第一章-半导体物理基础

微电子器件与电路,第一章半导体物理基础,主讲：黄炜炜,Email：hww,2,微电子器件与电路2011-CH1-,参考文献,1.DonaldA.Neamen著,赵毅强等译，半导体物理与器件（第三版）CH1-6，电子工业出版社，2006.012.RobertF.Pierret著，黄如等译，半导体器件基础，电子工业出版社3.CliftonG.Fonstad著，MicroelectronicDevicesandCircuit（2006ElectronicEdition），CH2-CH104.BenG.Streetman著，何小威译，固态电子器件（第六版），人民邮电出版社,3,微电子器件与电路2011-CH1-,本节课大纲,半导体物理基础知识半导体中载流子的输运,一沙一世界,4,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,自然界物质有气态、液态、固态和等离子体等，如果按照固体的导电能力不同，可以区分为导体、半导体和绝缘体。通常我们一般把电导率大于10-4/cm的称为导体，小于10-10/cm称为绝缘体，在此之间的我们称为半导体。,什么叫半导体？,5,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体材料特性,温度能使半导体导电能力增强，电导率随温度上升而指数上升。,EX：室温附近的纯硅温度上升8度，电导率上升50%。,杂质的种类和数量决定半导体的电导率。,EX：纯硅中每100万个硅原子掺入1个V族杂质，硅纯度高达99.9999%，但是电导率在室温下由214000cm下降至0.2cm。,光照、高能电子注入、电场和磁场能影响其电导率。,EX：绝缘衬底上制备的硫化镉（CdS）薄膜，无光照下电阻为几十M，受光照阻值降到几十K。,6,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体材料按化学成分和内部结构，大致可以分为以下几类：元素半导体：锗、硅、硒、硼、碲、锑。化合物半导体：由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。无定形半导体材料：用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。有机增导体材料：已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。,半导体分类,7,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,第一代半导体材料以硅锗材料为主，20世纪50年代锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压低频中功率晶体管及光电探测中，但是由于器件的耐高温和抗辐射特性较差，60年代后逐渐被硅取代。目前硅已经成为应用最多的一种半导体材料，半导体95%和集成电路99%都是由硅半导体材料制造的。第二代半导体材料以GaAS砷化镓和InP磷化铟等材料适用于制造高速高频大功率及发光电子器件，是制造微波毫米波和发光器件的优良材料，被广泛应用于通信导航领域。以碳化硅、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料（禁带宽度大于2.2eV）。同第一第二代半导体材料相比，第三代半导体材料有更宽的禁带宽度，高的击穿电场高的热导率高的电子饱和速率和抗辐射能力，更适合制作高温高频高辐射大功率器件。,半导体分类,8,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,9,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,元素周期表的每行都对应一个壳层的填充情况。价层被填满的原子具有特别稳定的结构，所以价层未被填满的原子通过交换或共用电子形成满价结构。由于静电引力，交换或者共用电子的原子间会形成化学键。根据价层填充的方法可以分为3种类型的键：(1)金属键：金属原子之间(2)离子键：金属原子和非金属原子之间(3)共价键：非金属原子之间,10,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,11,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,无定型：不存在长程有序,多晶：在小区域内完全有序,单晶：固体内的原子排列有序,固体类型,12,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,目前使用的半导体大部分是典型的单晶半导体，为了了解半导体内原子排列的结构，首先需要研究如何描述原子在晶体内的空间位置。一个典型单元或原子在三维的每一个方向上按照某种间隔重复排列就形成了单晶。,13,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,金刚石结构可以认为是缺4个顶角原子的体心立方结构。也可将其视为正四面体结构，其基本特征是中心一个原子与位于四面体四个顶点处四个原子连接形成。,14,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,15,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,研究半导体材料的电学特性的重要目的在于利用它进一步研究半导体器件的电流-电压特性。能带理论是半导体材料物理的基本原理。晶格中电子的微观运动遵循不同于一般经典力学的量子力学规律，其基本特点包含以下两种运动形式：(1)电子做稳恒运动，具有完全确定的能量。这种稳恒运动称为量子态，而且同一个量子态上只有一个电子(2)在一定条件下，电子可以从一个量子态转移到另一个量子态的突变，这种突变称为量子跃迁。,能带,16,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,当原子处在基态时，原子核外电子的排布遵循三个原则：(1)泡利不相容原理(2)能量最低原理(3)洪特规则,根据泡利不相容原理，我们得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。第一电子层（K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子(所以8个电子时为稳定状态)；第三电子层（M层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。,能带,17,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,能量最低原理在满足泡利原理前提下，电子将按照使体系总能量最低的原则填充。洪特规则洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；二是对于同一个电子亚层，当电子排布处于全满（s2、p6、d10、f14）半满（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。,能带,18,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,对于有规律的周期性排列的原子，每个原子都包含不止一个电子。假设这个晶体中的电子处于n=3能级上。如果最初的原子相距很远，相邻原子的电子没有互相影响，而各自占据分立能级。当把这些原子聚集在一起时，在n=3最外壳层的电子就会相互作用，并分裂成能带。如果原子继续靠近，n=2壳层上的电子就开始相互作用分立成能带。最终如果原子间距足够小，n=1最里层电子也开始相互作用并分裂成能带。,能带,19,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体晶体中电子能量不像自由电子那样连续，也不像孤立原子那样是一个个分立的能级，而是形成能带，每一个能带包含了大量的能量很近的能级。能带之间的间隙叫禁带，一个能带到另外一个能带的能量差称为禁带宽度。,能带,20,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最高的能带禁带：在量子力学理论中，晶体中不可以容纳电子的一系列能级带隙：也叫禁带宽度，就是导带低到价带顶之间的能量差,能带,21,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,T=0K时，半导体中的电子的最高填充带(称作价带)是满带，而满带的上一个能级（称为导带）是空带，所以半导体不导电。当温度升高或其它外界因素作用下，价带顶附近的一些电子就可以获得一些能量被激发到上面的导带底附近，结果使原先的空的导带变为半满带，而价带顶同时出现一些空的量子态也成了半满带，这时导带和价带的电子都可以参与导电。,能带,22,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,能带,23,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体之间也形成共价键，以典型的Si原子为例，每个原子有4个价电子，还需要4个价电子才能填满价层。每个硅原子同周围4个硅原子各形成共用电子对。,载流子,24,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,1.每个硅原子外层有8个电子，因此所有的原子都是满价带结构。2.纯净的硅所有的价电子都用于形成晶格，没有自由电子，所以纯净的硅是一种不良导体。,载流子,25,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,载流子,26,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,晶格中存在无规则热运动，虽然一个电子的平均热能较小，常温下约为0.04eV，但是能量是随机分布的，所以某些电子就拥有较高的能量，大到足以脱离共价键的时候，电子就会离开晶格。这时晶格产生一个空位，原先满价层的原子现在少了一个价电子，因此带正电。当然，如果电离的原子能从邻近的原子获得一个电子，便可以回到满价带状态。这个也很容易做到，因为它还和邻近的3个原子共享电子。这个电子空位没有消除，它只不过转移到邻近的一个原子中，随着空位在不同原子之间转移，就好像在晶格中移动一样，这个移动的空位便称为空穴。,载流子,27,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,概念：电子（Electron）、空穴（Hole）、载流子（Carrier）电子：热运动中脱离共价键的“自由”价电子空穴：在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。载流子：半导体中电子和空穴统称为载流子,常用定义：n半导体中自由电子浓度p半导体中空穴浓度,载流子,28,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,与热振动相同，光、辐射、电子轰击、快速热处理、机械摩擦等方法都可以产生载流子。比如：波长足够短的光能够产生电子-空穴对。当晶格吸收一个光子后出现足够的能量转移就可以打破共价键，从而产生自由电子和自由空穴。只有在光子具有足够打破共价键的能量的情况下，光产生才能出现。这也是要求光波长要足够短的缘故。在大多数半导体中，可见光具有足够的能量来产生电子-空穴对，太阳能电池就是利用这种现象把太阳光转化为电流的。,载流子,29,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,本征半导体材料在适量的温度下，会产生多少的电子和空穴？,当共价键断开时，产生一个电子和一个空穴，此时,引入ni来定义电子和空穴的数量,即,所以常用ni来表示本征载流子浓度,载流子,30,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,在室温下（300K），本征载流子浓度同时本征载流子浓度和温度有关，温度越高，本征载流子浓度越高。,载流子,31,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体掺杂,以硅为例，在硅中掺入V族元素杂质，这些V族杂质会替代原来硅原子的位置，与周围的硅原子形成共价键，多余的一个电子便成了能够导电的自由电子，本身变成带正电的离子，通常我们称这种杂质为施主杂质。这种半导体依靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体称为n型半导体。,32,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体掺杂,如果在硅中掺入族杂质，替代原有硅原子位置，由于族元素最外层只有3个价电子，以周围硅原子产生共价键时，产生一个空穴，而本身接受一个电子称为带负电的离子，通常我们称这种杂质为受主杂质。这种半导体主要依靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体称为p型半导体。,33,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,半导体掺杂,概念:本征半导体（Intrinsicsemiconductor）、非本征半导体本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料非本征半导体：进行了定量施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征半导体浓度产生多数载流子电子或载流子空穴的半导体。概念:受主（Acceptoratoms）、施主(Donoratoms)受主：为了形成P型材料加入半导体内的杂质原子。施主：为了形成N型材料加入半导体内的杂质原子。,34,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,概念:n型半导体、p型半导体n型半导体：当半导体中掺入施主杂质，并主要依靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体称为n型半导体。p型半导体：当半导体中掺入受主杂质，并主要依靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体称为p型半导体。,35,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,36,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,假设在硅晶体中掺入磷，磷是族元素，有5个价电子。磷原子将其中的4个与周围的原子共享，4对共价电子为磷原子提供了8个共享电子，加上一个未共享的电子，最后总共有9个价电子，由于8个电子就可以填满价层，因此没有空间提供给第9个电子。这个电子便被磷原子中排斥出来，自由游荡于晶格结构中。,37,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,38,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,假设在硅晶体中掺入硼，硼是族元素，有3个价电子。磷原子试图与与周围的4个原子共享价电子，但是由于它只有3个价电子，因而不能形成第4个键。这样硼原子周围只有7个价电子，因此必须从邻近的硅原子中夺取一个价电子，于是形成了空穴，这个空穴可以移动并且很快离开了硼原子。,39,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,在非本征半导体中，我们仍然使用本征载流子浓度来表征掺杂半导体内载流子的分布情况：,40,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,假设用Nd来定义施主杂质的浓度，,（1）如果施主浓度,时掺杂浓度可以忽略不计,（和本征半导体相似）,（2）如果施主浓度,时，电子浓度等于掺杂,浓度,41,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,例如,一般,如果掺杂浓度大到一定程度会发生简并：杂质之间的距离缩小，开始互相作用。,42,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,43,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,假设用Na来定义受主杂质的浓度，,（1）如果受浓度,时掺杂浓度可以忽略不计,（和本征半导体相似）,（2）如果受主浓度,时，电子浓度等于掺杂,浓度,44,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,（3）如果受主浓度,时，,必须用电中性方程求解，受主电离后形成带负电的带电粒子：,解得,45,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,例如,一般,如果掺杂浓度大到一定程度会发生简并：杂质之间的距离缩小，开始互相作用。,46,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,47,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,概念:多子、少子在n型半导体中，np,电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在p型半导体中，pn,空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,48,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,概念:补偿半导体补偿半导体：在同一区域同时含有施主杂质和受主杂质原子的半导体。可以通过向n型材料扩散受主杂质或向p型材料扩散施主杂质来形成补偿半导体。当NDNA时，形成n型补偿半导体；当NAND时，形成p型补偿半导体；当ND=NA时，形成完全补偿半导体。补偿半导体是集成电路器件制造工艺的基础。,49,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,50,微电子器件与电路2011-CH1-,半导体物理基础知识,杂质能级：半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态。杂质量子态的能级处于禁带中，掺杂就是在禁带中引入能级。施主靠近导电，所以施主的杂质的电子跃迁入导带，形成正电子，受主靠近价带，受主杂质容易吸收价带电子，形成负离子。浅能级：离导带或者价带很近，电离能很小深能级：离导带或者价带教远，电离能较大,51,微电子器件与电路2011-CH1-,本节课大纲,半导体物理基础知识半导体中载流子的输运,一沙一世界,52,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,热运动,在热平衡半导体中载流子并不是固定不动的：受Si原子振动的影响（晶格振动散射）受电离杂质离子的影响（电离杂质散射）,53,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,自由时间：热运动的特征时间常数指的是碰撞之前的时间热运动速度：在碰撞前，载流子会达到一个很高的速度，自由程：碰撞前载流子运动的距离,54,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,Si在室温下,55,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,在半导体中电子和空穴的净流动将产生电流，我们把载流子的这种运动过程称为输运，在接下来的这一部分我们将介绍半导体晶体中的两种输运机制：漂移运动：由电场引起的载流子输运现象。扩散运动：由浓度梯度引起的载流子输运现象。,56,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,电场对处于其中的任何载流子都会施加作用力。,在碰撞之前，载流子在电场中被加速,57,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,电荷在半导体材料中由于每次碰撞时间不同，导致其每次碰撞的峰值速度不一样。每次碰撞的平均速度为峰值速度的一半，和每次碰撞过程的平均速度相比，我们更关心的是宏观的平均速度.,58,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,顺着电场方向的平均速度,被称为漂移速度，单位是,59,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,对电子，漂移速度同电场之间的关系满足：,对空穴，漂移速度同电场之间的关系满足：,60,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,显然，迁移率的物理意义就是指在单位电场作用下，载流子获得漂移速度的绝对值。,如果意味着碰撞的平均时间增加，EX：重掺杂下迁移率下降如果，粒子质量小，,61,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,62,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,1.在低掺杂情况下，迁移率u受晶格间的碰撞决定，且晶格散射同温度有关，温度越高，散射越厉害，迁移率越低。2.中等及重掺杂情况下，迁移率u受电离的杂质的碰撞来决定，电离杂质散射同电离杂质总浓度有关。3.空穴比电子迁移率低，导电的电子是在导带中，它是脱离了共价键可以再半导体中自由移动的电子；而空穴是在价带中，空穴实际电流是代表了共价键的电子在价键间运动时产生的电流，显然同等场强下的。导带中电子的平均漂移速度要快些，也就是说电子的迁移率要大些。,63,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,欧姆定律：在导体两端施加电压V，导体内会形成电流，电流强度：,电阻R与导体长度l成反比，与截面积s成反比，即,64,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,宏观的欧姆定律并不能说明半导体内部各处电流的分布情况，所以半导体中经常使用电流密度来描述电流强度的情况。内部电流密度：,所以欧姆定律为：,65,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,电流密度同平均漂移速度的关系：导体内截面的电流强度是每秒通过截面的电量：假设电子浓度是n,则单位时间,66,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,半导体内部电场恒定时，电子应该具有一个恒定不变的平均漂移速度。电场强度增加，电流密度也相应增加，因此平均漂移速度也随着E增加而增大。平均漂移速度的大小与电场强度成正比。,所以，电流密度,67,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,带电粒子沿着某方向的运动会形成电流,漂移电流密度,载流子漂移速度载流子浓度载流子电荷,68,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,在半导体中无论是电子还是空穴都会参与导电：,69,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,漂流电流密度：,根据欧姆定律,半导体电阻率公式,70,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,71,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,图中所示的是电子和空穴的平均漂移速度与外加电场的关系曲线。在弱电区，漂移速度虽电场强度线性变化，漂移速度的-电场曲线的斜率即为迁移率。在强电区，载流子的漂移速度严重偏离了弱电场区的线性关系。硅的电子漂移速度在外加电场强度约30KV/cm时达到饱和，那么漂移电流密度也达到了饱和，不再随着外加电场变化。,72,微电子器件与电路2011-CH1-,载流子的输运,载流子的漂移速度其实是热运动和载流子在电场中运动速度的综合效果1）低场强下，受电场作用下的漂移速度影响，所以载流子