、Si的的3倍倍；；击穿电电场高高于Si的的1个个量级级。SiC基器器件：：1、功功率MOSFET器器件2、功功率整整流器器3、SiC光电电器件件紫外光光电二二极管管4、传传感器器宽区间间高温温温度度传感感器压力传传感器器热线风风速计计SiC器件件的工工艺特特点：：1、在在原料料成分分的利利用度度和生生态特特性方方面。。具有原原料来来源的的无限限性；；典型的的原料料纯化化和加加工处处理过过程；；对生物物圈造造成的的能量量负荷荷和生生态学学负荷荷低。。2、高高温和和化学学活性性介质质的稳稳定性性：在高于于2000℃和低低于标标准压压力下下，有有效的的分解解（升升华））；正常压压力下下部熔熔解400℃℃的碱碱溶液液中和和在1000℃℃的的含氯氯气体体中，，能有有效的的化学学腐蚀蚀。3、合合金的的可及及性施主杂杂质N，受受主杂杂质Al和和B；；施主和和受主主杂质质浓度度掺杂杂浓度度范围围宽，，1015-1021/cm34、可可以以以自身身的碳碳形成成本征征掩膜膜，也也存在在本征征氧化化物SiO2。5、SiC多型型在生生长、、掺杂杂、氧氧化过过程的的结构构、取取向的的选择择性：：FundamentalPropertiesofZnOII-VIcompoundsemiconductor.Directbandgap,withEg3.32eV.Bandgapengineering:alloywithCdorMgtotailorbandgapfrom2.8eVto4.0eV.Multi-functional:Hexagonalwurtziteclasscrystal=>piezoelectrictywithlargecouplingcoefficient.Largeandfastphotoconductivity=>opticalsensing.AlorGadoping=>transparentconductiveoxide.Li&Mgdoping=>ferroelectric.AlloyedwithMn=>magneticoxidesemiconductor.Combineelectrical,opticalandpiezoelectricalpropertiesMolecularmass81.389-Specificgravityatroomtemp.5.642g/cm3-Pointgroup6mm(Wurtzite)-Latticeconstantsatroomtemp.a=3.250,c=5.205-Mohshardness4-Meltingpoint2250K-RTlinearthermalexpansioncoefficient-a-axisdirection4.75-c-axisdirection2.92-Electronmass0.28-Holemass1.8-Bandgapenergyatroomtemp.3.37eV-Excitonbindingenergy60meV-Specificheat0.125cal/gm-Thermalconductivity0.006cal/cm/K-ThermoelectricConstantat573K1200mV/K3。ZnO半导导体材材料的的特性性KeyAdvantagesofZnO-HighPiezoelectricEffect(e33=1.2C/m2,半半导体体中最最高)-HighThermalConductivityof0.54Wcm-1K-1(0.5forGaAs)-LargestExcitonBindingEnergyofII-VI&III-VSemiconductors,60meV=excitonicstimulatedlightemissionupto550K-EvenmoreradiationresistantthanGaN(upto2MeV,1.2x1017electrons/cm-2)-DriftMobilitySaturatesatHigherFields&HigherValuesthanGaN=attractiveforhighfrequencydevices-VeryLowDarkCurrentUVDetectorswithmaximumspectralresponseat350nm-StrongTwo-PhotonAbsorptionwithHighDamageThresholds,=attractiveforopticalpowerlimitingdevices-VeryLargeShearModulus~45.5Gpa(indicatesstabilityofthecrystal)=comparedwith18.35forZnSe,32.60forGaAs,51.37forSi.1、、SOI（（SiliconOnInsolator））背背景景介介绍绍随着着集集成成电电路路集集成成度度的的不不断断提提高高，，器器件件特特征征尺尺寸寸减减小小，，器器件件内内部部PN结结之之间间以以及及器器件件与与器器件件之之间间通通过过衬衬底底的的相相互互作作用用愈愈来来愈愈严严重重，，出出现现了了一一系系列列材材料料、、器器件件物物理理、、设设计计和和工工艺艺等等方方面面的的新新问问题题。。使使得得深深亚亚微微米米硅硅集集成成电电路路的的集集成成度度、、可可靠靠性性受受到到影影响响。。这这些些问问题题主主要要包包括括：：（1））体体硅硅CMOS电电路路的的寄寄生生可可控控硅硅闩锁锁效效应应以及及体体硅硅器器件件在在宇宇宙宙射射线线辐辐照照环环境境中中出出现现的的软软失失效效效效应应等等使使电电路路的的可可靠靠性性降降低低；；（2））随随着着器器件件尺尺寸寸的的缩缩小小，，体体硅硅CMOS器器件件的的各各种种多多维维及及非非线线性性效效应应如如短沟沟道道效效应应、窄沟沟道道效效应应、漏感感应应势势垒垒降降低低效效应应、热载载流流子子效效应应、亚亚阈阈值值电电导导效效应应、、速度度饱饱和和效效应应、速度度过过冲冲效效应应等变变得得十十分分显显著著，，影影响响了了器器件件性性能能的的改改善善。。§1.3Si材材料料的的SOI结结构构特特性性（3））器器件件之之间间隔隔离离区区所所占占的的芯芯片片面面积积随随器器件件尺尺寸寸的的减减小小相相对对增增大大，，使使得得寄寄生生电电容容增增加加，，互互连连线线延延长长，，影影响响了了集集成成度度及及速速度度的的提提高高。。为了克服服这些问问题，除除了采用用先进深深槽隔离离、电子子束刻蚀蚀、硅化化物等工工艺技术术外，开开发新型型材料及及探索新新型高性性能器件件和电路路结构，，成为超超高速集集成电路路所面临临的问题题。绝缘衬底底硅（SiliconOnInsolatorSOI））技术以以其独特特的材料料结构有有效地克克服了体体硅材料料的不足足，充分分发挥了了硅集成成技术的的潜力，，逐渐成成为研究究和开发发高速度度、低功功耗、高高集成度度及高可可靠性ULSI和VLSI的的主要技技术之一一。2、SOI（SiliconOnInsolator）材材料介绍绍SOI的的形成工工艺主要要有三种种:1、SIMOX（SeperatingbyIMplantOXygen））2、键合合Bonding3、Semi-Bonding4、SmartCut智智能剥离离技术SIMOX,Bonding和Simbond三种方方法比较较SIMOXBondingSimbondWafersOnewaferTwowafersTwowafersWafersize4",5",6"&8"4",5",6"&8"4",5",6"&8"ProcessTwobasicstepsThreebasicstepsFourbasicstepsSOIthicknessThin/ultra-thinThick(>1.5um)Thin/ultrathin/thickBOXthicknessThin(<400nm)Thin/thickThin/thickBOXpropertyGood/AverageGoodGoodSOIuniformityGoodAverageGood1部分分耗尽的的SOIMOSFET:器器件的沟沟道区足足够厚，，沟道耗耗尽区的的宽度小小于整个个沟道硅硅层的厚厚度。特点：器器件的设设计和工工作原理理与体硅硅CMOS器件件非常接接近。3、SOI（SiliconOnInsolator）优优势2全耗耗尽SOIMOSFET：：器件制制作在极极薄SOI表面面的Si层上，，该硅层层的厚度度必须小小于沟道道区耗尽尽层的厚厚度，以以保证晶晶体管中中的沟道道区全部部被耗尽尽。特点：（1））由于沟道道区被全全耗尽，，因此降降低了沟沟道区的的电场，，进而降降低了热载流子子效应和短沟道效效应，并引起起晶体管管驱动能能力增强强。（2)源源和漏漏周围是是氧化层层，而非非Si层层，而氧氧化层的的介电常常数低于于Si，，因此全全耗尽SOIMOSFET的源源－漏寄寄生电容容也减小小。薄膜SOI技术术的优势势1、速度度高全耗尽SOI器器件具有有迁移率率高（器器件纵向向电场小小，且反反型层较较厚，表表面散射射作用降降低）、、跨导大大、寄生生电容小小（寄生生电容主主要来自自隐埋二二氧化硅硅层电容容，远小小于体硅硅MOSFET）中的的电容，，不随器器件按比比例缩小小而改变变，SOI的结结电容和和连线电电容都很很小等优优点，因因而CMOS/SOI电路具具有极好好的速度度特性，，这一优优势随着着ULSI技术术向深亚亚微米水水平发展展，变得得越来越越突出。。2、功耗耗低功耗包括括静态功功耗和动动态功耗耗两部分分，其中中静态功功耗依赖赖于泄漏漏电流IL和电源电电压VDD，即Ps=ILxVDD，在全耗耗尽SOI器件件中，陡陡直的亚亚阈值斜斜率接近近理想水水平，泄泄漏电流流很小，，静态功耗耗很小；；动态功功耗由电电容C、、工作频频率f及及电源电电压决定定：Pa＝CfVdd2，在全耗耗尽SOI电路路中，结结电容降降低且具具有极小小的连线线电容，，因此动动态功耗耗也大大大降低。。3、抗辐辐照特性性好（enhancedradiationhardness））SOI技技术采用用全介质质隔离结结构，彻彻底消除除了体硅硅CMOS电路路的Latch-up效应，，且具有有极小的的结面积积，因此此具有良良好的抗抗y射线线和单粒粒子（a粒子））翻转能能力。4、集成成密度高高SOI电电路采用用介质隔隔离，它它不需要要体硅CMOS电路的的场区及及井等结结构，器器件最小小间隔仅仅仅取决决于光刻刻和刻蚀蚀技术的的限制，，集成密密度大幅幅度提高高。5、成本本低一般认为为，SOI是一一种理想想的ULSI技技术，只只是成本本较高。。实际上上这是一一种误解解，SOI技术术除了原原始材料料比体硅硅材料价价格高之之外，其其它成本本均小于于体硅。。CMOS/SOI电电路的制制造工艺艺比典型型体硅工工艺至少少少三块块掩膜版版，减少少芯片面面积可降降低1.8倍，，浪费的的面积可可减少30%以以上。6、特别别适合于于小尺寸寸器件全耗尽SOI器器件的短短沟道效效应较小小，不存存在体硅硅CMOS电路路的金属属穿通问问题，能能自然形形成浅结结，泄漏漏电流较较小，亚亚阈值曲曲线陡直直，所有有这些都都说明全全耗尽SOI结结构特别别适合亚亚微米、、深亚微微米器件件。7、特别别适合于于低功耗耗电路在体硅CMOS集成电电路中，，由于体体效应的的作用，，降低电电源电压压会使结结电容增增加和驱驱动电流流减小，，导致电电路速度度迅速下下降；而而在薄膜膜全耗尽尽CMOS/SOI电电路与相相应体硅硅电路相相比具有有更高的的速度和和更小的的功耗，，薄膜全全耗尽CMOS/SOI结构构是理想想的低压压功耗技技术。4、SOI（SiliconOnInsolator）带带来的问问题1、衬底浮置置效应（FloatingBodyEffect））沟道区中中可能会会由于过过量空穴穴积累，，使MOS器件件的表面面沟道区区和埋氧氧化层Si-SiO2界面区同同时导通通。影响：在在器件开开启并且且沟道充充电后，，这一效效应将引引起晶体体管的I-V特特性曲线线扭曲，，因此有有时称作作扭曲效效应。还还将导致致击穿电电压的降降低。2、全耗耗尽SOIMOS器器件的短短沟道效效应随着MOS器件件沟道长长度不断断缩小，，短沟道道效应的的影响越越来越突突出。SOIMOS器件的的短沟道道效应主主要表现现为两方方面：（1）体体硅器件件中的短短沟道效效应表现现在，阈阈值电压压与漏端端的偏压压有关，，引起阈阈值电压压的漂移移。SOIMOS中中，短沟沟道效应应主要反反映在：：沟道中中的电荷荷出现共共享，要要受到前前栅和后后栅的影影响。即即栅下耗耗尽区电电荷不再再完全受受栅控制制，其中中一部份份受源、、漏控制制，而且且随着沟沟道长度度的减小小，受栅栅控制的的耗尽区区电荷减减少，使使达到阈阈值的栅栅压不断断降低。。（2）另一一种短沟沟道效应应：漏感感应电导导增强DICE（DrainInducedConductivityEnhancement））当短沟道道中施加加VDS后，沟道道中的强强反型后后的电流流也要受受到，漏漏源电压压的影响响。5、SON（SilicononNothing））器件件压电学：：是研究究压电材材料在机机械应力力或电场场作用下下所发生生的弹性性效应和和电极化化效应相相互耦合合原理及及其应用用的一门门学科。。发展历史史：1880年，P。Curie和J。。Curie兄兄弟首次次发现压压电效应应。1916年，Langevin用石石英晶体体做了水水下换能能器。1921年年，石英谐谐振器和滤滤波器1940年年以后，开开始向陶瓷瓷和多晶材材料应用。。§1.4半半导体材料料的压电特特性主要的半导导体材料：：ZnO和和AlN用于表面声声学波和体体波一、晶体的的点阵结构构和对称性性按布拉伐（（A。Bravais）晶胞胞分，可分分为：七大大晶系和十十四种布拉拉伐格子。。对称操作：：共有8种种n度旋转：：2/n，表表示n，或或Cn，n只能取1，2，3，4，6。n度旋转-反演轴对称性为3度转轴加加上对称中中心对称性为3度转轴加加上垂直转转轴的对称称面对称元素有有1，2，，3，4，，6，i，，m，4-二、晶体物物性与点群群的关系三、晶体的的压电性质质1、晶体的的介电性质质理想电介质质晶体，在在一般电场场作用下，，束缚电子子会产生电电子式极化化。晶体中的离离子会极性性分子也只只能作很小小的弹性位位移，发生生离子式或或弹性定向向式极化。。理想晶体只只有极化，，没有电导导介质在电场场E作用下下，感生的电极极化可用极化强度P表示低频时：P=0E：极化率率电位移矢量量：D=0E+P0真空介电常常数，其值值为8.85x10-12F/mD=0（1+）E=E是绝对介介电常数。。对于各向同同性介质，，D，P和和E方向相相同，、与与D，P和和E方向无无关，是标标量。对于完全各各向异性的的电介质，，如三斜晶晶系，D，，P和E的的方向是彼彼此不同的的，介电常数和和极化率都都是二阶张张量。对于所有的的晶体都有有：二阶张量中中，只有6个独立变变量根据各个晶晶系的对称称性，可简简化各自的的介电张量量。正交晶系：四方、三方方和六方晶晶系的介电电常数立方晶系的的介电常数数实际介质中中的损耗：：弹性位移式式极化，驰驰豫式极化化。在静电场作作用下，要要经过一段段时间才能能达到极化化强度的最最终值。交变电场下下，极化落落后电场，，发生滞后后现象。导导致动态介介电常数小小于静态介介电常数，，引起介质质损耗。=’-j”’，””分别为复复介电常数数的实部和和虚部，前前者代表极极化，后者者代表损耗耗。损耗角：tg=”/’四、晶体的的弹性性质质：弹性行为表表现为应力力T（单位位面积的作作用力）和和应变S（（单位长度度的伸缩量量）描述。。弹性范围内内，应力和和应变的关关系遵从Hooks定律：S=sTT=cSs：弹性柔柔顺常数，，表示物体体在单位应应力作用下下发生的应应变；c：弹性刚刚性常数，，表示使物物体产生单单位形变所所需的应力力T11，T22，T33位平行于轴轴的拉应力力；T12=T21，T23=T32，T31=T13分别为1，，2，3面面上的切应应力。Tij=Tji纯切应力具具有对称性性质。i表示应力力方向，j表示应力力作用面与与i垂直双足下标：：11，22，33，23,32，，31,13，12,21单足下标：：123456弹性关系矩矩阵：弹性定律也也可表示为为：除三斜晶系系外，其它它晶系都有有一定的对对称性，六六角晶系的的AlN，，s张量矩矩阵为：x=S66=2(S11-S12)对于各向同同性体，S44=2（S11-S12）独立变量量数只有两两个五、晶体的的压电性质质压电系数是是表征压电电体的弹性性效应和极极化效应相相互耦合关关系的宏观观物理量。。分为正压电电效应和逆逆压电效应应两种：正压电效应应：某些介电电体在机械械力作用下下发生形变变，使介电电体内正负负电荷中心心相对位移移而极化，，以致两端端表面出现现符号相反的束缚缚电荷，其其电荷密度与应力力成正比，，即由“压力”产产生“电””。逆压电效应应：如果将具具有压电效效应的介电电体置于外外电场中，，电场使介介质内部正正负电中心心位移，导导致介质产产生形变。。即由“电电”产生““机械形变变”。两者统称为为压电效应应。机电耦合：压电效应应中应力T和应变S导出的力力学量与电电场E和电电位移D导导出的电学学量之间的的相互转换换关系。第一类压电电方程：晶体是电介介质，也是是弹性体，，在电场E和应力T分别作用用下，产生生介电电位位移D和弹弹性应变SD介=TE S弹=sETT为应力T=0，或为为常数时的的介电常数数矩阵，sE为场强E=0，或常常数时的弹弹性柔顺系系数矩阵。。若晶体也是是压电体，，在T和E的作用下下，将通过过正、逆压压电效应产产生压电电电位移和压压电应变，，即：D压=dTS压=dtE晶体总电位位移和总应应变为：D=dT+TES=sET+dtE压电晶体具具有压电效效应，当对对一个按一一定取向和和形状制成成的有电极极的压电晶晶片输入电电讯号时，，如果讯号号频率与晶晶片机械谐谐振频率相相一致，就就会使晶片片由于逆压压电效应而而产生机械械谐振。压压电晶片谐谐振时，要要克服内摩摩擦而消耗耗能量，会会造成机械械损耗。机械品质因因数：Qm为了反映压压电材料的的机械能与电能之间间的耦合关关系，定义机电耦耦合系数k六、压电薄薄膜的电学学性质1、介电常常数2、体电阻阻率：v〉108cmAlN电阻阻率：2x1014~~1015cm3、损耗角角正切AlN：tg=0.003—0.005ZnO：tg=0.005—0.014、击穿电电场：ZnO：0.01——0.4MV/cmAlN：0.5—6.0MV/cm5、体声波波性能6、表声波波性能七、声表面面波器件的的应用1885年年英国物理理学家LordReyleigh就就从理论论上预言了了声表面波波。声表面波：：包括纵波波（P波））分量以及及质点位移移方向与表表面垂直的的横波（SV波）分分量。它是是能量只集集中于固体体表面，并并沿表面传传播的弹性性波。90%以上上的能量集集中在离表表面一个声声波波长的的深度内。。Reyleigh波波的传播速速度略慢于于横波，约约为横波的的93%左左右。激励和控制制声表面波波方法—叉叉指换能器器（interdigitalIDT）1965年年，R。M。White发明明的，用来来激励表面面声波叉指换能器器是以压电电基质为导导声体，在在基片上制制备叉指电电极，直接接激励声表表面波。特性取决于于：叉指电电极间距a、叉指电电极宽度h、以及叉叉指电极对对数N。层状结构对对声学波的的影响：一一般在层状状结构介质质中传播的的波具有频频散特性，，即传播速速度随频率率不同而改改变。层状结构中中的传播特特性对声学学器件非常常重要，如如在非压电电材料，如如玻璃上，，淀积一层层ZnO，，AlN等等压电薄膜膜，驱动非非压电材料料。压电材料表表面金属材材料对波速速的影响：：压电作用可可在导体表表面产生电电场分量，，如果表面面覆盖理想想导体时，，该电场分分量被短路路。这种压压电反作用用使表面附附近的波速速小于介质质深处的波波速，因此此波集中在在表面附近近。声表面面波在叉指指换能器的的电极部分分和空隙部部分传播速速度不相等等。设覆盖导体体部分的速速度和未覆覆盖导体部部分的波速速分别为：：vm和vt，声表面波波的有效机机电耦合系系数K：声表面波器器件的特点点：1、声表面面波器件是是平面结构构，其制作作工艺可以以引用与集集成电路相相辅相成发发展着的光光刻技术。。2、能够从从传播途径径的任何一一点取出信信号，即能能进行所谓谓抽头，增增加了信号号处理技术术的自由度度。3、声表面面波的传播播速度慢，，适合于制制作中频小小型器件。。4、由于是是单片结构构，在器件件设计方面面非常容易易。5、声表面面波容易与与半导体载载流子、光光等相互作作用。6、因为能能量局限于于表面附近近传播，故故容易构成成非线性效效应器件。。2、声表面面波材料有压电单晶晶、压电陶陶瓷和压电电薄膜。主要要求：：1、表面粗粗糙度要小小，为了使使形成叉指指电极有良良好的接触触。2、机电耦耦合系数尽尽可能高，，从而提高高换能效率率，K2应大于2%。3、传播损损耗要小，，希望其值值在0.2dB/以下。4、传播速速度的温度度系数要小小5、重复性性要好，可可靠性要高高，且适于于批量生产产。6、成本要要低。3、声表面面波换能器器4、声表面面波滤波器器声表面波滤滤波器5、声表面面波延迟线线6、声表面面波放大器器八、体声波波的应用何谓Latch-UpEffect?闩锁效应是是指CMOS电路中中寄生的固固有可控硅硅被结构外外界因素触触发导通，，在电源和和地之间形形成低阻通通路现象，，一旦电流流流通，电电源电压不不降至临界界值以下，，导通就无无法中止，，引起器件件的烧毁，，构成CMOS电路路的一个主主要的可靠靠性问题。。随着集成成度的提高高，尺寸缩缩小，掺杂杂浓度提高高，寄生管管的H(fe)变大大，更易引引起闩缩效效应。由由于CMOSIC结构构形成了PNPN四四层寄生可可控硅（SCR）结结构，也可可视作PNP管和NPN管的的串联，这这种寄生的的晶体管的的eb结都都并有一个个由相应衬衬底构成的的的寄生电电阻，因此此触发闩锁锁效应的条条件为：1．寄寄生npn(pnp)transister的共基极极电流增益益α间有关关系ααnRw/(Rw+γen)+αpRs/(Rs+γep)>=1式式中Rw,Rs分分别为晶晶体管eb结上并联联的寄生电电阻,γen,γep时相应应发射极串串联电阻。。

2。。电源电电压必须大大于维持电电压Uh，，他所提供供的电流必必须大于维维持电流Ih.2．触发发电流在寄寄生电阻上上的压降大大于相应晶晶体管eb结上正向向压降。触触发信信号可以是是外界噪声声或电源电电压波动；；触发段可可以是电路路的任一端端。下面以以输出端的的噪声触发发为例来分分析其触发发的物理过过程，其他他端的情况况类似。电电路输输出端闩锁锁触发的等等效电路如如图1所示示，当输出出端上存在在正的外部部噪声时，，在寄生PNP管Tr1的eb结成正正向偏置，，基极电流流通过Rs流入UDD中，Tr1导通通，其集电电机电流通通过P阱内内部Rw进进入Uss,Rw上上产生压降降，当Tr2管的UBE达到