半导体器件物理CH1

1、 S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Jahn Wiley & Sons, Inc. 1981. 施敏施敏 著著, 黄振岗译黄振岗译, 半导体器件物理半导体器件物理，电，电 子工业出版社子工业出版社, 1987. 王家骅等编著，王家骅等编著，半导体器件物理半导体器件物理，科学出，科学出 版社，北京，版社，北京，1983。 施敏施敏(S.M. Sze)主编，主编，现代半导体器件物现代半导体器件物 理理，科学出版社，北京，科学出版社，北京，2001。 l第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础 晶体结构，能带论，

2、晶格振动，半导体统计，晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计， 非平衡载流子输运非平衡载流子输运, 器件工作基本方程器件工作基本方程 l第二章第二章 半导体接触半导体接触 P-N结结 异质结异质结 金属金属-半导体接触半导体接触 半导体绝缘体半导体绝缘体 M I S l第三章第三章 典型半导体器件典型半导体器件 3.1 3.1 双极结型晶体管双极结型晶体管 基本工作原理，输出特性，等效电路，异质结双极晶体管基本工作原理，输出特性，等效电路，异质结双极晶体管(HBT)(HBT) 3.2 3.2 场效应晶体管场效应晶体管 结型场效应晶体管结型场效应晶体管, MOSFET, MOSFET的基本工作原

3、理和电荷控制模的基本工作原理和电荷控制模 型型,C-MOS,C-MOS器件的基本工作原理器件的基本工作原理, ,异质结场效应晶体管异质结场效应晶体管, ,非晶薄膜非晶薄膜 晶体管晶体管 3.3 3.3 光电子器件光电子器件 LEDLED和半导体激光器和半导体激光器, ,光探测器光探测器, ,太阳能电池太阳能电池, ,集成光电子学集成光电子学 3.4 3.4 专用微波器件专用微波器件 隧道二级管隧道二级管,IMPATT,IMPATT器件器件, ,体效应器件体效应器件 l第四章第四章 新型半导体器件新型半导体器件 超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半导体超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半导体 1

4、.1 半导体材料半导体材料 1.2 晶体结构晶体结构 1.3 能带能带 1.4 热平衡时的载流子浓度热平衡时的载流子浓度 1.5 载流子输运载流子输运 1.6 半导体的声子谱以及光学、热学和高场性质半导体的声子谱以及光学、热学和高场性质 1.7 半导体器件工作的基本方程半导体器件工作的基本方程 固体材料根据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体固体材料根据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体 ：熔凝石英、玻璃：熔凝石英、玻璃 ：1010-18 -18-10 -10-8 -8 S/cm S/cm 硅、砷等，硅、砷等， 介于绝缘体与导体之间，介于绝缘体与导体之间， 且对温度、光照、磁场及杂且对温度、

5、光照、磁场及杂 质原子等敏感质原子等敏感电子应用领电子应用领 域中最重要的材料之一。域中最重要的材料之一。 铝、银等，铝、银等， ：104-106 S/cm 绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围。绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围。 元素与化合物半导体元素与化合物半导体 Si 60年代初年代初 Ge 50年代初年代初 SiC AlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb InAs InP InSb CdS CdSe CdTe ZnS ZnSe ZnTe PbS PbTe 绝大多数绝大多数 半导体器半导体器 件都是用件都是用 硅材料制硅材料制 作的作的 微波、光电微波、光电 器件器件

6、主要用来制作主要用来制作 微光电器件，微光电器件， 红外器件和光红外器件和光 电池。电池。 半导体材料半导体材料形态形态 非晶非晶 多晶多晶晶体晶体 非晶态半导体：非晶态半导体： 原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻 体，但在达到一定值的外界条件体，但在达到一定值的外界条件( (如电场、光、温度等如电场、光、温度等) )时，呈现时，呈现 出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元 件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等。件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等。

7、晶体：晶体：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。 多晶：多晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶, ,保留了单晶保留了单晶 的基本性质，总体性质上表现出各向同性。的基本性质，总体性质上表现出各向同性。 半导体材料半导体材料的制备的制备 从熔体中制备从熔体中制备 Growth from melt： Czochralski（提拉法）（提拉法）:利用子晶生长利用子晶生长 Slice boule into wafers: Zone refining: 外延生长外延生长 Epitaxial growth

8、: CVD、PVD方法方法(非晶薄膜非晶薄膜）： 晶体晶体 晶体晶体 Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞单胞来描述，来描述， 重复重复单胞单胞能够形成整个晶格。能够形成整个晶格。 三种立方晶体三种立方晶体单胞单胞 简单立方简单立方 Cubic (P Mn) 体心立方体心立方 bcc Body center (Na,W,etc) 面心立方面心立方 fcc (Al,Au,etc) x z y a x z y a x z y a 金刚石结构金刚石结构

9、，属立方晶系，属立方晶系， 由两个面心立方子晶格相互由两个面心立方子晶格相互 嵌套而成。嵌套而成。 硅，锗，硅，锗，每个原子有四个最每个原子有四个最 近邻。近邻。 闪锌矿结构闪锌矿结构， 两种元素，两种元素，GaAs, GaP等等 纤锌矿结构纤锌矿结构，CdS, ZnS 化合物半导体的两种单胞化合物半导体的两种单胞 岩盐结构岩盐结构，PbS, PbTe 晶向晶向：从坐标原点到点：从坐标原点到点 （u , ,w） 的直线的直线 1。特定的方向用方括号表示：。特定的方向用方括号表示： u w 2。晶向指数。晶向指数 u， ，w 是一组最小的指数，是一组最小的指数，1/2 1/2 1112 3。负指

10、数。负指数 w 4。由对称性决定的等效晶向。由对称性决定的等效晶向u 基失基失: 基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点的矢量）不过任何基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点的矢量）不过任何 阵点阵点 。取一原点。取一原点O，选，选 三个基本平移矢量。任何一平移矢三个基本平移矢量。任何一平移矢 量量 ，都可用，都可用 表示表示: 晶面晶面：在坐标轴上截距为：在坐标轴上截距为1/ 的平面的平面1/2 1/2 1112 h cba , R cba , cwbauR 一些半导体材料的晶体结构和晶格常数一些半导体材料的晶体结构和晶格常数 元素元素/化合物化合物 名称名称晶体结构晶体结构晶格常数（晶

11、格常数（300K) 元素半导元素半导 体体 C Ge Si Sn Carbon(Diamond) Germanium Silicon Grey Tin Diamond Diamond Diamond Diamond 3.56679 5.65748 5.43086 6.4892 IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358 III-VAlSb BN BP GaN GaSb GaAs GaP InSb InAs InP Aluminum antimonide Boron nitride Boron phosphide Gallium nitride Gallium

12、antimonide Gallium arsenide Gallium phosphide Indium antimonide Indium arsenide Indium phosphide Zincblende Zincblende Zincblende Wurtzite Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende 6.1355 3.615 4.538 a=3.186, c=5.176 6.0955 5.6534 5.4505 6.4788 6.0585 5.8688 元素元素/化合物化合物名称名称晶体

13、结构晶体结构晶格常数晶格常数 （300K) II-VICdS CdS CdSe ZnO ZnS ZnS Cadmium sulfide Cadmium sulfide Cadmium selenide Zinc oxide Zinc sulfide Zinc sulfide Zincblende Wurtzite Zincblende Cubic Zincblende Wurtzite 5.832 a=4.16, c=6.756 6.05 4.58 5.42 a=3.82, c=6.26 IV-VIPbS PbTe Lead sulfide Lead telluride Cubic Cubic

14、 5.935 6.460 一些半导体材料的晶体结构和晶格常数一些半导体材料的晶体结构和晶格常数 cba cb a 2* cba dc b 2* cba ba c 2* 2* aa0* ba *lckbhaG 为整数为整数lkh, 3 )2(* VV 1。能带的形成。能带的形成 近自由电子近似近自由电子近似 紧束缚近似紧束缚近似 k空间和态密度空间和态密度 金属、半导体、绝缘体的能带金属、半导体、绝缘体的能带 直接和间接禁带直接和间接禁带 带隙的温度依赖带隙的温度依赖 2。电子和空穴有效质量。电子和空穴有效质量 1.3.1 能带的形成能带的形成 近自由电子近似近自由电子近似 紧束缚近似紧束缚近似

15、 k空间和态密度空间和态密度 金属、半导体、绝缘体的能带金属、半导体、绝缘体的能带 直接和间接禁带直接和间接禁带 带隙的温度依赖带隙的温度依赖 mkhkE2/)( 22 一维近自由电子模型的能带和带隙一维近自由电子模型的能带和带隙 当晶体周期势比较弱时当晶体周期势比较弱时,可以将其作为微扰来处可以将其作为微扰来处 理理, 即用近自由电子模型来代替自由电子模型。即用近自由电子模型来代替自由电子模型。 适合于简单金属适合于简单金属(Na,K,Al)和窄带隙半导体。和窄带隙半导体。 由于周期微扰势的存在，在由于周期微扰势的存在，在Brillouin区边界产生带隙，即能谱中出区边界产生带隙，即能谱中出

16、 现禁带。现禁带。 k E 0 /a2/a3/a-3/a - 2/a /ak E 0 /a/a -Linear combination of atomic orbitals 孤立原子孤立原子电子能级分立电子能级分立 晶体晶体 由大量的原子结合而成由大量的原子结合而成 各原子的电子轨道有不同程度的交叠各原子的电子轨道有不同程度的交叠 电子的运动出现共有化电子的运动出现共有化 单一的能级分裂成单一的能级分裂成N N个新的能级个新的能级 N N个新能级之间的差别较小，个新能级之间的差别较小，N N很大，因此成为具有一定宽度的能带很大，因此成为具有一定宽度的能带 原子原子晶体晶体 g E 导带导带 价

17、带价带 nm543. 0L L晶格间距晶格间距 使孤立的硅原子彼此接近组成金刚石结构晶使孤立的硅原子彼此接近组成金刚石结构晶 体时形成能带体时形成能带 价带全满价带全满 导带全空导带全空 eVE g 5 价电子与近邻原子形成强价电子与近邻原子形成强 键，很难打破，没有电子键，很难打破，没有电子 参与导电。参与导电。 能带图上表现为大的禁带能带图上表现为大的禁带 宽度，价带内的能级被填宽度，价带内的能级被填 满，导带空着，热能或外满，导带空着，热能或外 场不能把价带顶的电子激场不能把价带顶的电子激 发到导带。发到导带。 近邻原子形成的键结合强度近邻原子形成的键结合强度 适中，热振动会使一些键破适

18、中，热振动会使一些键破 裂，产生电子和空穴。裂，产生电子和空穴。 能带图上表现为禁带宽度较能带图上表现为禁带宽度较 小，价带内的能级被填满，小，价带内的能级被填满， 一部分电子能够从价带跃迁一部分电子能够从价带跃迁 到导带，在价带中留下空穴。到导带，在价带中留下空穴。 外加电场，导带电子和价带外加电场，导带电子和价带 空穴都将获得动能，参与导空穴都将获得动能，参与导 电。电。 导带或者被部分填充，或者导带或者被部分填充，或者 与价带重叠。与价带重叠。 很容易产生电流很容易产生电流. . 导带导带 半满带半满带 价带价带 价带价带 导带导带 eVE g 1 大多数半导体的能隙随温大多数半导体的能

19、隙随温 度的升高而减少。度的升高而减少。 , , , L m k L l k L n k z y x 1.3.2 有效质量有效质量 1 2 2 2* 1 2 2 2* 1 2 2 2* )( )( )( z z y y x x k E m k E m k E m 1 12 3 lt cn mm m 3/1 2 ltdn mmm top E Ec dEEFENn)()( )exp( kT EE Ncn FC )exp( kT EE Np VF V i npn iF EE )ln( 22 C VVC N NkTEE )/exp( 2 kTENNnnp gVCi pNn D )exp( 1 1 1

20、1 kT EE g NN FD DD )exp( )exp(21 1 )exp( kT EE N kT EE N kT EE N FV V DF D FC C nNp A )exp(1 1 kT EE g NN FA AA )exp( )exp(1 1 )exp( kT EE N kT EE g N kT EE N FC C FA A VF V )exp( 2 1 kT E NN d CA )/exp() 2 (kTEN N NN n dC A AD AdCD NkTENN)/exp( 2 1 当 )2/exp()( 2 1 2/1 kTENNn dCD )( DCd EEE )/exp( 2

21、 kTENNnnp gVCi DA NpNn ADiAD NNnNN|若 Dno Nn Dinoino Nnnnp/ 22 )ln( D C FC N N kTEE)ln( i no iF n n kTEE DAiDA NNnNN|若 Apo Np Aipoipo Nnpnn/ 22 )ln( A V VF N N kTEE )ln( i po Fi n p kTEE E 1 ) 11 ( il 载流子扩散系数载流子扩散系数与迁移率有关的重要参数与迁移率有关的重要参数 对于非简并半导体，即对于非简并半导体，即np np （n n型半导体）型半导体） JE 电导率电导率 ： /1 EJ 对有电子

22、和空穴两种载流子的半导体：对有电子和空穴两种载流子的半导体： )( 11 pnq pn nq n 1 nq n 霍尔效应霍尔效应 为了直接测量载流子浓度，最常用的方为了直接测量载流子浓度，最常用的方 法是霍尔效应法。法是霍尔效应法。 zxHyy BJRWVE )/( 霍尔系数霍尔系数 ) 1 ( qn rRH ) 1 ( qp rR H 霍尔迁移率：霍尔迁移率： | HH R 复合过程复合过程 每当物理系统的热平衡状态受到扰动，即每当物理系统的热平衡状态受到扰动，即pn ni2 系统要恢复平衡系统要恢复平衡 ，复合过程复合过程 辐射过程辐射过程 俄歇过程俄歇过程 对于具有直接带隙的大多数对于具

23、有直接带隙的大多数 III- V族化合物是最重要的族化合物是最重要的 电子俘获、电子发射、电子俘获、电子发射、 空穴俘获、空穴发射。空穴俘获、空穴发射。 p nn pp U 0 )( 0nntthp ppNU tthp p N 1 )(Egh ) 1 ( x T P x E q J F 描述在外场作用下，半导体内载流子的静态和动态行为的方程。描述在外场作用下，半导体内载流子的静态和动态行为的方程。 三类：麦克斯韦方程，电流密度方程，连续性方程。三类：麦克斯韦方程，电流密度方程，连续性方程。 均匀各向同性材料的麦克斯韦方程：均匀各向同性材料的麦克斯韦方程： t B E totcond JJ t D H ),(zyxD 0 B t s t dtrEtttrD),()(),( tot cond