电子工程物理基础v2.0(4).ppt

半导体物理基础（4）,聂萌 东南大学电子科学与工程学院,本课程主要参考书《电子工程物理基础》第2版 唐洁影 宋竞 电子工业出版社 4-5章 《半导体物理学》 第6版 刘恩科 电子工业出版社 1-6章，7章部分,聂萌办公室：四牌楼校区南高院MEMS实验室204邮箱：m_nie@：83794642-8818,考试：闭卷卷面成绩 90%平时成绩 10%（作业、点名）,微电子学物理基础,半导体物理,半导体集成电路,电子器件,,,,二极管，三极管，MOS晶体管，激光器，光电探测器，场效应管,CPU，存储器，运算放大器，模数转换器，音视频处理,能带，费米能级，迁移率，扩散系数，少子寿命， PN结，金半接触,晶体结构，薛定谔方程，能带理论.,与其他课程的关系,Conductor <10-3 Ω·cm,Insulator >109 Ω·cm,Semiconductor 10-3~ 109 Ω·cm,（1） 电阻率介于导体与绝缘体之间,半导体一般特性,（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感,（3）性质与掺杂密切相关,温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ,微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下,半导体材料,,,,,常见的半导体材料,Elemental （元素）,Compounds （化合物）,Alloys （合金）,指半导体材料与一种或多种金属混合，形成某种化合物,半导体材料分类,晶体结构主要是金刚石结构（Si和Ge）,元素半导体,Si 硅：当前80％以上的半导体器件和集成电路以硅作为原材料，原因为 硅的丰裕度：主要来源是石英砂（氧化硅或二氧化硅）和其他硅酸盐 更高的熔化温度（1420℃）允许更宽的工艺容限 氧化硅的自然生成Ge 锗： 1947年锗晶体管的诞生引起了电子工业的革命，打破了电子管一统天下的局面,化合物半导体,晶体结构主要是纤锌矿和闪锌矿结构,Ⅲ-Ⅴ族化合物部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等,部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，离子性结合占优时倾向于纤锌矿结构,Ⅳ-Ⅳ族 SiC:以其本身特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率、抗辐射、短波长发光及光电集成的理想材料Ⅲ-Ⅴ族 GaAs:电子迁移率比Si大五倍多，比硅更适合高频工作。

电阻率大，器件间容易隔离，还有比硅更好的抗辐射性能其缺点是缺乏天然氧化物，材料脆性大，不易制造大直径无缺陷单晶，成本高 InP与GaAs相比，击穿电场、热导率、电子平均速度更高，在HBT中采用GaN禁带宽度大，宜做蓝光器件的材料,合金半导体,Si1-xGex 锗硅合金 AlxGa1-xAs 铝镓砷合金 AlxIn1-xAs 铝铟砷合金 AlxGa1-xAsySb1-y 铝镓砷锑合金,半导体技术的发展,半导体技术的重大发现,－1947年，肖克莱、巴丁、布拉顿发明了点接触晶体管（1956年获诺贝尔物理学奖），开创了信息时代,－50年代中，H．Kroemer提出了适于高频、高速工作的异质结晶体管结构J．Kilby制作出了第一块集成电路（是由Si晶体管、Si电阻和Si-pn接电容所组成的相移振荡器）,－1958年， 美国德州仪器和仙童公司发明了Si平面工艺技术 （Fairchild），研制了半导体集成电路（IC）,－70年代，Zh．I．Alferov发明了能室温工作的双异质结激光器，推动了光纤通信的发展K．F．Klitzing发现量子Hall效应1985年获诺贝尔物理学奖,－80年代，崔琦发现分数量子Hall效应（1998年获诺贝尔物理学奖）陈星弼提出了功率MOSFET的优化理论和导通电阻与耐压的极限关系，提出了新型耐压层的功率器件结构，实现了VLSI（所含晶体管的数目已达10万~100万）,－90年代，实现了ULSI（所含晶体管的数目已超过1亿个）,20世纪以微电子技术为基础的电子信息时代,21世纪的微电子与光电子技术相结合的光电子信息时代,,－2001年：IBM制造出了碳纳米管的晶体管Bell制造出了分子晶体管日本用碳纳米管制成了纳米线圈美国制出了最小的激光器（纳米激光器）和最细的激光束,主要的半导体器件,金半接触：Braun,黄铜矿与金属之间的接触电阻与电压的大小和极性有关LED：Round发现了电致发光现象，SiC供10V正向电压时产生淡黄光BJT：锗点接触式晶体管。

模拟／高速／电流驱动能力PN结：Shockley发表论文1952 晶闸管：Ebers，是一种相当通用的开关器件,太阳能电池：Chapin利用PN结研发异质结BJT：Kroemer 提高晶体管性能，快速器件隧道二极管：Esaki在重掺杂PN结中观察到负阻特性MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长20微 米,栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，AL－SiO2－Si1962 LASER：Hall用半导体产生激光，在DVD/光纤通信/激光打印/大气污染监测等,转移电子二极管TED：Gunn，毫米波领域，侦探系统/远 程控制/微波测试仪等IMPATT雪崩二极管：能以毫米波频率产生最高的连续波 功率，用于雷达和预警系统MESFET：Mead，是单片微波集成电路（MMIC）元件1967 非易失性半导体存储器NVSM：在判断电源下仍能保存信息，与传统的MOSFET相比，多了个暂存电荷的浮栅，具有非易失性/高密度/低功耗/电可擦写等特性成主流存储器,电荷耦合器件CCD：视频摄像机和光学传感器MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场效应 晶体管室温单电子记忆单元（SEMC）：只需要一个电子来存储 信息，可容纳1万亿位以上2001 15nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元，可容纳1万亿以上的管子,第4章 半导体中电子的状态,4.1 电子的分布,4.2 载流子的调节,4.3 载流子的复合,4.4 载流子的散射,4.5 载流子的漂移,4.6 载流子的扩散,4.7 载流子的完整运动,电子壳层不同支壳层电子Si的核外电子排布：1s22s22p63s23p2共有化运动原子互相接近形成晶体，不同原子的各电子壳层之间有了一定程度的交叠相似壳层电子可以由一个原子转移到相邻原子，形成共有化运动,4.1 电子的分布,能级分裂电子共有化运动使能级分裂为能带原子之间相距很远时，孤立原子能级如图N个原子相互靠近时，受相互势场的作用，能级分裂成彼此相距很近的N个能级，分裂的能级如图N个分裂的能级组成一个能带，此时电子不属于某一个原子而在整个晶体中作共有化运动，分裂的每一个能带称为允带，允带之间没有能级称为禁带,硅、锗晶体能带N个原子结合成晶体，共有4N个价电子由于轨道杂化的结果，价电子形成的能带如图根据电子先填充低能这一原理，下面一个能带填满了电子，称为价带，上面一个能带是空的，称为导带，中间隔以禁带,电子在周期场中的运动－能带论单电子近似：晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，且与晶格周期相同,电子在周期场中的运动－能带论一维晶格中电子遵守的薛定谔方程（电子运动方程）,方程具有如下形式（布洛赫波函数）,是一个与晶格同周期的周期性函数,E（k）与k的关系,半导体的能带,晶体,,导 体,绝缘体,半导体,,能带中一定有不满带,,,T=0 K，能带中只有满带和空带 T>0 K，能带中有不满带 禁带宽度较小，一般小于2eV,能带中只有满带和空带,禁带宽度较大，一般大于2eV,电子对能带填充情况不同,,（a）满带的情况 (b)不满带的情况 无外场时晶体电子能量E-k图,(a) 满带 (b)不满带有电场时晶体电子的E-k图,,,A,,,不导电,,,不导电,导电,电子的运动 有效质量的意义,半导体中电子受力f并不是 受力的总和，只是外力有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得我们在解决电子的运动规律时不涉及内部势场作用－有效质量可以直接由实验测定,电子的运动,E（k）与k的定量关系半导体中起作用的是位于导带底或价带顶附近的电子令得到导带底附近同理，价带顶附近,称为电子的有效质量,在能带极值附近电子的速度v（k）,电子的平均速度和加速度,在能带极值附近电子的加速度a,有效质量的意义,有效质量与能量函数对k的二次微商成反比，能带越 窄，二次微商越小，有效质量越大（内层电子能带窄，外层电子能带宽）有效质量在价带顶为负值，导带底为正值,,近满带与空穴,* 假想在空的k’态中放入一个电子，这个电子的电流等于-ev（k’）,* 设近满带电流为j（k），那么,(1) j（k）+ [-ev（k’）]=0 （满带电流为零）,即 j（k）= ev（k’） 空状态如同一个带正电荷e的粒子。

结论：当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|mn* | 、速度为v（k’）的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴半导体是两种载流子参于导电,统称载流子,电子,空穴,,荷载电流的粒子,能带图：E-k图与E-x图,,E-K,E-x,电子主要存在于导带底,空穴主要存在于价带顶,EC,EV,能带的两种图示法,载流子的统计分布,能带图-价键图,,,,,自由电子,晶体中电子,各向异性,（各向同性）,,（导带底附近）,（价带顶附近）,典型半导体的能带结构,载流子浓度（Carrier concentration),导带底附近的等能面是椭球面,Si: Eg=1.17eV,Ge：Eg=0.74eV,GaAs :Eg=1.52 eV,T=0 K,T=300 K,Si: Eg=1.12eV,Ge：Eg=0.67eV,GaAs :Eg=1.43eV,硅的导带结构,硅的能带,导带最小值（导带底）不在k空间原点，而在[100]方向上 根据硅晶体立方对称性的要求，也必然有同样的能量（导带极小值）在 方向上 硅导带共有六个旋转椭球等能面,硅的价带结构,,重空穴带,,轻空穴带,存在极大值相重合的两个价带,外能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴,内能带曲率大，对应的有效质量小，称该能带中的空穴为轻空穴,锗的导带结构,锗的能带,导带最小值（导带底）不在k空间原点，而在[111]方向布里渊区边界根据锗晶体立方对称性的要求，也必然有同样的能量（导带极小值）在以方向为旋转轴的8个椭球等能面,锗的价带结构,,重空穴带,,轻空穴带,存在极大值相重合的两个价带,外能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴,内能带曲率大，对应的有效质量小，称该能带中的空穴为轻空穴,锗、硅的导带在简约布里渊区分别存在四个（8个半个的椭球等能面）和六个能量最小值，导带电子主要分布在这些极值附件，称为锗、硅的导带具有多能谷结构硅和锗的导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，称为间接带隙半导体,砷化镓的能带,导带最小值（导带底）位于布里渊区中心k＝0处，等能面为球面,在[111]和[100]方向布里渊区边界L和X处各有一个极小值，能量极小值比布里渊区中心处高0.29eV和0.30eV,砷化镓的导带底和价带顶位于k空间的同一k值，称为直接带隙半导体,能态密度（Density of states）,在一定温度下，要计算半导体能带中的载流子浓度，即单位体积中的导带电子浓度和价带空穴浓度，需要两个参数能带中能容纳载流子的状态数目－能态密度载流子占据这些能态的概率－分布函数,。