半导体物理与器件市公开课获奖课件

1、半导体物理与器件中北大学电子科学与技术系梁 庭E-mail: Tel: 3924960 158340126319月3日1第一章 绪论固体晶格结构第1页第1页教材与参考书推荐教材电子工业出版社出版半导体物理与器件，作者Donald A.Neamen。2参考书：刘恩科 半导体物理学，西安交通大学出版社，顾祖毅，田立林等半导体物理学， 电子工业出版社，1995半导体器件 物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译 2第一章 绪论固体晶格结构第2页第2页学时分派本课程讲授内容 第一章 固体晶体结构（2学时） 第三章 固体量子理论初步 （6学时） 第四章 平衡状态下半导体（7学时） 第五章 载

2、流子输运与过剩载流子现象（7学时） 第六章 半导体中非平衡过剩载流子 （9学时） 第七章 PN结 （4学时） 第八章 pn结二极管 （7学时） 第九章 金属半导体和半导体异质结 （5学时） 第十章 双极晶体管（10学时） 第十一章 金属/氧化物/半导体场效应晶体管基础（10学时） 第十二章 小尺寸MOS器件物理（5学时）总计：72学时3第一章 绪论固体晶格结构第3页第3页 本课程目的 通过本课程学习，学生将全面理解电子科学与技术与微电子学专业基础知识与基本技能、应用领域及研究热点、学科方向与发展趋势等内容，为学生进入相关研究领域或相关交叉学科，打下一个初步基础。4第一章 绪论固体晶格结构第4页

3、第4页 考核与记分方式平时成绩占20，期末考试占80。考试采用闭卷形式。5第一章 绪论固体晶格结构第5页第5页课程意义半导体器件在人们生活中主要作用信息领域：计算机及网络设备（CPU、Memory、Chips）通信（移动电话）能源领域：电源、机车、电机、马达、电力输送、节能、环境保护、自动化军事领域：尖端智能武器、光探测器、测距消费类：随身听、音频数字信号处理、光笔、电子表、汽车电子（电动车门、电喷、照明）、空调、彩电半导体微电子IC电子计算信息技术老式行业现代文明6第一章 绪论固体晶格结构第6页第6页这门课主要内容半导体物理固体晶格机构固体量子理论初步平衡半导体载流子输运现象半导体中非平衡过

4、剩载流子pn结Pn结二极管金属半导体和半导体异质结半导体器件双极晶体管 金属氧化物半导体场效应晶体管基础 小尺寸MOS器件物理 7第一章 绪论固体晶格结构第7页第7页第一章 绪论固体晶格结构1.1 半导体材料典型半导体及分类1.2 固体类型三种固体形态1.3 晶体空间点阵结构晶体学基本概念和基本晶格结构1.4 晶体中原子之间价键离子、原子、金属及分子晶体1.5 晶体中缺点与杂质缺点类型和杂质类型1.6 半导体单晶材料生长单晶材料及外延生长1.7 小结8第一章 绪论固体晶格结构第8页第8页1.1 半导体材料半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体物质9第一章 绪

5、论固体晶格结构第9页第9页半导体基本特性电阻率介于10e-310e6.cm，可改变区间大，介于金属（10e-6.cm）和绝缘体（10e12.cm）之间纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数不同掺杂类型半导体做成pn结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，能够有整流效应含有光敏性，用适当波长光照射后，材料电阻率会改变，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子10第一章 绪论固体晶格结构第10页第10页1.1 半导体材料元素半导体与化合物半导体11第一章 绪论固体晶格结构第11页第11页1.1 半导体材料构成半导体材料主要元素及其在周期表中位置以四族元

6、素对称III-V族和II-VI化合物半导体氮化物？氧化物？I-VII12第一章 绪论固体晶格结构第12页第12页1.2 固体类型固体：处于凝固状态下物体，通常含有一定形状和体积。按其内部原子排列情况可分为下列三种主要结构类型，即单晶、多晶和非晶。固体材料三种主要结构类型及其特性：（1）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包括整块晶体材料，普通在毫米量级以上）；（2）多晶：长程无序，短程有序（团队有序，成百上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通常是在微米量级）；（3）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包括几种原子或分子尺度，即纳米量级，普通只有十几埃至几十埃范围）13第一

7、章 绪论固体晶格结构第13页第13页1.2 固体类型单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包括整块晶体材料，普通在毫米量级以上）；多晶：长程无序，短程有序（团队有序，成百上千个原子尺度，每个晶粒尺寸通常是在微米量级）；非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包括几种原子或分子尺度，即纳米量级，普通只有十几埃至几十埃范围）单晶有周期性非晶有周期性多晶短区域内周期性14第一章 绪论固体晶格结构第14页第14页1.3 晶体空间点阵结构固体最终形成使系统能量最小结构保持电中性（静电能最小）使离子间强烈排斥最小使原子尽也许靠近满足键方向性因为组成晶体粒子不同性质，使得其空间周期性

8、排列也不相同；为了研究晶体结构，将组成晶体粒子抽象为一个点，这么得到空间点阵成为晶格15第一章 绪论固体晶格结构第15页第15页1.3 晶体空间点阵结构晶格周期性晶格周期性通惯用原胞和基矢来描述。原胞：一个晶格最小周期性单元原胞选取不是唯一;三维晶格原胞通常是一个平行六面体16第一章 绪论固体晶格结构第16页第16页1.3 晶体空间点阵结构晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上周期为边长所组成平行六面体。它是晶体中一个小单元，能够用来不停重复，从而得到整个晶体，通常能够反应出整块晶体所含有对称性相同点用来描述晶体中晶格周期性最小重复单元不同点：固体物理学：原胞只强调晶格周期性，

9、其最小重复单元为原胞 结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布对称性。17第一章 绪论固体晶格结构第17页第17页1.3 晶体空间点阵结构基矢：晶胞三个互相独立边矢量。如：简立方晶格立方单元就是最小周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：18第一章 绪论固体晶格结构第18页第18页1.3 晶体空间点阵结构立方晶系基本晶体结构：常见三个基本立方结构及其晶格常数，分别是简朴立方、体心立方和面心立方，立方体边长即为晶格常数。（1）简朴立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC）19第一章 绪论固体晶格结构第19页第19页1.3 晶体空间点阵结构简朴立方结

10、构Simple Cubic20第一章 绪论固体晶格结构第20页第20页1.3 晶体空间点阵结构体心立方结构Body-Centered-Cubic21第一章 绪论固体晶格结构第21页第21页1.3 晶体空间点阵结构面心立方结构Face-Centered-Cubic22第一章 绪论固体晶格结构第22页第22页1.3 晶体空间点阵结构晶向指数晶体一个基本特点是含有方向性，沿晶体不同方面晶体性质不同。晶格格点，能够当作份列在一系列相互平行直线系上，这些直线系称为晶列。同一个格子能够形成方向不同晶列每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向晶向用晶向指数标识23第一章 绪论固体晶格结构第23页第23页1.

11、3 晶体空间点阵结构晶向指数确实定：假如沿着某一晶向，从一个原子到最近原子位移矢量为： ，则该晶向就用l1、l2、l3来标志，写成l1 l2 l3。标志晶向这组数称为晶向指数。以简立方晶格为例24第一章 绪论固体晶格结构第24页第24页1.3 晶体空间点阵结构立方边，面对角线， 体对角线都不止一个，它们晶向指数拟定办法和以上同样，涉及到负值指数，按惯例，负值指数用头顶上加一横来表示：用表示时代表所有等效晶向。25第一章 绪论固体晶格结构第25页第25页1.3 晶体空间点阵结构晶面：晶格格点还能够当作份列在平行等距平面系上，这样平面称为晶面，26第一章 绪论固体晶格结构第26页第26页1.3 晶

12、体空间点阵结构晶面指数详细讨论晶体时，经常要谈及一些详细晶面，因此需要有一定方法标志不同晶面，惯用是所谓密勒指数。密勒指数能够这么确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点位矢分别为ra1、sa2、ta3，则它们倒数连比可化为互质整数，即其中h、k、l为互质整数，晶体学中以（hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。27第一章 绪论固体晶格结构第27页第27页1.3 晶体空间点阵结构简立方格子中主要晶面侧面（100）、对角面（110）、顶对角面（111）28第一章 绪论固体晶格结构第28页第28页1.3 晶体空间点阵结构等效晶

13、面立方晶体中立方体共有6个不同侧面，因为晶格对称性，晶体在这些晶面性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成100；对角面共有12个，统称这些对角面时，写成110；顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成111；29第一章 绪论固体晶格结构第29页第29页1.3 晶体空间点阵结构 金刚石结构与闪锌矿结构：图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构套构形成。30第一章 绪论固体晶格结构第30页第30页当Si原子形成晶体时，本来在s 轨道上二个价电子，有一个被激发到了p 轨道，形成s、px 、py 、pz四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合”起来重新构成四个等价轨道，这

14、种轨道称为SP3杂化轨道，这样这四个电子，在四个新等价轨道上， 都成为未配对电子，并且它们电子云分布基本上是单侧地伸向四周体四个顶角，当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多角度，也就是四周体顶心这种角度进行(10928)。31第一章 绪论固体晶格结构第31页第31页当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多角度，也就是四周体顶心这种角度进行(10928)。在III族AIIIB)和族(AB)化合物半导体中，每对A,B原子， 亦完毕SP3杂化，然后，每个A原子与四周4个B原子形成正四周体，每个B原子同样同四周4个A原子形成正四周体,如GaAs。从正四周体搭接方式看正四周体搭接时能够有两种形式，称为

15、重叠组态和交错组态。32第一章 绪论固体晶格结构第32页第32页闪锌矿结构是以交错组态搭接方式构成，假如搭接成晶体正四周体，顶、心原子相同时，即元素半导体，搭接方式一定为闪锌矿结构，此时称之为金刚石结构；33第一章 绪论固体晶格结构第33页第33页金刚石结构与闪锌矿结构物理化学性质 解理面金刚石结构解理面为111面。由于111 面双厚子层与双原子层之间键面密度最低，面间距最大，因而最容易断开；如Si、Ge等元素半导体材料。任何两个近邻原子连线都沿一个111方 向。处于四周体顶点两个原子连线都沿一个110方向。四周体不共顶点两个棱中心连线都沿一个100方向。34第一章 绪论固体晶格结构第34页第

16、34页闪锌矿解理为110面相比之下，每个110面都是由等量A、B原子构成，面与面间没有附加库仑作用，并且面间键面密度较小，因此相比之下，比111面更容易打开，因而成为解理面； 如GaAs、InP等化合物半导体材料。因为组成闪锌矿双厚子层为不同原子层，因为原子电负性不同，电子云会偏向电负性大那一层原子，这么分别由两种不同原子组成面所形成双原子层就成为了一个电偶极层，偶极层之间库仑作用使得双原子层间结合加强。35第一章 绪论固体晶格结构第35页第35页化学腐蚀速度 对于金刚石结构，其化学腐蚀速度沿111、100、110依次变快。对于闪锌矿结构,111面两端由不同原子组成，造成两端面性质不同，造成在

17、此方向两端面腐蚀速度不同。如GaAs，As面比Ga面更容易腐蚀；普通将电负性强一面(As 面) 称为( )面，电负性弱一面(Ga面)称为(111)面。36第一章 绪论固体晶格结构第36页第36页1.4 晶体中原子之间价键原子或分子结合形成晶体，最后达到平衡时系统能量必须达到最低。1. 离子晶体：离子键（Ionic bonding），比如NaCl晶 体等；2. 共价晶体：共价键（Covalent bonding），比如 Si、Ge以及GaAs晶体等；3. 金属晶体：金属键（Metallic bonding），比如 Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、Cu、Au、Ag等；4. 分子晶体：范德华键（

18、Van der Waals bonding）， 比如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成份 子晶体，HF分子之间在低温下也通过范德华键形成 分子晶体。37第一章 绪论固体晶格结构第37页第37页硅材料中共价键形成示意图38第一章 绪论固体晶格结构第38页第38页1.5 晶体中缺点与杂质抱负单晶材料中不含任何缺点与杂质，且晶体中原子都处于晶格中平衡位置，实际晶体材料并非如此抱负和完美无缺，存在晶格热振动。一、点缺点分为空位，间隙原子及杂质空位与间隙原子由于晶格热振动，并且振动能量存在涨落总有一部分原子热运动能量大到能克服其所在位置热能，脱离格点位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置原子也许落

19、入晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺点；或移动到晶体表面，形成肖特基缺点；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独间隙原子。39第一章 绪论固体晶格结构第39页第39页反结构缺点对于化合物半导体存在一个反结构缺点，即应当是A原子格点上为B原子所占据，应为B原子格点为A原子所据。40第一章 绪论固体晶格结构第40页第40页杂质晶体中与本体原子不同元素原子均称为杂质。起源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中沾污，也有可能起源于人为引入，用以控制其电学及其它特性。杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式。间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如H、Li41第一章 绪论固体

20、晶格结构第41页第41页替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构靠近本体原子，如、族在Si、Ge(族)中情况；、族在化合物中。42第一章 绪论固体晶格结构第42页第42页杂质原子激活：人为引入杂质原子， 只有处于替位式时，才干激活，起到改变和控制半导体材料导电性作用。比如, 族元素原子掺入Si、Ge中，多以替位式存在。43第一章 绪论固体晶格结构第43页第43页晶体中引入杂质办法称为掺杂（Doping），掺杂办法可分为：（1）高温扩散掺杂（high temperature diffusion）（2）离子注入掺杂（Ion implantation）；当杂质存在浓度梯

21、度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温度，晶格尺寸密切相关。试验证实，扩散流密度J与杂质浓度梯度N/x成正比，有百分比系数D称为扩散系数，分析表明：W为杂质原子移动一个晶格位置需要能量，与晶格常数相关。能够看到，扩散系数和温度T呈指数关系，因而通常扩散工艺总是在高温下进行(700-1200)，以节约扩散时间。44第一章 绪论固体晶格结构第44页第44页二、线缺点指位错，分为两类，刃位错和螺位错刃位错、螺位错与混合位错刃位错45第一章 绪论固体晶格结构第45页第45页螺位错46第一章 绪论固体晶格结构第46页第46页三、面缺点主要指层错层错47第一章 绪论固体晶格结构第47页第47页1.6 半导体单晶材料生长硅单晶材料能够说是当前纯度最高一个材料，其纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料办法主要有下列几种：