半导体物理总结讲义

第-章半导体中的基本性质半导体的晶格结构什么是半导体晶体、多晶和非晶晶体的周期性和对称性晶体的晶向和晶面Si、Ge晶体的金刚石结构化合物半导体和闪锌矿结构非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列Si晶体的金刚石结构半导体的晶格结构Si、Ge等元素半导体结合形成晶体时，具有金刚石结构形式，它以四面体结构为基础构成。由两个面心立方套构而成，位于不同面心立方中的Si原子的性质并不等价，因此，金刚石结构，由复式格子组成。半导体Si晶体的这种晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关。半导体中的基本性质2.2.1固体的结合和化学键2.2.2Si原子结构和Si晶体的共价键结合2.2.3Si晶体的四面体结构晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有关，本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质半导体的结合性质固体结合的化学键包括：离子键(IonicBonding)金属键(MetallicBonding)共价键(CovalentBonding)范德瓦耳斯键(vanderWaalsBonding)§2.2半导体的结合性质2.2.1固体的结合和化学键共价键(CovalentBonding)2.2.3Si晶体结合的四面体结构薛定谔方程和原子的能级半导体的能带布洛赫定理和晶体的能带固体的能带和K空间存在半满的能带,金属的价带与导带重叠,没有禁带电子占据能带或是全满或是全空金属、半导体、绝缘体的能带第一章半导体中的基本性质半导体中电子的状态有效质量近似半导体导电的能带论解释半导体的导电半导体的导电载流子有效质量近似及其意义有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响半导体中的导电载流子半导体的导带和电子载流子半导体的价带和空穴载流子杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏半导体中的掺杂和杂质能级1.施主杂质和施主能级3施主电离：施主向导带释放电子的过程。电离能2.受主杂质和受主能级1）受主杂质（从能带论的角度）3.施主和受主的特征受主电离：施主向导带释放电子的过程。电离能4.N型半导体和P型半导体本征半导体和本征费米能级

半导体能带的状态密度半导体载流子的分布函数本征半导体和本征载流子的浓度本征费米能级

第三章半导体中载流子浓度

第三章半导体中载流子的统计分布半导体载流子的分布函数电子和空穴的浓度电子浓度空穴浓度其中1.本征载流子浓度其中Ei是本征半导体的费米能级2.本征费米能级热平衡时非本征半导体载流子浓度其中随掺杂浓度在禁带中上下变化随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加随温度变化，费米能级表现出不同的变化趋势非本征费米能级费米能级的变化是电竞荷守眯恒原定理的典具体厕表达字式1)施主折掺杂ND2)受主盟掺杂NA3)施主锄掺杂ND和受冲主掺血杂NA电中觉性条毒件所有拖电子宝来自祸于价镇带和胜施主患能级0K时，扎价带流和施盈主能谊级全我部占释据所有兰电子获来自油于价冈带0K时，撕价带造全满痒，受抗主能侍级和贺导带坦全空所有买电子铺来自概于价振带和广施主以能级0K时，提价带薯全满少，导竿带全叮空，疗施主称、受疑主能洒级发怜生补逃偿非本市征载内流子盖浓度宋与温撇度的冠关系费米炉能级用的温酷度变贯化关烧系重掺啦杂半奴导体简并惩半导摇体和伴非简掉并半材导体第四披章半导紧体中辟载流司子的股运动暖规律4.纳1.旦1载流坐子的兔热运穗动和警散射蓬机制4.矿1.报2电场部作用电下的虫定向糟漂移像运动丧和漂清移电味流4.兆1.同3半导孤体的她电导循和电叹阻率4.抬1.芽4载流访子迁圾移率4.贼1.血5载流停子的艘速度专饱和§4.莫1载流笛子的攻漂移酒运动杠和漂固移电杂流§4.抽1载流烟子的嫁漂移含运动梨和漂宫移电升流4.难1.阻1载流召子的末热运祸动（Th楚er离ma地l纯mo闹ti船on）和楚散射命机制在热眯平衡争条件问下，景半导唐体中午导带产中的妙电子茶或价玻带中栏的空下穴将端做随湿机的轨热运俭动。块按照滚统计饲物理听规律红，其唤热能酒（Th突er刚ma刮l备En闪er阀gy）～3/栋2kT，电子库的动灰能满殖足：其中裹，Vth～107cm运/s脚ec卷.率@3训00抽K热平剖衡时席，载求流子离的运惜动是摧完全毯随机帮的，意因此悼，净捎电流魔为零挣。其中仔在运合动过务程中典，将沾遭遇速各种凶散射蚕机制垫的散丛射。半导餐体中例载流王子的椅散射误机制晶格欲散射榆（La厦tt丹ic乱e含sc猫at护te是ri售ng）或久声子蜡（Ph勇on太on）散锈射：雷晶格坑振动穷引起尼的散辉射电离粘杂质咸（Io受ni涝ze筑d押im远pu资ri毛ty敏)散射打：在舒高掺尺杂时昼重要中性识杂质代（Ne愤ut救ra漏l迫im宵pu句ri朗ty）散射括：可苍忽略电子也－电撞子或训电子排－空因穴散掘射：侄在高妥载流臣子浓伟度情塘形时布重要晶格州缺陷炎散射晶（Cr帆ys物ta侧l幕de击fe勒ct玩s）：杨在多未晶时阳重要表面慢散射搞效应薯（Su者rf忘ac安e赞sc抬at黑te意ri册ng甲e乞ff樱ec伟ts）：递在MO再S器件旺中重辫要§4.器1载流级子的箩漂移时运动仁和漂怪移电统流4.纷1.践2.载流途子的弊漂移舒运动展和漂西移电墙流漂移洪电流政和迁聚移率得到归电导杀率与槽迁移杂率的优关系煌式半导嫌体中基有电励子和植空穴义两种们载流爪子，杨电场武作用氏下的圾电流舌密度§4.虫2载流拣子的有扩散溪运动1.载流足子的东扩散争和扩苍散电门流电子姑扩散剧电流抓：空穴山扩散县电流踏：其中Dn和Dp分别趣称为火扩散举系数2.爱因哪斯坦贤关系§4.省2载流滴子的烦扩散皱运动3.半导颠体的保电流桃方程扩散筹项漂移斑项半导谦体的尽基本丽关系晚式之虎一，些反映稍了电鸦流连波续性这是加半导铅体物伟理的巴一个积重要驱表达御式，兴是研辞究了兔解半轻导体痕器件爪载流剂子迁的移率膝特征芹的基厕础§4.暑3迁移乐率与袋杂质矮浓度伟和温俭度关寄系存在绑多种疏散射寻机制伸时，踢总的辫迁移征率表王达式4.疏3.康1散射浓与迁输移率萝的关意系1.强电竿场下刷的速末度饱司和4.把3.践2载流抖子的辉强场猫效应2.强场箩下的歉热载货流子雄效应非平图衡情沾形的咽过剩取载流摘子非平音衡情两形下灾过剩戴载流担子的浙产生非平积衡载则流子扑的电粒中性峰条件小注雨入条邻件过剩嗓载流感子的嫁复合非平肆衡载旬流子备的寿考命扩散育长度载流浆子的胆产生副和符蓝合的谅机制缘瑞及其算特征SR血H理论表面权复合载流隶子的牺复合(R瓜ec优om共bi民na搬ti理on衫)机制直接盗复合(d额ir随ec伴t搞re肤co章mb脚in虑at掘io叔n)：导遍带电暂子与稠价带垒空穴脱直接堪跃迁软复合间接抗复合(i膛nd视ir鬼ec热t)：导箱带电叠子与吐价带移空穴塑通过岗禁带阳中的妙复合恰中心誉辅助护发生诱复合俄歇蓬复合复合序过程匹需要思同时关满足庄动量纽奉守恒尘和能严量守旷恒原腹理。直接构禁带丹半导油体：时导带桑底与哄价带腥顶的k值相冻同间接歌禁带滚半导饮体：朝导带哪底与食价带谁顶的k值不还同仍然替考虑恋间接蚕复合予的4个微街观过论程SH扣R理论准费练米能怖级准平艳衡态陕和准担费米浸能级准平利衡下授载流炭子的捆表达译式半导叼体的锹基本屠物理组方程Po制is辱so谷n方程静电我势相底关的墓载流榆子浓冻度表因达式广义绒欧姆晴定律电流姑密度额方程猪的各炕种表联达式电流飞连续列方程第五锅章黄半笔导体PN结本章架将首猫先讨间论PN结结方构。§5.锯1平衡PN结特碑征§5.训2偏置PN结及喇其IV特性§5.车3钱PN结电仓容§5.栏4深能雪级瞬肤变谱5.让1.滚1集PN结的淘平衡木能带奴图5.光1.演2肺PN结的轮自建饮势5.江1.罢3空间联电荷挺区5.愿1.帽4突变屯结和插耗尽膀近似5.学1.启5矩Po岩is劳so园n方程借和电浅势分泽布及启耗尽烛层宽仍度Wd§5.装1平衡PN结的你特征5.穿2.郑1彻PN结的晋偏置羞及其皮能带峰图5.塘2.罗2准费己米能票级及衰其空逐间变懒化特咐征和猾载流疑子分扛布5.刊2.急3过剩胆少子筐与平贷衡少拘子的悦关系5.私2.锐4关P兼N结中承载流按子的拿输运糟和PN结的IV特性§5.寄2偏置PN结及云其IV特性§5.渣3PN结电谅容5.银3.浮1空间督电荷幅区势播垒电钉容5.幸3.倘2过剩锹少子孙的扩般散电央容电容爹是描庆述电广子系泳统电模荷存属储能执力的脉物理愉量。桥电容钱定义仿为：电子己扩散看电容空穴存扩散产电容总的望扩散踪蝶电容比较厉扩散扁电容颂的大自小其中NE和NB是掺斜杂浓套度考虑n端相狼对于晶空穴次扩散盲长度劳是宽型的，捡而在p端相斯对于辰电子搂的扩季散长送度是卵短的武，于苹是有直：§5.棕3胸PN结电墓容5.蕉3.睬2扩散济电容奇（Di仙ff开us庙io绝n厉Ca颈pa贼ci送ta幸nc轮e）§练5.槽4屡PN服结的蜓击穿PN结加秒高的宫反向围偏置膏电压食后，仁将可狭能发架生击渔穿现顷象。PN结中意主要伶的击蜡穿机焦制包去括两偿类：A.雪崩稼击穿B.齐纳朽击穿反偏份情形橡下的胸能带倍图为押：在高隔的反翅偏电愿压下付，空迈间电习荷区黑中的厉电场耗可以敌很高科，可趴对载声流子华有大躲的的涛加速腿作用暴；另杠一方快面，火能带狸可以奔有很筝大的唇畸变腰，空客间电叶荷区狂导带姥与价违带的至间距扭变窄仗。第六防章惕金谜属/半导县体（M/晋S）接揭触（Co和nt粥ac蚁t）本章壮我们亏将介继绍金被属与纽奉半导距体接局触的薪能带骄特征耻以及或载流奋子在M/醉S结构兆中的剩输运单规律污。§6.熊1金属/半导栏体接凉触和乖肖特玩基势扶垒理想M/诞S接触久的平怕衡能筋带图理想秃肖特匆基（Sc疤ho孔tt掀ky）势拢垒及堵其高愈度§6.凳2实际沟肖特渣基势烂垒高斩度的晚调制M/烤S中的宫镜像理力和拳镜像赖力引僚起的盟势垒棚降低M/意S接触棚中的蕉界面田（表戒面）戚态及奔其对津势垒蛇高度床的调赴制§6.伟3肖特壳基二拼极管昏的偏习置及清其IV特性肖特仅基二厦极管跟的偏咏置及牺其能貌带特丛征偏置知的肖蹈特基坑二极烫管的助电容加特性肖特黎基二闸极管纽奉的IV特性删及其骗特征钳（多蚁子输饿运）M/哥S的欧帜姆接份触半导阅体掺撕杂浓寻度很馒高使侧得隧兔穿几孕率很帐大选择需合适气功函膨数的茧半导满体和售金属续，使菊得电价流流颈经M/析S接触就时不兰存在荡势垒§6.活5异质耗结6.源5.来1异质妈结的理形成6.抽5.添2异质宝结的译能带滨结构6.突5.放3异质以结的酿应用第七辽章槐金蜜属/氧化沃物/半导讯体（MO毕S）结默构本章请我们千将介葱绍金偷属（Me仍ta捞l）与屋氧化国物绝低缘体鸭（Ox贡id盆e）、彻半导锋体（Se树mi苍co笔nd柳uc陕to栏r）构中成的MO叙S结构照相关咽理论佣方法恰，重侧点讨安论各敢种偏田置电靠压条资件下滴，MO橡S结构等的能的带结多构、津电容返特性(C佣-V偿)以及运影响C-贷V特性主的各秘种因乒素及仔相关敏理论捏方法跟。MO狐S结构垄是研半究MO锣S基器约件的石基本众性能弱特征袜和参去数，屋如栅芝氧化第层厚女度、伯阈值返电压碑、界圾面态脉就体贩缺陷签态等会的基芹本器斯件结群构§7.炉1理想剧的MO粒S结构§7.扔2敬MO揭S结构钥的CV特性§7.路3非理液想（菠实际患）MO蚊S结构§7.贱1理想MO乏S结构理想MOS结构在各种偏压（Vg）下的能带图和电荷分布情况所加栅压电荷分布MOS结构中的电容特性(n型)

MOS+Q+Q积累-g（VG>0）MOS+Q-Q电离施主耗尽-e（小VG<0）+QMOS-Q空穴MOS平带-f-QMOS-Q空穴反型-a,b,c(低频)(VG<VT)IIIAIIIB高频耗尽／反型过渡处-d(n型)(p型)0反型（INV）耗尽（DEPL）积累（ACC）积累（ACC）耗尽（DEPL）反型（INV）VGn型VGp型0VTVT反型（INV）耗尽（DEPL）积累（ACC）积累（ACC）耗尽（DEPL）反型（INV）7.至1.陶5纠Po传is拢so疾n方程告求解内和电位势分剃布强反健型后侄，即键使表闲面势S有一撑微小跨的变额化，号也会祥引起铲载流专子浓障度的谈显著岗增加甲，有晨效屏炉蔽栅请电压棒的穿获透，虑表面项势将倦基本栋不随韵栅压阿变化QS随表面势变化曲线§7.幅2炸MO声S结构迫中的跪电容旱特性7.台2.穷1默C-顾V方程定义可获铃得：反型章情形一旦君反型条层（In产ve陈rs拨io拨n）形碑成，码电容动开始皱增加快，Si电容痰逐渐辅开始绍转变白为主唤要由越反型败层电却荷随叔表面援势的汤变化岛决定丝式。§7.魔2仁MO阴S结构扰中的萌电容虫特性7.椒2.氧4低频铃（准脱静态经）C-冶V特性§7.润3非理想MO赞S结构7.钩3.均1非理有想因崇素一误：金他属半铃导体桥功函浮数不龄同在例制子中蛋，P型硅喜里的大空穴因的平证均能围量比侵金属希中空验穴的税平均缓能量夫要高核，达于到热宅平衡勇时将材发生桃空穴彼从硅忆向金赖属移县动，猾硅表殖面能闸带向惨下弯虏曲。1.热平响衡时乘，Vg=01)在材择料界辽面处EC和EV突变1、非英理想MO殖S电容籍的热航平衡2）在Si茎O2上压唯降大葡小与禽硅中妈表面站势和左费米躁能级Ef有关拾，因诊为没党有电文流流弯过Si秃O2，这域一电幅压可叫以维滥持下领去。3）存耍在势兰垒限屑制载骨流子办在金俭属与渠半导椅体之鸭间运道动4）在玻硅表舱面，EV离Ef较远顶，表假面空远穴耗绳尽。2、非理吴想MO誉S电容直的偏瞎置（央平带缺）通过贯外加抢栅压遭，第可以贡使半洋导体精恢复泡到平堪带，精所加教的电寒压称绍为平怪带电车压。礼平带精电压验是MO戏S结构冶主要灿的物小理参么量之拒一，冒通过傲确定嫌平带舰电容俩来确较定。7.裙3.习1非理吐想因刃素一吊：金卵属半但导体勒功函碰数不溉同§7.设3非理想MO停S结构7.争3.潜2非理类想因看素二苗：在锈氧化岸层和控氧化站层与Si界面躁中的攻各种寇电荷氧化轿层和劣界面医电荷醋包括津：1）氧摸化层素中的乓可动减离子跃电荷Qm2）氧饥化层薯中的渠陷阱再电荷菌（电述子或舞空穴挣）Qot；3）工学艺引托入的拌氧化床层固允定电便荷Qf4）氧暮化层局－Si界面蜘的表狠面态从引入垮的陷矮阱电螺荷QitSi技术螺中的琴真正污的魔义法，碎不是椅发生愚在Si晶体扶，而幻玉是发问生在Si裳O2中。Si歉O2构成瞧了Si器件陷的核监心部易件。Si材料廉性质屈很早赏就基午本研邪究清珍楚了慕，但练对Si希O2及其杆与Si界面蒙性质肢的研偶究直龙到现少在还遭是一膊个重询要的翼研究苗课题翁。§7.辫3非理想MO全S结构1.各种档电荷扫对平涛带电楼压的吓影响2.各种挽电荷涂对能援带的密影响3.各种虽电荷洪对C－V曲线鹿的影盈响假设秀在氧润化层悦和界版面存部在的屑电荷羡分布厦为则恢躁复平括带所斑需要和外加龙的栅优压为§7.悼3非理想MO耕S结构4.界面伤陷阱期电荷顷（Qit）界面预陷阱这电荷尘源于蔬界面费态的农存在爸，其似对平扯带电羽压的跪影响蹄与界促面态坛的填唇充有约关；佣界面乖态密受度一捎般是遍界面炼态能逼级的散函数催，其窄填充唇与表渣面势僵相关辟；此迷外，肾在Si障-S沿iO2界面腥存在六的界睬面态糠可进妻一步补区分亿为类许施主(D朗on恳or搂l谨ik村e)和类蜓受主(A爷cc况ep厌to繁r蓬li窃ke泉)两种剑情形尚。因慈此界货面陷或阱电采荷对电平带核电压很的影终响非胆常复刻杂。当To悲x＝10哨0n纷m，Qf＝1011cm-2时，Vfb=0.阳5V§7.丛3非理想MO帮S结构§7.合3非理想MO诊S结构7.持3.杜4氧化客层和捕界面玩电荷孤对CV曲线回的影驾响1.多晶售硅功娱函数摇和耗许尽效火应在集根成电幼路技裂术中读，传倾统的惧栅电层极为迁重掺踪蝶杂