半导体物理与材料

半导体物理与材料、器件

概论西安交大理学院王红理主要内容第一章概论第二章材料特性和基本的PN结关系第三章PN结二极管第四章双极晶体管第五章结型、金属-氧化物-半导体场效应晶体管作业占20%，考试占80%主要参考书刘恩科：半导体物理学叶良修：半导体物理学曾树荣：半导体器件与物理基础施敏：半导体器件与物理忻贤堃：半导体物理与器件第一章概论

《半导体物理》与《半导体物理与器件》是半导体物理、微电子专业最重要的两门课。本课程需要《固体物理》、《半导体物理》、《量子力学》的基础知识。人类已经进入21世纪，这是社会高度信息化的世纪。计算机网络和通信技术的进步是信息化发展的标志.今天，无论何时何地，人们都可以高速交换信息，使区域性很强的政治、经济、文化国际化。但是，如果没有以晶体管为基础的微电子学的发展就谈不上个人计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的光电子学的发展就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技术。本课程介绍半导体物理、微电子学和光电子学领域主要半导体材料和器件的基本原理。1.1半导体材料与器件的发展历史微电子学的主体是在以晶体管、二极管为单元的各种半导体器件的基础上构成的集成电路。光电子学是在半导体和电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门高技术学科，主体是半导体光电子学。半导体器件和材料的理论的发展主要依赖于量子力学的进展。从Planck的黑体辐射定律开始的1900年，1906年Einstein的光电效应理论（使普朗克常数可以测量），紧接着是Rutherford和Bohr的原子理论，1924年DeBroglie的波粒二相性概念，1926年的Schrǒdinger的波动方程，1927年Heisenburg的不确定原则，Pauli不相容原理，当然还有Fermi和Dirac的工作。量子力学、固体物理就是解决能带、能级的问题。1920年晶体管收音机1940年雷达的研究促进半导体器件的发展1960年1948年双极晶体管发明,NOBEL奖1980年半导体激光器发明半导体光电产品、数码产品LS,ULS,VLS,GLS,摩尔定律2010年发展趋势：纳米器件、超晶格、量子阱、照明1959年硅集成电路问世1968年MOS大规模集成电路,各种化合物半导体器件第一个点接触式的Ge晶体管(transistor)获1956年诺贝尔物理奖半导体材料的电导率介于金属与绝缘体之间，并且在很宽的范围内可以变化，并且具有负的电阻温度系数，这正是半导体材料的优点，是广泛应用的基础。1.2什么是半导体？从导电性划分固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体金属半导体绝缘体铜掺杂锗本征锗本征硅蒸馏水云母聚苯乙烯石英各种材料的电导率锗和铜的电导率随温度的变化1003001000T(K)铜锗

电导率随掺杂的变化：

纯硅的电导率很低，室温时的载流子浓度约为，电导率约为。若在这种纯硅中掺入杂质磷，并使磷原子在纯硅中的浓度达到时，硅在室下的电导率可相应增加到左右，即比纯硅的电导率增加5个数量级。硅的原子数密度为，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可以正确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半导体的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导变为正载流子传导(或相反)。1、变化范围很宽；2、随温度上升明显；3、随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载流子浓度剧增），电导率急剧增加）；4、波长合适的光照射，光激发会使载流子浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的光电导现象）。半导体电导率的特征：

除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外，许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pn结、金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触(即异质结)等由界面所表现出来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特性。这些特性是一些半导体器件较以工作的基础，也是本课程介绍的重点之一。

半导体材料在元素周期表中位于周期表（PeriodicTable）第Ⅳ族（Ⅳcolumnorfamily）及其邻近的族。半导体材料的种类：按照组成分类元素半导体化合物半导体合金半导体有机半导体无机半导体按结构分类晶体（单晶、多晶）非晶、无定形按功能分类微电子半导体光电半导体热电微波气敏磁电压电•••按照研究及应用时代分类第一代：以Si,Ge为代表第二代：以Ga,As,GaAs,

In,P,InP为代表第三代：以GaN,InGaN

为代表目前主要材料仍然是Si,占80%。元素半导体Ⅱ族：Zn,CdⅢ族：B,Al,Ga,InⅣ族：C,Si,Ge,SnⅤ族：P,As,SbⅥ族：N,S,Se,Te元素半导体

化合物半导体Ⅳ-Ⅳ族Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族Ⅲ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族金属氧化物SiCInP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSGaN,AlN,InNGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2、In2O3,ITO化合物半导体合金半导体T（ternary,三元化合物）：GaAsP,GaAsAl,InGaAs,InGaN

Q（quaternary,四元化合物）：INGaAsP非晶态半导体非晶Si、非晶Ge、Te、Se元素半导体化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体有机半导体

酞菁类及一些多环、稠环化合物大π键结构的导电聚合物半导体材料制备技术发展史：

196019501950年G.K.Teel直拉法较大的锗单晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅单晶1952年H.WelkerⅢ-Ⅴ族化合物1955年德国西门子氢还原三氯硅烷法制得高纯硅1957年砷化镓单晶诞生1958年W.C.Dash无位错硅单晶19701960硅外延技术

1963年用液相外延法生长砷化镓外延层，半导体激光器1963年砷化镓微波振荡效应

1965年J.B.Mullin发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶主要半导体材料的发展现状：

增大直拉硅单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。8英寸，12英寸已实现大规模生产，18英寸也进入生产，27英寸正在研制中。Si单晶:GaAs和InP单晶：

世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低位错密度生长的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快；但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。GaAsphotovoltaicsandoptoelectronicsusingreleasablemultilayerepitaxialassemblies,Nature465,May2010

英国《自然》杂志报告说，美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。

砷化镓是一种感光性能比当前广泛使用的硅更优良的材料，理论上它可将接收到的阳光的40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，因此卫星和太空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板的材料。然而，传统的砷化镓晶片制造技术每次只能生成一层晶片，成本居高不下，限制了砷化镓的广泛应用。

美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像“盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电池板。III-V族超晶格、量子阱材料：

GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。硅基应变异质结构材料：

GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMOSFET的最高截止频率已达200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其性能可与GaAs器件相媲美。一维量子线、零维量子点：

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代量子器件的基础。

1994年俄德联合小组首先研制成功InAs/GaAs量子点材料，1996年量子点激光器室温连续输出功率达1W，阈值电流密度为290A/cm2，1998年达1.5W。

2000年初，中科院半导体所研制成功室温双面CW输出3.62W、工作波长为960nm左右的量子点激光器，为目前国际报道的最好结果之一。1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管,并在150K观察到栅控源-漏电流振荡。1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件。1998年Yauo等人采用0.25mm工艺技术实现了128Mb的单电子存储器原型样机的制造，这是单电子器件在高密度存储电路的应用方面迈出的关键一步。宽带隙半导体材料：

宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、III族氮化物（2014年诺贝尔物理奖）、碳化硅、立方氮化硼以及II-VI族硫、锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。

目前尽管出现了新材料和新技术，但是半导体材料主要仍然是Si,占80%。为什么硅应用如此广泛？1）就是因为它是周期表中第Ⅳ族元素，而且是半导体；2）它的电阻率（resistivity）可以通过掺杂来控制；3）可以形成pn结，4）可以在一片晶片（wafer）上制作大量的器件，而且成本低；5）带隙Eg合适，比Ge性能优越。1.2.1能带（EnergyBands）

20世纪处，丹麦物理学家NielsBohr，为了解释所观察到的线状光谱时，提出了氢原子模型。在这个模型中，他假设围绕氢原子核的电子的轨道只能有固定的轨道数，r1、r2、r3。每个轨道对应一个特定的能级，E1、E2、E3，氢原子模型：如果电子从一个大轨道到另一个小轨道上，原子的能量就从大变小，以光子的形式释放出。实际电子的轨道比这个模型复杂得多。但是吸收和辐射光谱的主要特点都可以用这个简单的模型来解释。

我们关心的不是一个原子，而是形成固体半导体的原子群。在晶体固体中，能量轨道的氢原子模型被修改为：取代一系列分立的（discrete）能级（energylevel）的是一系列能带（energybands），能带之间是能隙Eg（energygap）(禁带宽度)。Ec称为导带,Ev称为价带。E(K)EnergyK允带禁带Eg电子能量EcEv简化为

Einstein光电效应实验。我们简单回顾一下。这个实验引入了重要的一个关系。图1-5c中的直线的斜率是h/q。因此h可以通过这个实验测得。Y轴的截止电压由金属的功函数（workfunction）W决定。光子（photon）的能量为E=hν，只有当入射光的能量大于W时，才使电子从金属表面逸出，并产生光电流。

在半导体器件中，最重要的不是把电子移走，而是使电子从里面的能带跃迁到最外面部分填充的能带。因此最重要的参数是带隙Eg，它主宰着半导体的性质。决定Eg的有室温电导率和光响应的截止波长（veryimportantforPhotoelectordiodes），只有光的能量大于Eg，才能将电子激发到导带。Thebandgapofthemostcommonlyusedsemiconductorsisoforder1eV,forSi,Eg=1.1eV.

金属半导体绝缘体能带示意图半满带满带导带价带导带价带

如果Eg很大（比如碳5eV），导带中有很少的电子，因为任何粒子在室温的能量是kT的量级,即大约0.025eV，因此很少有电子能够受到激发而穿过禁带。碳的金刚石结构在很多情况下是绝缘的。而硅的禁带宽度小于1.1eV，导带中将有很多电子，自由电子的浓度以Eg/2kT的幂级数变化。在绝缘体中，导带几乎是空的；而在金属中，导带由部分电子占据，因而自由电子移动可以导电。

在固体中，所有的靠内的能带是满的（室温），所有的靠外的能带是空的。如果从内到外，先有价带（Valenceband），在纯半导体中完全填满了电子；然后到达导带（Conductionband），在纯半导体中几乎完全是空的。导带就是对形成电流具有贡献的能带(发生在电子移动到空的能态时)。如果能带中所有的态都是满的，就不会产生电流。然而，在很多半导体器件中，有时更为重要的是研究几乎是满带的价带的电子的导电,当电子激发到导带时），留下空穴（hole）.

1.2.2晶体与共价键现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键共用电子对硅和锗的共价键结构形成共价键后，每个原子的最外层电子是8个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

键的强度与禁带宽度有正比关系。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族的半导体基本上是共价晶体，Ⅱ、Ⅵ族的半导体离子性更强一些。金属键的电子比较均匀地分布在固体中；离子键的电子则集中在离子上，而共价键的电子则比较集中地分布在两个原子之间的连线上。MaterialsCSiGeGaAsGaPInPInSbGaNEg（eV）5.471.120.661.422.261.350.173.4一些材料的Eg

Eg这个重要的参数可以通过以下方法测出。1、不同波长的光照射在材料上，测量材料的电导率的变化，测量出在哪个波长发生吸收，也就是电子被激发过了带隙，即E=hν=hc/λ；2、在PN结上加正向偏压（forwardbias），测量辐射光的波长，也就是电子从激发态向低能级跃迁（dropdown，recombine)；3、通过测量材料的电导率随温度的变化。

在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子：currentcarriers

），它的导电能力为0，相当于绝缘体。电子和空穴（Electronsandholes）

在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。

为了使问题变得更为简单和逼真，比如研究几乎填满电子的价带的少量电子运动时，可以研究相对的大量的空穴的运动就更加容易。在研究大多数半导体器件时，往往都要考虑电子和空穴，比如电子浓度（concentration）n，空穴浓度p。通常对于电子和空穴有两套参数。迁移率（mobility），扩散系数（diffusioncofficient），大多数情况下我们只讨论一种类型的载流子。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体的导电机理

本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。另外温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。1.2.3掺杂与杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体。

所有的半导体器件都可以通过掺杂（Doping）来控制电子和空穴的浓度。Ⅴ族元素有5个价电子，它们可以向Ⅳ族元素提供一个自由电子。它们的四个电子与Ⅳ族元素相邻的四个电子形成共价键，多出来的第五个电子就可以“自由”而导电，这个电子几乎不受束缚，实际上被失去一个电子而成为正电中心的磷原子以微弱的作用束缚着。这种杂质叫施主杂质（donor）。常用的施主杂质为P，As，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

N型半导体(N-type)多余电子+4+4+5+4磷原子由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。硅原子本征半导体中成对产生的电子和空穴与施主浓度相比，可以忽略。N型半导体中，掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度，因此主要依赖电子导电。自由电子称为多数载流子（多子，majority,carriers），空穴称为少数载流子（少子,minoritycarriers）。P型半导体(N-type)在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子(acceptor)。+4+4+3+4空穴硼原子硅原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。杂质半导体的表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.3半导体的重要性质和功能

为了研究半导体器件的性质,除了Eg之外,有几个参数必须要清楚。如电导率或电阻率不仅仅依赖于导带中电子的浓度,而且也依赖于在电场下这些电子移动的容易程度（这些电子所受的束缚的大小）。电场强度E与Eg没有关系。电子移动的容易程度与电子的迁移率

有关，电子在电场下的运动类似于物体在有摩擦的情况下或在粘滞介质中运动。事实上，电子将与晶格点上的原子碰撞而发生散射。由于电场引起的电流密度Jn(currentdensity)由下式决定：其中q是电子电荷.这种电流叫作漂移电流.

在很多器件中决定其电性质的电流不是传导电流,而是由于粒子的扩散电流.正如从某个房间产生的烟雾从高浓度到低浓度,固体中的电子也可以从高浓度区向低浓度区扩散.扩散的速度正比于浓度的梯度(gradient),相应的比例系数Dn叫做扩散系数,它正比于迁移率。

扩散电流密度为n(x)Distancex电子从高浓度区向低浓度区的扩散曲线

另一个参数是电子的寿命τ.当电子被激发到穿带隙更高的能级上,然后又跃迁到热平衡态.这个过程不会与撤掉激发源同时进行，有一定的时间间隔。这是电子被激发到导带在它跃迁回到价带与空穴复合之前，存在的平均时间，具有微秒、纳秒的量级。载流子的寿命决定了很多二极管的伏安特性。过剩（excess）电子浓度随时间的衰减关系为：Timet过剩电子浓度随时间的衰减1.4半导体器件简介1.4.1PN结二极管二极管是理想的单向(unidirectional)通过电流的元件.伏安特性曲线.其I-V特性在很宽的电压范围内呈幂指数关系:PNVII表示符号伏安特性曲线对于硅二极管来说，正向电压通常小于1V，而反向击穿电压可以从几伏到几千伏，反向电流是正向电流的倍，当电压达到反向击穿电压Vbr（breakdown）时，反向电流将迅速增加。引线外壳线触丝线基片PN结点接触型面接触型二极管的结构PN结加上管壳和引线，就成了半导体二极管二极管的用途：限幅器，稳压二极管射频（radiofrequency)探测器微波限幅器、开关、衰减器发光二极管光电二极管光电耦合器件变容二极管等等二极管是如何制造的？掺杂、扩散(同一片)：

先准备一块直径几英寸的硅晶片，硅片均匀掺杂到某一个能够确定击穿电压的浓度。我们假设有一个N-type半导体晶片，施主掺杂水平为。现在把这个晶片放到1000℃的炉子中，炉子中充满包含硼的气体，硼原子将通过硅片表面扩散到硅中。硼原子在硅片表面的浓度较高，固溶度将达到的量级。硼原子的浓度将从表面开始逐渐降低，正比于，Gauss关系。是与温度、时间有关的临界深度，x是深度.在在某个深度xj，磷（施主）和硼（受主）的浓度是相等的，小于这个深度，材料是P型的，大于这个深度，材料是N型的，因此就会形成PN结。N(x)xIdealActual扩散PN结二极管的净原子浓度分布PN结二极管的截面图DiffusedLayer

MetalOxideSiO2N

二极管的核心就是PN结，因此二极管的工作原理就是PN结的变化过程。PN结最本质的性质就是电子浓度在N区高，在P区低，很自然电子就有通过扩散从N区流向P区的趋势，这种必然性就导致N区将失去电子。由于施主原子一开始是电中性的，因此在N区靠近结的附近将会出现正电荷。如图所示，上面的图示意性地表示出由于施主原子离子化产生的固定的正电荷以及自由电子电荷，P区的情况相反，其中每一个受主原子有一个固定的负电荷，还有自由空穴。下图是电子浓度和空穴浓度随距离的变化曲线。二极管是如何工作的?－－－－－－－－－－－－－－－