集成电路设计第二讲.ppt

1、第二章 集成电路材料与器件物理基础,2.2集成电路材料,电导率(S/cm) 导体 105 半导体 10-9102 绝缘体 10-2210-14,1晶体 所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 2晶体结构 晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。 3阵点（结点） 把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。 4点阵 在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵） 5晶面 点阵中的结点所构成的平面。 6晶向 点阵中的结点所组成的直线。,2.3半导体基础知识,晶体的基本概念,7晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。 8晶胞 构成晶格

2、的最基本单元。 由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。 9晶格常数 晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。 其大小用A来表示（1A=10-8cm） 若a=b=c，=90这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。,2.3.1固体的晶体结构 简单立方 体心立方 面心立方 金刚石结构,2.3.1固体的晶体结构 简单立方,Cube,体心立方,面心立方,金刚石结构,从STM得到的硅晶体 表面的原子结构图,题目练习,假设我们将圆球放入一体心晶格中,并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触,试算

3、出这些圆球占此体心立方单胞的空间比率. 硅在300K时的晶格常数为5.43,请计算每立方厘米的硅原子数和常温下的硅原子密度(每摩尔原子质量28.09g/cm3阿伏加德罗常数6.021023),量子力学计算表明，固体中若有N个 原子，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠 得很近的能级,称为能带。,固体中的电子能级 有什么特点？,2.3.2 固体的能带结构,能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,一般规律：,1. 越是外层电子，能带越宽，E越大。,2. 点阵间距越小，能带越宽，E越大。,3. 两个能带有可能重叠

4、。,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,能带中电子的排布,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。,排布原则：,. 服从泡里不相容原理（费米子）,. 服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多能容纳 2 (2 +1)个电子。,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后， 能带最多能容纳(2 +1)个电子。,导体和绝缘体 （conductor insulator）,它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从

5、低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,2.3.3 本征半导体与杂质半导体,一. 本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在

6、导体与绝缘体 之间。,介绍两个概念：,1. 电子导电半导体的载流子是电子,2. 空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后, 满带中出现一个空位。,例. 半导体 Cd S,这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为“空穴”) , 把电子抵消了。,电子和空穴总是成对出现的。,空带,满带,空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。,满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电。,在外电场作用下,为什么半导体的电阻 随温度升高而降低？,二. 杂质半导体,. n型半导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P

7、、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的 能级在禁带中紧靠空带处, ED10-2eV， 极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,.型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量 三价的杂质元素（如、Ga、n等） 形成空穴型半导体，称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV， 极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载

8、流子,电子少数载流子,3. n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺，六价的Te 替代五价的As可形成施主能级， 成为n型GaAs杂质半导体。,4.型化合物半导体,例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn 替代三价的Ga可形成受主能级， 成为p型GaAs杂质半导体。,三. 杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na）， 两种杂质有补偿作用：,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用， 可以制成P-结。,4 -结,一.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。

9、,由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。,内建场大到一定 程度,不再有净电 荷的流动，达到 了新的平衡。,在型 n型交界面 附近形成的这种特 殊结构称为P-N结， 约0.1m厚。,内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散，记作 。,P-N结处存在电势差Uo。,也阻止 N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。,它阻止 P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；,考虑到P-结的存在，半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能。,电子的能带 出现弯曲现象。,二 . -结的单向导电性,. 正向偏压,在-结 的p型区接 电源正极， 叫正向偏压。,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴 向N区运动，电子向P区运动， 形成正向电流（m级）。,外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管)。,. 反向偏压,在-结的型区接电源负极, 叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流，,当外电场很强,