电子科学与技术专业外语全译文.pdf

Made by tan 玥1 Semiconductor Materials ?1.1 Energy Bands and Carrier Concentration ?1.1.1 Semiconductor Materials 固态材料可分为三种：绝缘体、 半导体和导体 图 1－1 给出了在三种材料中一些重要材料 相关的电阻值（相应电导率ρ≡1/δ)绝缘体如熔融石英和玻璃具有很低电导率，在10-18 到 10-8 S/cm; 导体如铝和银有高的电导率，典型值从104 到 106S/cm;而半导体具有的电导率介乎于两者之间 半导体的电导率一般对温度、光照、磁场和小的杂质原子非常敏感在电导率上的敏感变化使得半导体材料称为在电学应用上为最重要的材料早在 19 世纪人们已经开始研究半导体材料多年来人们研究了很多半导体材料表1 给出了与半导体相关的周期表中的部分元素由单种元素组成的单质半导体如硅和锗在第Ⅳ族而大量的化合物半导体有两个甚至更多元素组成如GaAs 是Ⅲ -Ⅴ化合物是由Ⅲ族的Ga 和Ⅴ族的As 化合而得在 1947 年双极晶体管发明之前，半导体仅用作双极型器件如整流器和光敏二极管早在 20 世纪 50 年代，锗是主要的半导体材料。

然而锗不太适合在很多方面应用因为温度适当提高后锗器件会产生高的漏电流另外，锗的氧化物是水溶性的不适合器件制作所以 20 世纪 60 年代实际上锗被硅所取代，事实上硅替代锗成为半导体制作的材料之一我们用硅材料的主要原因有硅器件存在非常低的漏电流且能够通过热法生长出高质量的二氧化硅 器件级硅成本远少于其它半导体材料硅以硅石和硅酸盐形式存在并占地球地表层的 25％，而且硅元素在分布中排在氧之后的第二位当今硅是在元素周期表中研究最多的元素；硅技术是在所有半导体技术中最先进的有很多化合物半导体具有硅所缺少的电光性能这些半导体特别是GaAs 主要用作微波和光学应用 虽然我们了解化合物半导体技术不如硅材料的多，但化合物半导体技术由于硅技术的发展而发展在本书中我们主要介绍硅和砷化镓的器件物理和制备技术我们研究的半导体材料是单晶，也就是说，原子是按照三维周期形式排列在晶体中原子的周期排列称为晶格在晶体里， 一个原子从不远离它确定位置与原子相关的热运动也是围绕在其位置附近对于给定的半导体，存在代表整个晶格的晶胞，通过在晶体中重复晶胞组成晶格图 1－2 给出一些立方晶体晶胞图1－2（a）给出了一个简单的立方晶体；立方晶格的每个角由一个原子占据，所以有6 个等距原子。

a 的大小称为晶格常数只有金属钋明确是单立方晶体图1－2（b）是体心立方晶体，除了8 个角原子外，一个原子在其立方中心上在体心立方晶格中，每个原子具有8 个相近原子呈bcc 晶格的晶体包括钨和钠晶体图1－2（c）给出了面心立方晶体除了8 个角原子外六个立方面上还有一个原子在fcc 晶格中每个原子有12 相邻原子大量的元素是fcc 晶格形式，包括铝、铜、金和铂元素半导体如硅和锗具有金刚石晶体结构这种结构属于金刚石结构并且视为两个互相贯穿的 fcc 亚点阵结构， 这个结构具有一个可以从其它沿立方对角线距离的四分之一处移动的子晶格（位移 ）在金刚石晶体所有原子都相同，且在金刚石晶体都有在四面体角上的四个等距相近原子所包围多数每个原子Ⅲ-Ⅴ 化合物半导体具有闪锌矿结构，它有金刚石相同结构除了一个fcc子晶格结构有一个Ⅲ族原子 Ga 和 Ⅴ族原子As因此，不同面的晶体特性也不同，且电和其它器件特性依赖于晶体取向一种常用定义在晶体中不同晶面的方法是用密勒指数如 1.1.2 节所述，在金刚石结构的每个原子被4 个相邻原子所包围每个原子在外轨道具有Made by tan 玥2 4 个电子，并且每个电子与相邻原子共享价电子；每对电子组成一个共价键。

共价键存在于同种原子之间或具有相同外层电子机构的不同元素的原子间每个电子与每个原子核达到平衡需要相同时间然而，所有电子需要很多时间在两个原子核间达到平衡两个原子核对电子的吸引力保证 两个原子在一起对于闪锌矿结构如砷化镓主要的价键引力主要来自于共价键当然， 砷化镓也具有小的离子键引力即Ga+离子与四周As-离子 ,或 As- 离子和四周Ga+ 离子 . 在低温下，电子束缚在它们各自四面体晶格中；从而不能用来导电当一个价键断开，一个自由电子能参与电路导电一个电子空位留在共价键中这个空位被相邻电子填充导致空位移动，如A 到 B 位置 我们可以空位认同于与电子相同的粒子这个假想粒子称为空穴它带有正电荷在外加电场下，沿着电子运动方向相反地方移动空穴的概念类似电子的概念空穴的概念类似于液体中泡沫的定义虽然它的确可与液体流动，这很容易想到泡沫移动是向相反方向对于孤立原子，原子的电子有不连续的能级如，孤立氢原子的能级可由玻尔模型得出：式中 m0 代表自由电子质量, q 是电荷量 ,ε0 是真空中电导率, h 是普朗克常数，n 是正整数称为主量子数不连续能量在基态为-13.6eV (n=1), 第一激发态为-3.4eV (n=2),etc. 我们考虑两个相同原子.当它们远离时 , 对所给主量子数(e.g., n=1)的允态能级具有双重简并能级 ,也就是说，每个原子具有相同能级(e.g., -13.6eV for n=1).当两个原子相互靠近，这个双重简并能级将被原子间相互作用分成两个能级。

当从晶体中引入N 个原子， N 重简并能级将会分成N 个能级，但原子相互作用能级相互接近这导致一个基本连续的能带结晶固体的详细能带结构能够用量子理论计算而得图1－3是孤立硅原子的金刚石结构晶体形成的原理图每个孤立原子有不连续能带（在右图给出的两个能级）如原子间隔的减少，每个简并能级将分裂产生带在空间更多减少将导致能带从不连续能级到失去其特性并合并起来，产生一个简单的带当原子间距离接近金刚石结构的平衡原子间距（对硅而言晶格常数0.543 nm ） ，这个带分为两个带区这些带被固态电子不能够拥有的能量区域分开这个区域称为禁带或带隙Eg如图1－3左侧所示上面称为导带下面称为价带图 1－4 给出了三种固体（绝缘体、半导体、导体）的能带图在绝缘体（如SiO2), 价电子在相邻原子间产生强的价键这些键很难断开， 因此没有自由电子在电流传导过程中产生如图 1－4（ a）能带图所示，有一个大带隙注意到所有的价带都被电子充满而导带中能级是空的 热能量和外加电场不能够提高在价带中最上层电子到导带因此， 二氧化硅是绝缘体不能导电如 1.1.3 节所述，在半导体中相邻原子价键仅仅一定程度强因此，热振动将断开其中的价键。

当价键断开后，产生了自由电子连同自由空穴图1－4（c）给出的半导体的带隙不如绝缘体宽如硅带隙1.12eV）正因为此，一些电子能够从价带移动到导带，在在价带中留下空穴当外加电场后，所有在导带中电子和在价带中的空穴将得到动能并能够导电在导体中如金属， 图 1－4 （c)所示，导带不是部分填充即使与价带重叠以至于没有带隙结果，半满带的最上层电子以及价带顶部电子在获得动能（外加电场） 可以运动到与其相应的其它较高能级因此，电流很容易在导体中产生如图 1－4 能带图说明了电子能量当电子能量增加，电子将移动到带图中高的位eVnnhqmEh2222040/6.13)8/(Made by tan 玥3 置相反，当空穴能量增加，空穴将移动到价带的低位置这是因为空穴带电量与电子相反）正如以前讨论过， 最高价带能量与最低导带能量之间间距称为带隙，带隙是半导体物理中最重要的参数我们设Ec 为导带的底端；Ec 与电子势能相关，也就是，静止时导电电子的能量一个电子的动能可以从Ec 上端测得同样，我们设Ev 为价带的上端值；Ev 与空穴的势能相关空穴的动能可从Ev 下端值测得在室温和标准大气压下，带隙值硅（1.12ev ）砷化镓（ 1.42ev）在 0 K 带隙研究值硅（1.17ev ）砷化镓（ 1.52ev）1.1.5 Density of States 当电子在半导体材料中沿着x 方向前后运动时，其运动可以用驻波来描述.驻波波长和半导体的长度的关系是: ?nx 是一个整数 .波长可以表示为）?h 是普朗克常数，px 是晶体在x 方向的动量。

把方程1-2 代入方程1-1 得到?每增加 1，动量的增量是?对边长为L 的三维立方体，有: ?对 L=1 的单位立方体， 动量空间中的体积于是等于h3.n 变化产生一组整数(nx,ny,nz),每组整数 (nx,ny,nz)相应于一个允许的能态. ?所以对于能态的动量空间的大小为h3,从 p 到 p+dp 的两个同心球之间的体积是4πp2dp （此体积中包含的能态数是2(4π p2dp)/h3 ，这里因子2 计入了电子自旋用 E 代替 p 得到 . ? （N(E) 叫做态密度，就是每单位体积允许的能态密度.在这一节中， 我们将会去分析各种各样的载流子运输现象这种现象发生在电场和浓度梯 度影响下半导体中的载流子运动我们先讨论剩余载流子注入的概念剩余载流子在非平衡条件下会增加，这就是说，载流子的浓度的乘积p*n 不等于平衡时ni*ni 的值回到平衡条件下，载流子的产生和复合过程将会在后面的章节中讨论到我们在半导体的装置运算中取得一个基本的控制方程，它包括电流密度方程和连续方程这一节我们对高场效应作了一个简单的讨论，高场效应会导致速度饱和和碰撞电离这一节讨论到这就结束了P18 考虑一个在热平衡条件下的为均匀施主浓度n-类型的半导体样品，如在第1.1 节中所讨论的,在半导体导带中的传导电子，由于他们没有与特别的晶格或施主位置有关，所以基本上是自由的电子。

晶格的影响是合并在一起的，电子的有效质量和电子的惯性质量有点不同在热平衡下，那平均传导电子的平均热能可以从平均分配定理获得，每一个自由能为1/2kT ，k 是波尔兹曼常数，t 是居里温度电子在一半导体有三个自由度；他们能在三度空间的空间内活动因此, 电子动能可以由方程（1-13）得到 Mn 是电子的有效质量和Vth是平均热运动速度在室温(300K) 那热的速度是对于硅和砷化镓来说大约为107 cm/sP17 在半导体的电子因此在各个方向快速地移动作热的运动单一电子可以形象的当做是原子晶格或杂质原子或其他散射中心碰撞产生的连续随即散射就像1- 7 所阐述的电子的随即运动在一个足够长的电子周期内会产生一个净位移碰撞的平均距离为平均自由程，碰撞的平均时间为平均自由时间平均自由程的典型的值为** ，平均自由时间为1ps. 当一个小的电场E 外加在半导体样品, 每电子会经历从那领域的一个力- qE，而且在 此碰撞期间，会被沿着场的方向加速因此, 一另外的速度成份将会是重叠在那电子的热的运动之上这个另外的分量叫作漂流速度由于随意热的运动产生电子的组合转移和漂流物分量如Flgurel_7(b) 所示 . 注意到，与外加电场方向相反的电子的一个净余换置。

Made by tan 玥4 P18 我们能获得漂流物速度v, 藉由使冲量 (力量x 时间 )相等于，在相同的时间内, 加载在电子在那期间自由的飞行碰撞的动量相等是有根据的， 在一定稳态所有碰撞得到的冲量是丧失在对碰撞的晶格里外加的电子的冲量是 - qEt，得到的动量是mn vn，我们得到 (1-14)或(1-14a). 方程 1- 14a 表明电子漂流物速度是外加的电场成比例的，比例因素倚赖于平均自由时间和有效质量那比例因素叫做电子迁移率P19 迁移率对于载流子转移来说是一个非常重要的参数,因为它描述了电子受外加电场的影响的程度 ,可以写一个相同的表达式对于价带中的空穴来说Vp 是空穴迁移电压u是空穴的迁移率在 eq 中的负号没了 ,因为空穴在补偿方向上的转移和电场的方向是一样的P20 1-15 迁移率在碰撞中和平均自由时间成正比。