第二章 集成电路的半导体器件

第二章集成电路的半导体器件

半导体的特性电子、空穴的状态半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件

二极管三极管MOS场效应晶体管集成电路（IC）是导体、半导体和绝缘体的有机组合体。但半导体在IC制造中起到根本性的作用。半导体是构成当代微电子的基础材料。

指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、等有源器件和电阻、电容等无源器件，按一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件2.1半导体的特性2.2PN结和晶体管2.3双极型晶体管2.4MOS场效应晶体管2.5集成电路的无源器件有源器件（器件工作时需要电源）导体：电阻率小于10-4Ω.cm，很容易导电，称为导体.如铜、铝、银等金属材料；绝缘体：电阻率大于1010Ω.cm，很难导电，称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；半导体：电阻率在10-3~109Ω.cm，导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅(Si)和锗(Ge)等半导体材料；2.1半导体的特性

2.1.1半导体材料2.1.2半导体的晶体结构2.1.3半导体中的电子状态2.1.4半导体的导电性2.1.1半导体材料半导体材料的构成元素(元素、化合物半导体）半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质硅作为集成电路半导体材料的主要原因：1.硅含量丰富（占地壳27%）；2.硅提纯和结晶方便；3.硅的器件工作温度高；4.SiO2膜的钝化和掩模作用是器件的稳定性以可靠性提高。2.1.2半导体的晶体结构1.金刚石型结构2.闪锌矿型结构3.纤锌矿型结构类型：

IV族元素C（金刚石）、Si、Ge、Sn(灰锡）的晶体。结合力：共价键力。特征：立方对称晶胞。1.金刚石型结构（D）

2.

-ZnS（闪锌矿）型结构（Z）类型：

III-V和II-VI族形成的化合物GaAs。结合力：共价键力部分离子键力成分。特征：立方对称晶胞。3.

-ZnS（纤锌矿）型结构（W）类型：

III-V和II-VI族形成的化合物GaN。结合力：共价键力部分离子键力成分。特征：六方对称晶胞。半导体晶体结构IVSiGeDDIII-VGaNGaPGaAsGaSbWZZZII-VIZnSeZnTeCdSeZZZ一些重要半导体的晶体结构2.1.3半导体中的电子状态

1能级与能带+

原子的能级（电子壳层）++共有化运动：1能级与能带2半导体中的电子与空穴3电子的有效质量+++++++原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动共有化运动——在晶体结构中，大量的原子按一定的周期有规则的排列在空间构成一定形式的晶格。如果原子是紧密堆积的，原子间间距很小。晶体中原子能级上的电子不完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。电子共有化的原因：电子壳层有一定的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。+N个原子逐渐靠近能带（允带）——固体中若有N个原子，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。禁带——允带之间没有能级的带。

原子彼此接近时的能级图并说明1.原子间距较大时，原子中的电子处于分立的能级；2.随着原子间距变小，每个分立的能级分裂成N个彼此相隔小的能级，形成能带；3.随着原子间距变小,能级分裂首先从外壳层电子开始（高能级），内壳层电子只有原子非常接近时才发生能级分裂；4.内壳层电子处于低能级，电子共有化运动弱，分裂成的能级窄；外壳层电子处于高能级，共有化运动显著，能级分裂的能带很宽；5.能带的宽度由晶体性质决定，与晶体大小（晶体包含的原子数N）无关，N越大，能带中的能级数增加，但能带宽度不会增加，只是能级的密集程度增加；6.能带的交叠程度与原子间距有关，原子间越小，交叠程度越大；7.在平衡间距处，能带没有交叠。自由电子孤立原子中的电子晶体中的电子不受任何电荷作用（势场为零）本身原子核及其他电子的作用严格周期性势场（周期排列的原子核势场及大量电子的平均势场）单电子近似理论：为了研究晶体中电子的运动状态，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。

2半导体中的电子与空穴电子具有波粒二象性，运动的电子看做物质波，就是电子波电子运动遵循电子的的波动方程——是薛定谔方程。定态薛定谔方程的一般式：动能势能电子运动的波函数一维晶格

0E

E与k的关系能带简约布里渊区允带允带允带允带禁带

0求解薛定谔方程：V(x)=V(x+na)其中：n=0n=1n=2

k的取值范围都是（n=整数）

第一布里渊区：以原点为中心的第一能带所处的k

值范围。第二、第三能带所处的k值范围称为第二、第三布里渊区，并以此类推。

有关能带被占据情况的几个名词：价带（满带）：填满电子的最高允带。导带：价带以上能量最低的允带。导带中的电子是自由的，在外电场作用下可以导电。

导体、半导体和绝缘体

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导体半导体绝缘体导体能带结构

Eg价带导带价带导带价带导带导带部分填满没有禁带导带价带重叠导体在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能带图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体电子完全占满价带。导带是空的。满带与空带之间有一个较宽的禁带热能或外加电场，不足以使共有化电子从低能级（满带）跃迁到高能级导带上去。所以不能形成电流。绝缘体能带结构

Eg价带导带绝缘体

半导体半导体能带结构

Eg价带导带T=0K，电子完全占满价带。导带是空的。具有绝缘体的特征。禁带宽度很窄，当外界条件变化时（如光照、温度变化），价带中的电子跃迁到导带上去，同时在价带中出现等量的空穴，在电场作用下电子和空穴都能参与导电。E(k)与k的关系是一种定性的关系，必须找到

E(k)函数才能找到定量关系。对半导体来说其作用的常常是能带底部或能带顶部的电子或空穴，因此只要找到能带底部或能带顶部（能带极值附近）E(k)与k的关系简约布里渊区1/2a01/2a3电子的有效质量将一维E(k)在k=0附近按泰勒级数展开E(k)=E(0)+(dE/dk)k=0k+(1/2)(d2E/dk2)k=0k2

+···(dE/dk)k=0=0晶体中能带底部和顶部E(k)与k的关系0kE假定E(0)：能带底的能量对给定的晶体，(d2E/dk2)k=0是一个常数晶体能带底部附近有：-----能带底部电子的有效质量，大于零。0

kE

令

假定E(0)：能带底的能量能带底附近能带顶部附近的E(k)与k的关系

-----能带顶部电子的有效质量能带顶电子有效质量小于零0

kE能带顶附近

令

半导体中电子的运动规律不同于自由电子

——受到晶体内部周期势场的影响（2）电子的平均速度：自由电子的平均速度：P=m0v晶体中的电子的平均速度：量子力学理论证明：晶体中作共有化运动的电子的平均速度不随周期势场起伏变化。只与波矢有关。（3）电子的加速度许多半导体都是在一定的外加电压下工作，半导体内部产生电场。这是电子受到周期性势场和外加电场的作用外加电场作用，外力对电子作功，电子所受外力与加速度的关系与牛顿第二运动定律类似，不同的是用电子有效质量代替惯性质量。电子的有效质量的意义：（1）晶体中的电子一方面受到外力的作用，另一方面，受到内部原子及其他电子的势场作用。电子运动状态的变化是半导体内部势场和外力作用的综合结果。（2）内部势场计算困难。（3）引入有效质量可使问题简单化，可以不涉及内部势场的作用，直接把外力和加速度联系起来，而有效质量概括了内部的势场作用。（4）有效质量可以直接测定。能量、速度、有效质量与波矢的关系：正有效质量负有效质量m*nOk

OE-1/2a1/2aOV能带底电子有效质量大于零能带顶电子有效质量小于零内层电子共有化运动弱，能量窄，极值二级微商（曲线曲率|）小，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小，加速度大；不同材料，不同方向，有效质量不同

-1/a-1/2a01/2a1/akE允带允带允带允带（4）半导体中的空穴：

。满带电子不导电假设:电子填充的一维能带(见图)E=0:满带中均匀分布的量子都被电子所充填，是对称的能量k图。E≠0:各电子均受到相同的电场力，在电场力的作用下，电子开始加速运动。一个点子离开自己的位置，邻近的电子开始填充的空位上，但由于是满带。

EE=0kEE≠

0kEE≠0k由于满带（