半导体物理与器件物理.ppt

半导体物理与器件物理SemiconductorPhysicsandDevicePhysics 2019 4 主要教材 半导体物理学 刘恩科 朱秉升 罗晋生 电子工业出版社 2019年11月第7版 半导体器件物理与工艺 施敏著 赵鹤鸣 钱敏 黄秋萍译 苏州大学出版社 2019年12月第1版主要参考书 半导体物理与器件 第三版 DonaldA Neamen著 电子工业出版社 现代半导体器件物理 施敏 科学出版社 2019年 集成电路器件电子学 R S Muller T I Kamins M Chan著 王燕等译 电子工业出版社 2019年第3版 Part1 半导体物理学Part2 半导体器件物理学 Outline 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 固态电子学分支之一 微电子学 光电子学 研究在固体 主要是半导体 材料上构成的微小型化器件 电路及系统的电子学分支学科 微电子学 半导体概要 在学科分类中 微电子学既可以属于理学 071202 也可以属于工学 080903微电子学与固体电子学 工学 08 0808电气工程080801电机与电气080802电力系统及其自动化080803高电压与绝缘技术080804电力电子与电力传动080805电力理论与新技术0809电子科学与技术 注 可授予工学 理学学位 080901物理电子学080902电路与系统080903微电子学与固体电子学080904电磁场与微波技术 0810信息与通信工程081001通信与信息系统081002信号与信息处理0811控制科学与工程081101控制理论与控制工程081102检测技术与自动化装置081103系统工程081104模式识别与智能系统081105导航 制导与控制0812计算机科学与技术 注 可授予工学 理学学位 081201计算机软件与理论081202计算机系统结构081203计算机应用技术 微电子学研究领域 半导体物理 材料 工艺半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微系统 系统 微电子学发展的特点 向高集成度 高性能 低功耗 高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透 形成新的学科领域 光电集成 MEMS 生物芯片 半导体概要 固体材料 绝缘体 半导体 导体 其它 半金属 超导体 什么是半导体 半导体及其基本特性 绪论 微电子 IC的发展历史 早期历史发展 ENIAC 1946 Solutions New new new wegottofindsomethingnew Moore slaw 10G1G100M10M1M100K10K1K0 1K 1970 1980 1990 2000 2019 存储器容量60 年 每三年 翻两番 1965 GordonMoore预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 1 E 91 E 81 E 71 E 61 E 51 E 41 E 3 70 74 78 82 86 90 94 98 2019 芯片上的晶体管数目 微处理器性能每三年翻两番 i8080 6 000 m68000 68 000 PowerPC601 2 800 000 PentiumPro 5 500 000 i4004 2 300 M6800 4 000 i8086 28 000 i80286 134 000 m68020 190 000 i80386DX 275 000 m68030 273 000 i80486DX 1 200 000 m68040 1 170 000 Pentium 3 300 000 PowerPC604 3 600 000 PowerPC620 6 900 000 Itanium 15 950 000 PentiumII 7 500 000 微处理器的性能 100G10GGiga100M10MMegaKilo 19701980199020002019 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 按此比率下降 小汽车价格不到1美分 等比例缩小 Scaling down 定律 1974 Dennard 基本指导思想是 保持MOS器件内部电场不变 恒定电场规律 简称CE律等比例缩小器件的纵向 横向尺寸 以增加跨导和减少负载电容 提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数 恒定电场定律的问题 阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便 恒定电压等比例缩小规律 简称CV律 保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变 对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律 而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1 m的器件 它不适用于沟道长度较短的器件 准恒定电场等比例缩小规则 缩写为QCE律CE律和CV律的折中 实际采用的最多随器件尺寸进一步缩小 强电场 高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则 电源电压必须降低 同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能 实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小 倍 而电源电压则只变为原来的 倍 A 特征尺寸继续等比例缩小 晶圆尺寸增大 主要影响集成度 产量和性价比 B 集成电路 IC 将发展成为系统芯片 SOC 主要影响功能 C 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科 例如MEMS DNA芯片等 主要影响功能和新兴交叉增长点 硅微电子技术的三个发展方向 第一个关键技术 微细加工目前0 25 m 0 18 m 0 13 m 0 11 m 90nm等已相继开始进入大生产90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发 具备大生产的条件 有的已经投产当然仍有许多开发与研究工作要做 例如IP模块的开发 为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在45nm以下 极限在哪里 22nm Intel IBM 10nm Atomiclevel A 微电子器件的特征尺寸继续缩小 互连技术与器件特征尺寸的缩小 SolidstateTechnologyOct 2019 第二个关键技术 互连技术铜互连已在0 25 0 18um技术代中使用 但在0 13um后 铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用 在更小的特征尺寸阶段 可靠性问题还有待继续研究开发 第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料 传统的栅结构 重掺杂多晶硅 SiO2 硅化物 经验关系 L ToxXj1 3 栅介质的限制 随着tgate的缩小 栅泄漏电流呈指数性增长 超薄栅氧化层 栅氧化层的势垒 G S D 直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层厚度小于3nm后 tgate 大量的晶体管 限制 tgate 3to2nm 栅介质的限制 栅介质的限制 等效栅介质层的总厚度 Tox 1nm t栅介质层 Tox t多晶硅耗尽 t栅介质层 t量子效应 由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 t多晶硅耗尽0 5nm 由量子效应引起的等效厚度 t量子效应0 5nm 限制 等效栅介质层的总厚度无法小于1nm L 源 漏 栅 Tox p型硅 n n 多晶硅 NMOSFET 栅介质层 新一代小尺寸器件问题 0 1 m Sub0 1 m 2030年后 半导体加工技术走向成熟 类似于现在汽车工业和航空工业的情况 诞生基于新原理的器件和电路 B 集成电路走向系统芯片 IC的速度很高 功耗很小 但由于PCB板中的连线延时 噪声 可靠性以及重量等因素的限制 已无法满足性能日益提高的整机系统的要求 IC设计与制造技术水平的提高 IC规模越来越大 已可以在一个芯片上集成108 109个晶体管 分立元件 集成电路IC 系统芯片SystemOnAChip 简称SOC 将整个系统集成在一个微电子芯片上 在需求牵引和技术推动的双重作用下 系统芯片 SOC 与集成电路 IC 的设计思想是不同的 它是微电子技术领域的一场革命 集成电路走向系统芯片 六十年代的集成电路设计 八十年代的电子系统设计 PE L2 MEM Math Bus Controller IO Graphics PCB集成工艺无关 系统 世纪之交的系统设计 SYSTEM ON A CHIP SOC是从整个系统的角度出发 把处理机制 模型算法 芯片结构 各层次电路直至器件的设计紧密结合起来 在单个芯片上完成整个系统的功能SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下 Top Down 地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPUCore可以使设计者有更大的自由度降低功耗 不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近 集成电路走向系统芯片 SOC与IC组成的系统相比 由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况 可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标采用界面综合 InterfaceSynthesis 技术和0 35 m工艺设计系统芯片 在相同的系统复杂度和处理速率下 能够相当于采用0 25 0 18 m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC方法设计的芯片相比 采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低 集成电路走向系统芯片 21世纪的微电子将是SOC的时代 SOC的三大支持技术软硬件协同设计 Co DesignIP技术界面综合 InterfaceSynthesis 技术 集成电路走向系统芯片 1 软硬件Co Design面向各种系统的功能划分理论 FunctionPartitionTheory 计算机通讯压缩解压缩加密与解密 2 IP技术软IP核 SoftIP 行为描述 固IP核 FirmIP 门级描述 网单 硬IP核 HardIP 版图 通用模块CMOSDRAM数模混合 D A A D深亚微米电路优化设计 在模型模拟的基础上 对速度 功耗 可靠性等进行优化设计最大工艺容差设计 与工艺有最大的容差 Yesterday schipsaretoday sreusableIPblocks andcanbecombinedwithotherfunctions likeVideo Audio Analog andI O toformulatewhatwenowknowassystemonchip SoC 半导体产业的发展Chipless 设计与制作的分工FablessFoundry系统设计师介入IC设计IP设计与SoC的分工Chipless IP的特点 复用率高易于嵌入实现优化芯片面积最小运行速度最高功率消耗最低工艺容差最大 3 InterfaceSynthesisIP GlueLogic 胶连逻辑 面向IP综合的算法及其实现技术 SoC设计示意 C MEMS技术和DNA芯片 微电子技术与其它学科结合 诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS 微机电系统 微电子技术与机械 光学等领域结合DNA生物芯片 微电子技术与生物工程技术结合 1 MEMS 目前的MEMS与IC初期情况相似 集成电路发展初期 其电路在今天看来是很简单的 应用也非常有限 以军事需求为主集成电路技术的进步 加快了计算机更新换代的速度 对中央处理器 CPU 和随机存贮器 RAM 的需求越来越大 反过来又促进了集成电路的发展 集成电路和计算机在发展中相互推动 形成了今天的双赢局面 带来了一场信息革命现阶段的微系统专用性很强 单个系统的应用范围非常有限 还没有出现类似的CPU和RAM这样量大而广的产品 MEMS器件及应用 汽车工业安全气囊加速计 发动机压力计 自动驾驶陀螺武器装备制导 战场侦察 化学 震动 武器智能化生物医学疾病诊断 药物研究 微型手术仪器 植入式仪器信息和通讯光开关 波分复用器 集成化RF组件 打印喷头娱乐消费类游戏棒 虚拟现时眼镜 智能玩具 大机器加工小机器 小机器加工微机器 微机械 用微电子加工技术 X光铸模 压塑技术 LIGA 从顶层向下 从底层向上 分子和原子级加工 国防 航空航天 生物医学 环境监控 汽车都有广泛应用 2000年有120 140亿美元市场相关市场达1000亿美元市场将迅速成长 MEMS 微系统 MEMS系统 从广义上讲 MEMS是指集微型传感器 微型执行器 信号处理和控制电路 接口电路 通信系统及电源于一体的微型机电系统MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域 它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域 如电子 机械 光学 物理学 化学 生物医学 材料科学 能源科学等 MEMS在航空 航天 汽车 生物医学 环境监控 军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导 卫星控制 汽车自动驾驶 汽车防撞气囊 汽车防抱死系统 ABS 稳定控制和玩具 MEMS技术及其产品的增长速度非常之高 并且目前正处在加速发展时期 微流量系统和微分析仪可用于微推进 伤员救护MEMS系统还可以用于医疗 高密度存储和显示 光谱分析 信息采集等等已经制造出尖端直径为5 m的可以夹起一个红细胞的微型镊子 可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等 2 DNA芯片 微电子与生物技术紧密结合的以DNA 脱氧核糖核酸 芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点 它是以生物科学为基础 利用生物体 生物组织或细胞等的特点和功能 设计构建具有预期性状的新物种或新品系 并与工程技术相结合进行加工生产 是生命科学与技术科学相结合的产物具有附加值高 资源占用少等一系列特点 正日益受到广泛关注 目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片采用微电子加工技术 可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片 利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况 这无疑对遗传学研究 疾病诊断 疾病治疗和预防 转基因工程等具有极其重要的作用Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片 包括6000余种DNA基因片段 广义上的系统集成芯片 张海霞 微纳大世界 演讲视频 半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 半导体的纯度和结构 纯度极高 杂质 1013cm 3结构 晶体结构 具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的准晶体 晶体结构 晶体结构 单胞对于任何给定的晶体 可以用来形成其晶体结构的最小单元 注 a 单胞无需是唯一的 b 单胞无需是基本的 晶体结构 三维立方单胞简立方 体心立方 面立方 BCC FCC 金刚石晶体结构 金刚石结构 原子结合形式 共价键形成的晶体结构 构成一个正四面体 具有金刚石晶体结构 金刚石的晶胞金刚石也是一个a b c 90 的立方晶胞 晶胞除了顶点8 1 8 1个C原子外 每个面心位置各有1个C原子 由于面心位置C原子为2个晶胞共有 故6 1 2 3个C原子 除此晶胞内部还有4个C原子 所以金刚石晶胞共有1 3 4 8个C原子 对于晶胞的棱心位置的原子 则为4个晶胞共有 计数为1 4个 金刚石的晶胞 Graphite C60Movie 元素半导体 Si Ge 金刚石晶体结构 例 如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞 求 a Si原子半径 b 晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比 解 a b 化合物半导体 GaAs InP ZnS 闪锌矿晶体结构 金刚石型VS闪锌矿型 金刚石结构 黑白原子同类 硅 锗 灰锡 Sn 人工合成立方氮化硼 c BN 黑白原子不同类时 闪锌矿结构 ZnS 闪锌矿 SiC GaAs AlP InSb 晶胞图 投影图 闪锌矿晶体结构 HCPmovie FCCvsHCP 纤锌矿晶体结构复式格子 六方晶系简单六方格子P63mc空间群ao 0 382nm co 0 625nmz 2与纤锌矿结构同类的晶体 BeO ZnO AlN S2 六方紧密堆积排列Zn2 填充在四面体空隙中 只占据了1 2 NaClMovies CO2 SiO2Movies 原子的能级 电子壳层不同子壳层电子1s 2s 2p 3s 2p 3d 共有化运动 14 电子的能级是量子化的 n 3四个电子 n 28个电子 n 12个电子 Si H Si原子的能级 原子能级的分裂 孤立原子的能级4个原子能级的分裂 原子能级的分裂 原子能级分裂为能带 能带形成简单示意 EnergyBandanimation2 swf EnergyBandanimation1 swf Semiconductor InsulatorandConductor Si的能带 价带 导带和带隙 价带 0K条件下被电子填充的能量的能带导带 0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙 导带底与价带顶之间的能量差 半导体的能带结构 自由电子的运动 微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的运动 薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数 导体 半导体 绝缘体的能带 固体材料的能带图 半导体 绝缘体和导体 半导体的能带 本征激发 半导体中E K 与K的关系 在导带底部 波数 附近值很小 将在附近泰勒展开 半导体中E K 与K的关系 令代入上式得 自由电子的能量 微观粒子具有波粒二象性 Recall 对比晶体中的电子 m的差异 半导体中电子的平均速度 在周期性势场内 电子的平均速度u可表示为波包的群速度 代入 求导 自由电子的速度 微观粒子具有波粒二象性 Recall 对比晶体中的电子 m的差异 半导体中电子的加速度 半导体中电子在一强度为E的外加电场作用下 外力对电子做功为电子能量的变化 半导体中电子的加速度 令即 而经典力学中牛顿运动定律 a f m0 有效质量m 的意义 自由电子只受外力作用 半导体中的电子不仅受到外力的作用 同时还受半导体内部势场的作用意义 有效质量概括了半导体内部势场的作用 使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便 有效质量可由试验测定 有效质量m 的意义 电子在外力作用下运动 受到外电场力f的作用 内部原子 电子相互作用 内部势场作用 引入有效质量 外力f和电子的加速度相联系 有效质量概括内部势场作用 空穴 只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性 电子带负电 q 导带底 空穴带正电 q 价带顶 K空间等能面 在k 0处为能带极值 导带底附近 价带顶附近 K空间等能面 以 为坐标轴构成空间 空间任一矢量代表波矢导带底附近 K空间等能面 对应于某一值 有许多组不同的 这些组构成一个封闭面 在着个面上能量值为一恒值 这个面称为等能量面 简称等能面 理想情况下等能面为一球面 硅的导带结构 实际根据回旋共振结果有 1 导带最小值不在k空间原点 在 100 方向上 即是沿 100 方向的旋转椭球面2 根据硅晶体立方对称性的要求 也必有同样的能量在方向上3 如图所示 共有六个旋转椭球等能面 电子主要分布在这些极值附近 锗的导带结构 N型Ge的试验结果 方向共有8个方向图为Ge导带等能面示意图 硅和锗的能带结构 间接带隙 间接带隙 Si1 xGex混合晶体的能带 硅 锗构成的混合晶体写为Si1 xGex x称为混晶比其禁带宽度Eg随x的变化如图所示 砷化镓的能带结构 导带极小值位于布里渊区中心k 0处 等能面为球面 导带底电子有效质量为0 067mo 在方向布里渊区边界还有一个导带极小值 极值附近的曲线的曲率比较小 此处电子有效质量比较大 约为0 55mo它的能量比布里渊区中心极小值的能量高0 29ev 价带结构与硅 锗类似 室温下禁带宽度为1 424ev 关于本节的内容 要深刻地理解 必须具有如下知识 晶格学 Crystallography 近代物理 ModernPhysics 量子力学 QuantumPhysics 固体物理 SolidStatePhysics 甚至 高等量子力学 固体理论 等 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 实际晶体与理想情况的偏离 晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷 空位 间隙原子或替位式原子等杂质 线缺陷 位错 面缺陷 层错 体缺陷 Microvoids 极微量的杂质和缺陷 会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响 同时也严重影响半导体器件的质量 1个B原子 个Si原子在室温下电导率提高倍Si单晶位错密度要求低于 杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏 并在禁带中引入了能级 允许电子在禁带中存在 从而使半导体的性质发生改变 与理想情况偏离的后果及原因 间隙式杂质 替位式杂质 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置 该杂质称为间隙式杂质 间隙式杂质原子一般比较小 如Si Ge GaAs材料中的离子锂 0 068nm 杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处 该杂质称为替位式杂质 替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近 如 族元素在Si Ge晶体中都为替位式杂质 间隙式杂质 替位式杂质 单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度 施主 掺入在半导体中的杂质原子 能够向半导体中提供导电的电子 并成为带正电的离子 如Si中的P和As N型半导体 半导体的掺杂 施主能级 受主 掺入在半导体中的杂质原子 能够向半导体中提供导电的空穴 并成为带负电的离子 如Si中的B P型半导体 半导体的掺杂 受主能级 Ga或As在Si中掺杂 半导体的掺杂 族杂质在Si Ge晶体中分别为受主和施主杂质 它们在禁带中引入了能级 受主能级比价带顶高 施主能级比导带底低 均为浅能级 这两种杂质称为浅能级杂质 杂质处于两种状态 中性态和离化态 当处于离化态时 施主杂质向导带提供电子成为正电中心 受主杂质向价带提供空穴成为负电中心 浅能级杂质 浅能级杂质 电离能小的杂质称为浅能级杂质 所谓浅能级 是指施主能级靠近导带底 受主能级靠近价带顶 室温下 掺杂浓度不很高底情况下 浅能级杂质几乎可以可以全部电离 五价元素磷 P 锑 Sb 在硅 锗中是浅受主杂质 三价元素硼 B 铝 Al 镓 Ga 铟 In 在硅 锗中为浅受主杂质 浅能级杂质电离能的简单计算 类氢模型 杂质的补偿作用 半导体中同时存在施主和受主杂质时 半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度 有效施主浓度 有效受主浓度 杂质的高度补偿 杂质的补偿作用 杂质补偿 半导体中存在施主杂质和受主杂质时 它们底共同作用会使载流子减少 这种作用称为杂质补偿 在制造半导体器件底过程中 通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率 高度补偿 若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等 则不能提供电子或空穴 这种情况称为杂质的高等补偿 这种材料容易被误认为高纯度半导体 实际上含杂质很多 性能很差 一般不能用来制造半导体器件 设半导体中同时存在施主和受主杂质 且 N型半导体 N型半导体 设半导体中同时存在施主和受主杂质 且 P型半导体 P型半导体 深能级杂质 深能级杂质 非 族杂质在Si Ge的禁带中产生的施主能级远离导带底 受主能级远离价带顶 杂质电离能大 能够产生多次电离深能级杂质的基本特点 一 是不容易电离 对载流子浓度影响不大 二 是一般会产生多重能级 甚至既产生施主能级也产生受主能级 三 是能起到复合中心作用 使少数载流子寿命降低 在第五章详细讨论 四 是深能级杂质电离后以为带电中心 对载流子起散射作用 使载流子迁移率减少 导电性能下降 化合物半导体中的杂质能级 杂质在砷化镓中的存在形式四种情况 1 取代砷2 取代镓3 填隙4 反位 2 2 1杂质在砷化镓中的存在形式 四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为 即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用 当硅的浓度较高时 一部分硅原子将起到受主杂质作用 这种双性行为可作如下解释 因为在硅杂质浓度较高时 硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用 而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用 因而对于取代 族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用 从而降低了有效施主杂质的浓度 电子浓度趋于饱和 点缺陷 弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大 为热缺陷 它们不断产生和复合 直至达到动态平衡 总是同时存在的 空位表现为受主作用 间隙原子表现为施主作用 点缺陷 替位原子 化合物半导体 位错 位错是半导体中的一种线缺陷 它严重影响材料和器件的性能 位错 施主情况受主情况 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 热平衡状态 在一定温度下 载流子的产生和载流子的复合建立起一个动态平衡 这时的载流子称为热平衡载流子 半导体的热平衡状态受温度影响 某一特定温度对应某一特定的热平衡状态 半导体的导电性受温度影响剧烈 态密度的概念 能带中能量附近每单位能量间隔内的量子态数 能带中能量为无限小的能量间隔内有个量子态 则状态密度为 E E dE 态密度的计算 状态密度的计算单位空间的量子态数能量在空间中所对应的体积前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度 空间中的量子态 在空间中 电子的允许能量状态密度为 考虑电子的自旋情况 电子的允许量子态密度为 每个量子态最多只能容纳一个电子 态密度 导带底附近状态密度 理想情况 即等能面为球面 态密度 导带底 价带顶 费米能级 根据量子统计理论 服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计规律对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的概率为称为电子的费米分布函数空穴的费米分布函数 费米分布函数 称为费米能级或费米能量温度导电类型杂质含量能量零点的选取处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级 费米分布函数 当时若 则若 则在热力学温度为0K时 费米能级可看成量子态是否被电子占据的一个界限当时若 则若 则若 则费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志 玻尔兹曼分布函数 当时 由于 所以费米分布函数转化为称为电子的玻尔兹曼分布函数 玻尔兹曼分布函数 空穴的玻尔兹曼分布函数 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写 绝大多数电子分布在导带底 价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写 绝大多数空穴分布在价带顶 服从费米统计律的电子系统称为简并性系统 服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别 前者受泡利不相容原理的限制 导带中的电子浓度 在导带上的间有个电子从导带底到导带顶对进行积分 得到能带中的电子总数 除以半导体体积 就得到了导带中的电子浓度 ConsiderBoltzmannDistribution 导带中的电子浓度 Let 导带中的电子浓度 导带宽度的典型值一般 所以 因此 积分上限改为并不影响结果 由此可得导带中电子浓度为 价带中的空穴浓度p0 同理得价带中的空穴浓度 载流子浓度乘积 载流子浓度乘积热平衡状态下的非简并半导体中 在一定的温度下 乘积是一定的 如果电子浓度增大 空穴浓度就会减小 反之亦然 本征半导体载流子浓度 本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体 本征半导体中的费米能级 本征费米能级 本征半导体中的载流子浓度 本征载流子浓度 既适用于本征半导体 也适用于非简并的杂质半导体 杂质半导体载流子浓度 一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子杂质能级只能是下面两种情况之一被一个有任一自旋方向的电子占据不接受电子 以施主能级为例 施主能级上的电子占据 杂质半导体载流子浓度 施主能级上的电子浓度 没电离的施主浓度 电离施主浓度 杂质半导体载流子浓度 电离受主浓度 类似地 受主能级上的电子浓度 没电离的受主浓度 n和p的其他变换公式 本征半导体时 所以一般情况下 本征或杂质半导体 中 用ni Ei表示 费米能级 对掺杂半导体 费米能级 接近室温时 全电离 EF Ei kTln ND ni 练习 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性 非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 载流子输运 半导体中载流子的输运有三种形式 漂移扩散产生和复合 欧姆定律 金属导体外加电压 电流强度为电流密度为 欧姆定律 均匀导体外加电压 电场强度为电流密度为欧姆定律的微分形式 漂移电流 漂移运动当外加电压时 导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动 定向运动的速度称为漂移速度 电流密度 漂移速度 漂移速度 半导体的电导率和迁移率 半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和当电场强度不大时 满足 故可得半导体中电导率为 半导体的电导率和迁移率 N型半导体P型半导体本征半导体 热运动 某T下达到热平衡 在无电场作用下 载流子永无停息地做着无规则的 杂乱无章的运动 称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为0 净电流为0平均自由时间为 热运动 当有外电场作用时 载流子既受电场力的作用 同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加 因此电流密度是恒定的 散射的原因 载流子在半导体内发生散射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁 并使得载流子的运动速度及方向均发生改变 发生散射行为 主要散射机制 电离杂质 晶格 电离杂质的散射 杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场 它就是使载流子散射的附加势场散射概率Pi代表单位时间内一个载流子受到散射的次数 电离施主散射 电离受主散射 晶格振动的散射 格波形成原子振动的基本波动格波波矢对应于某一q值的格波数目不定 一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数Si Ge半导体的原胞含有两个原子 对应于每一个q就有六个不同的格波 频率低的三个格波称为声学波 频率高的三个为光学波长声学波 声波 振动在散射前后电子能量基本不变 称为弹性散射 光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变 称为非弹性散射 晶格振动的散射 声学波散射在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波在长声学波中 只有纵波在散射中起主要作用 它会引起能带的波形变化声学波散射概率光学波散射在低温时不起作用 随着温度的升高 光学波的散射概率迅速增大 Quiz 1 载流子的热运动在半导体内会构成电流 2 在半导体中 载流子的三种输运方式为 和 3 载流子在外电场的作用下是 和 两种运动的叠加 因此电流密度大小 4 什么是散射 自由时间与散射几率的关系 N个电子以速度沿某方向运动 在时刻未遭到散射的电子数为 则在时间内被散射的电子数为 因此 上式的解为 则被散射的电子数为 与的关系 在时间内被散射的所有电子的自由时间为 这些电子自由时间的总和为 则个电子的平均自由时间可表示为 与的关系 平均漂移速度为 与的关系 N型半导体P型半导体本征半导体 与及的关系 电离杂质散射声学波散射光学波散射 与及的关系 电离杂质散射声学波散射光学波散射 影响迁移率的因素 与散射有关晶格散射电离杂质散射 N型半导体P型半导体本征半导体 电阻率 与掺杂的关系 N型半导体P型半导体 本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体 区别于金属 与T的关系 速度饱和 在低电场作用下 载流子在半导体中的平均漂移速度v与外加电场强度E呈线性关系 随着外加电场的不断增大 两者呈非线性关系 最终平均漂移速度达到一饱和值 不随E变化 n Ge 耿氏效应 耿氏效应n GaAs外加电场强度超过时 半导体内的电流以的频率发生振荡 练习 一 判断1 在半导体中 原子最外层电子的共有化运动最显著 2 不同的k值可标志自由电子的不同状态 但它不可标志晶体中电子的共有化状态 3 空位表现为施主作用 间隙原子表现为受主作用 4 半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体 练习 二 填空1 半导体材料结构可分为 应用最为广泛的是 2 金刚石型单胞的基础结构为 金刚石型为 对称性 闪锌矿型结构为 对称性 纤锌矿型为 对称性 3 导带和价带间间隙称为 Si的禁带宽度为 Ge为 GaAs为 4 固体按其导电性可分为 练习 5 杂质总共可分为两大类 和 施主杂质为 受主杂质为 6 施主杂质向 带提供 成为 电中心 受主杂质向 带提供 成为 电中心 7 热平衡时 能级E处的空穴浓度为 8 在半导体中 载流子的三种输运方式为 和 练习 三 简答1 单胞的概念及两大注意点 2 三种立方单胞的名称 3 引入有效质量的原因及意义 4 的物理含义 5 费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别 6 在外加电场E作用下 为什么半导体内载流子的漂移电流恒定 试从载流子的运动角度说明 7 在室温下 热平衡时 Si半导体中 求半导体中的电子和空穴浓度 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子 pn结金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 平衡载流子 在某一平衡状态下的载流子称为平衡载流子本征或非简并半导体处于热平衡状态的判据式 只受温度T影响 Recall 由于受外界因素如光 电的作用 半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布 称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 也称为非平衡载流子 过剩载流子 非平衡载流子 非平衡载流子的光注入 平衡载流子满足费米 狄拉克统计分布 过剩载流子不满足费米 狄拉克统计分布 且公式 不成立 载流子的产生和复合 电子和空穴增加和消失的过程 过剩载流子 过剩载流子和电中性 平衡时过剩载流子 电中性要求 小注入条件 小注入条件 注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多 小注入条件 例 室温下一受到微扰的掺杂硅 判断其是否满足小注入条件 解 满足小注入条件 注 1 即使在小注入的情况下 非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多 2 非平衡少数载流子起重要作用 非平衡载流子都指非平衡少数载流子 非平衡多子一般远小于平衡多子浓度 所以一般不起作用 非平衡载流子寿命 假定光照产生和 如果光突然关闭 和将随时间逐渐衰减直至0 衰减的时间常数称为寿命 也常称为少数载流子寿命单位时间内非平衡载流子的复合概率非平衡载流子的复合率 复合 n型材料中的空穴p 当时 故寿命 标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1 e所经历的时间 寿命越短 衰减越快 费米能级 热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级 统一的费米能级是热平衡状态的标志 准费米能级 当半导体的热平衡状态被打破时 新的热平衡状态可通过热跃迁实现 但导带和价带间的热跃迁较稀少导带和价带各自处于平衡态 因此存在导带费米能级和价带费米能级 称其为 准费米能级 准费米能级 注 非平衡载流子越多 准费米能级偏离就越远 在非平衡态时 一般情况下 少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大 准费米能级 注 两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度 产生和复合 产生载流子 电子和空穴 被创建的过程产生率 G 单位时间单位体积内所产生的电子 空穴对数复合载流子 电子和空穴 消失的过程复合率 R 单位时间单位体积内复合掉的电子 空穴对数产生和复合会改变载流子的浓度 从而间接地影响电流 复合 直接复合间接复合Auger复合 禁带宽度小的半导体材料 窄禁带半导体及高温情况下 具有深能级杂质的半导体材料 产生 直接产生R G中心产生载流子产生与碰撞电离 Quiz 1 一般情况下 满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小 2 寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的 所经历的时间 3 简述小注入条件4 处于非平衡态的p型半导体中 和哪个距近 为什么 陷阱效应 当半导体处于非平衡态时 杂质能级具有积累非平衡载流子的作用 即具有一定的陷阱效应所有杂质能级都具有陷阱效应具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱 相应的杂质和缺陷称为陷阱中心杂质能级与平衡时的费米能级重合时 最有利于陷阱作用 扩散 粒子从高浓度向低浓度区域运动 扩散电流 总电流 扩散 漂移 扩散系数D和迁移率 的关系 考虑非均匀半导体 爱因斯坦关系 在平衡态时 净电流为0 连续性方程 举例 掺杂浓度分别为 a 和的硅中的电子和空穴浓度 b 再掺杂的Na又是多少 半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结 金属和半导体的接触半导体表面与MIS结构 Part1 半导体物理学 PN结杂质分布 PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础 了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程AlloyedJunctions 合金结 DiffusedJunctions 扩散结 IonImplantation 离子注入 EpitaxialGrowth 外延生长 p n结基本结构 合金温度 降温再结晶 扩散 PN结的形成 PN结Flash动画演示 swf PN结 swf 刚接触 扩散 漂移 达到动态平衡 扩散 漂移 内建电场 漂移 EFn高于EFp表明两种半导体中的电子填充能带的水平不同 能带图 Enerybanddiagram PN结中的能带 内建电势Vbi 或接触电势差 TheContactPotential VD 平衡时 内建电势 内建电场 方向 内建电势 PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND NA 材料禁带宽度以及工作温度 PN结分类 按杂质分布 下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析 突变结 单边突变结 线性缓变结 浅结 重掺杂 3um 或外延的PN结 缓变结与突变结 空间电荷区宽度 Spacechargeregionwidth 突变结 载流子分布 Carrierdistributions VA 0条件下的突变结 外加电压全部降落在耗尽区 VA大于0时 使耗尽区势垒下降 反之上升 即耗尽区两侧电压为Vbi VA 反偏PN结 反偏电压能改变耗尽区宽度吗 理想二极管 PN结正偏时 理想二极管 PN结反偏时 理想二极管的定量方程 基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布 是突变结 体内电中性区宽度远大于扩散长度 冶金结为面积足够大的平面 不考虑边缘效应 载流子在PN结中一维流动 空间电荷区 耗尽层 宽度远小于少子扩散长度 势垒区的自由载流子全部耗尽 并忽略势垒区中载流子的产生和复合 即不考虑空间电荷区的产生 复合作用 无源或漏 P型区和N型区的电阻率都足够低 外加电压全部降落在过渡区上 小注入 注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度 在注入时 扩散区的漂移电场可忽略 载流子边界浓度由结电势降决定 即由玻尔兹曼分布决定 Fermi分布的经典近似适用 J Vcharacteristicsofaidealp njunction 准中性区载流子浓度 理想二极管方程 求解过程准中性区少子扩散方程求Jp xn 求Jn xp J Jp xn Jn xp Spacechargeregion Neutralregion Diffusionregion 这两股电流之和就是正向偏置下流过p n结的电流 P区空穴向n区扩散 空穴扩散电流 n区电子向P区扩散 电子扩散电流 根据电流连续性原理 通过p n结中任一截面的总电流是相等的 只是对于不同的截面 电子电流和空穴电流的比例有所不同而已 考虑 xp截面 忽略了势垒区载流子的产生和复合 准费米能级 正偏时少子分布 上 及电流的分布 下 N区 P区 正向偏置时 半导体内的载流子浓度分布 加正向偏置V后 结电压为 VD Vf 在xp处注入的非平衡电子浓度为 在xn处注入的非平衡空穴浓度为 同理 肖克莱方程 外加电场Vr与内建电场方向一致 扩散 漂移 2 反向偏置 Reversebias VD增大为 VD Vr 相应地势垒区加宽 势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区 使边界处的少子浓度低于体内 产生了少子的扩散运动 形成了反向扩散电流 类似于正向偏置的方法 可求得反向电流密度 式中 Js不随反向电压变化 称为反向饱和电流密度 负号表示反向电流方向与正向电流方向相反 Jr与反向电压Vr无关 是因为当反向电压V的绝对值足够大时 边界上的少子浓度为零 p n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示 正向 V Vf反向 V Vr p n结的伏 安特性 3 J Vcharacteristicsofap njunction 单向导电性 整流 Ge Si GaAs 0 3 0 7 1V PN结电流 与理想情况的偏差 大注入效应空间电荷区的产生 复合串联电阻效应温度的影响 PN结电流与温度的关系 二极管伏安特性 swf 温度影响大 单边突变结 I V特性由轻掺杂一边决定 影响p n结伏 安特性的主要因素 产生偏差的原因 1 正向小电压时忽略了势垒区的复合 正向大电压时忽略了外加电压在扩散区和体电阻上的压降 2 在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流 空间电荷区的产生与复合 正向有复合电流 复合对正向电流的影响 反向有产生电流 产生对反向电流的影响 空间电荷区的产生与复合 1 反向偏置时 正向偏置时 计算比较复杂 VA愈低 IR G愈是起支配作用 空间电荷区的复合电流 空间电荷区的产生电流 VA Vbi时的大电流现象 串联电阻效应 对正向电流的影响 q kT Log I VA 当二极管上的电压降和kT q可比拟甚至更大时 二极管上的压降将显著降低势垒伤得真实有作用的电压降 导致似乎外加电压变小了 通常显示为一个正向的 不应期 注入p n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布 大注入 扩散区产生内建电场 VA Vbi时的大电流现象 1 大注入效应 对正向电流的影响 大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡多子密度的工作状态 pn nno VA Vbi时的大电流现象 2 VA Vbi时的大电流现象 3 VA越大 电流上升变缓 反向击穿 电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿 在反向偏置下 当反向电压很大时 p n结的反向电流突然增加 从而破坏了p n结的整流特性 p n结的击穿 p n结中的电场随着反向电压的增加而增加 少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大 当载流子的动能大到一定数值后 当它与中性原子碰撞时 可以把中性原子的价电子激发到导带 形成电子 空穴对 碰撞电离 1 雪崩击穿 Avalanchebreakdown 雪崩击穿原因PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子 空穴 新形成的电子 空穴被电场加速 碰撞出新的电子 空穴 载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105 106V cm非破坏性可逆击穿 雪崩倍增 雪崩倍增连锁反应使载流子的数量倍增式的急剧增多 因而p n结的反向电流也急剧增大 形成了雪崩击穿 影响雪崩击穿电压的主要因素 1 掺杂浓度 掺杂浓度大 击穿电压小 2 势垒宽度 势垒宽度足够宽 击穿电压小 3 禁带宽度 禁带宽度越宽 击穿电压越大 4 温度 温度升高 击穿电压增大 2 齐纳击穿 Zenerberakdown 或隧道击穿 是掺杂浓度较高的非简并p n结中的