半导体器件物理之半导体材料.ppt

半导体器件物理参参 考考 书书S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, Jahn Wiley & Sons, Inc. 1981. 施敏 著, 黄振岗译, 《半导体器件物理》，电子 工业出版社, 1987.王家骅等编著，《半导体器件物理》，科学出 版社，北京，1983 施敏(S.M. Sze)主编，《现代半导体器件物理 》，科学出版社，北京，2001主 要 内 容l第一章 半导体物理基础 – 晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计， 非平衡载流子输运, 器件工作基本方程l第二章 半导体接触 – P-N结– 异质结 – 金属-半导体接触 – 半导体绝缘体 M I Sl第三章 典型半导体器件 –3.1 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 (HBT) –3.2 场效应晶体管 • 结型场效应晶体管, MOSFET的基本工作原理和电荷控制模型,C -MOS器件的基本工作原理,异质结场效应晶体管,非晶薄膜晶体 管 –3.3 光电子器件 • LED和半导体激光器,光探测器,太阳能电池,集成光电子学 –3.4 专用微波器件 • 隧道二级管,IMPATT器件,体效应器件l第四章 新型半导体器件 –超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半导体主 要 内 容第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础§1.1 半导体材料 §1.2 晶体结构 §1.3 能带 §1.4 热平衡时的载流子浓度 §1.5 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 §1.7 半导体器件工作的基本方程Ch1Ch11.11.1§1.1 §1.1 半导体材料半导体材料固体材料根据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体绝缘体绝缘体：熔凝石英、玻璃：10-18-10-8 S/cm半导体：半导体：硅、砷等， 介于绝缘体与导体之间， 且对温度、光照、磁场及杂 质原子等敏感电子应用领 域中最重要的材料之一。

导体：导体： 铝、银等， ：104-106 S/cm绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围周期表中与半导体有关的部分周期周期II II族族IIIIII族族IVIV族族V V族族VIVI族族2 2B B硼硼C C碳碳N N氮氮3 3MgMg镁镁AlAl铝铝SiSi硅硅P P磷磷S S硫硫4 4ZnZn锌锌GaGa镓镓GeGe锗锗AsAs砷砷SeSe硒硒5 5CdCd镉镉InIn铟铟SnSn锡锡SbSb锑锑TeTe碲碲6 6HgHg汞汞PbPb铅铅1.11.1元素与化合物半导体元素元素IV-IVIV-IV族族化合物化合物III-VIII-V族族化合物化合物II-VIII-VI族族化合物化合物IV-VIIV-VI族族化合物化合物Si 60年代初 Ge 50年代初SiCAlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb InAs InP InSbCdS CdSe CdTe ZnS ZnSe ZnTePbS PbTe绝大多数 半导体器 件都是用 硅材料制 作的微波、光电 器件主要用来制作 微光电器件， 红外器件和光 电池1.11.1半导体材料形态非晶多晶晶体 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 体，但在达到一定值的外界条件(如电场、光、温度等)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 件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等晶体：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性多晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶,保留了单晶 的基本性质，总体性质上表现出各向同性半导体材料的制备从熔体中制备 Growth from melt：Czochralski（提拉法）:利用子晶生长Slice boule into wafers:Zone refining: 外延生长 Epitaxial growth:CVD、PVD方法(非晶薄膜）：晶体晶体Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 1.11.1§1.2 §1.2 晶体结构晶体结构-- --单晶半导体材料单晶半导体材料1.21.2晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞来描述， 重复单胞能够形成整个晶格三种立方晶体单胞简单立方Cubic (P Mn)体心立方 bcc Body center (Na,W,etc)面心立方 fcc (Al,Au,etc)xzyaxzyaxzya1.21.2金刚石结构，属立方晶系， 由两个面心立方子晶格相互 嵌套而成 硅，锗，每个原子有四个最 近邻。

闪锌矿结构， 两种元素，GaAs, GaP等纤锌矿结构，CdS, ZnS 化合物半导体的两种单胞岩盐结构，PbS, PbTe 选择单胞的规则：选择单胞的规则：1 1）对称性与整个晶体的对称性一致，）对称性与整个晶体的对称性一致，2 2）直角）直角 最多，最多，3 3）体积最小）体积最小晶体学单胞或惯用单胞晶体学单胞或惯用单胞晶向：从坐标原点到点 （u ,,w） 的直线 1特定的方向用方括号表示：[ u  w ] ] 2晶向指数 u，，w 是一组最小的指数，[1/2 1/2 1]→[112] 3负指数[ū ū  w ] ] 4由对称性决定的等效晶向 >1.21.2基失: 基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点的矢量）不过任何阵点 取一原点O，选 三个基本平移矢量任何一平移矢量 ，都可用 表示:晶面：在坐标轴上截距为1/h, 1/k , 1/lh, 1/k , 1/l 的平面[1/2 1/2 1]→[112]1 1晶面取向用圆括号表示晶面取向用圆括号表示(h k l )(h k l )2 2。

h k l h k l 称为米勒指数称为米勒指数3 3负指数( k l( k l ) )4 4由对称性决定的等效晶面由对称性决定的等效晶面{ {h k l h k l } }1.21.2一些半导体材料的晶体结构和晶格常数元素/化合物名称晶体结构晶格常数（300K) 元素半导 体C Ge Si SnCarbon(Diamond) Germanium Silicon Grey TinDiamond Diamond Diamond Diamond3.56679 5.65748 5.43086 6.4892 IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358 III-VAlSb BN BP GaN GaSb GaAs GaP InSb InAs InPAluminum antimonide Boron nitride Boron phosphide Gallium nitride Gallium antimonide Gallium arsenide Gallium phosphide Indium antimonide Indium arsenide Indium phosphideZincblende Zincblende Zincblende Wurtzite Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende Zincblende6.1355 3.615 4.538 a=3.186, c=5.176 6.0955 5.6534 5.4505 6.4788 6.0585 5.8688元素/化合物名称晶体结构晶格常数（ 300K)II-VICdSCdSCdSeZnO ZnS ZnSCadmium sulfide Cadmium sulfide Cadmium selenide Zinc oxide Zinc sulfide Zinc sulfideZincblendeWurtziteZincblendeCubic Zincblende Wurtzite5.832a=4.16, c=6.756 6.054.58 5.42 a=3.82, c=6.26 IV-VIPbS PbTeLead sulfide Lead tellurideCubic Cubic5.935 6.460一些半导体材料的晶体结构和晶格常数倒格基矢倒格基矢：当给定一组正基矢（：当给定一组正基矢（a,b,ca,b,c) )时，可定义一组倒格基矢时，可定义一组倒格基矢 (a*,b*,c*)(a*,b*,c*)倒格矢：倒格矢：每个倒格矢垂直于正格子的一组晶面，每个倒格矢垂直于正格子的一组晶面， 倒格子原胞与正格子原胞的体积成反比：倒格子原胞与正格子原胞的体积成反比：维格纳维格纳- -赛茨原胞：赛茨原胞：从倒格子中选定的中心点到紧邻的等效倒格点作从倒格子中选定的中心点到紧邻的等效倒格点作 垂直平分面，如此得到的一组垂直平分面即可围成一个维格纳垂直平分面，如此得到的一组垂直平分面即可围成一个维格纳- -赛茨赛茨 原胞。

原胞1.31.3§1.3 §1.3 能带能带 1能带的形成近自由电子近似紧束缚近似k空间和态密度金属、半导体、绝缘体的能带直接和间接禁带带隙的温度依赖 2电子和空穴有效质量1.3.11.3.11.3.1 能带的形成 近自由电子近似 紧束缚近似 k空间和态密度 金属、半导体、绝缘体的能带 直接和间接禁带 带隙的温度依赖自由电子气模型自由电子气模型近自由电子近似近自由电子近似 一维电子气的色散曲线一维电子气的色散曲线k kE E0 0 / /a a2 2 / /a a3 3 / /a a-3 -3 / /a a-2 -2 / /a a / /a ak kE E0 0 / /a a / /a a扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案色散关系采取最简单的形式色散关系采取最简单的形式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,可以将其作为微扰来处 理, 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(Na,K,Al)和窄带隙半导体由于周期微扰势的存在，在Brillouin区边界产生带隙，即能谱中出 现禁带kE0/a2/a3/a-3/a- 2/a/akE0/a/a近自由电子近似近自由电子近似 扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案1.31.3LCAOLCAO-Linear combination of atomic orbitals紧束缚近似紧束缚近似 紧束缚近似表明：如果晶格间距紧束缚近似表明：如果晶格间距a a比较大原子，相互之间离得比较比较大原子，相互之间离得比较 远，则每个原子能级具有远，则每个原子能级具有N N重简并，而当重简并，而当a a减小时，波函数的重叠导减小时，波函数的重叠导 致能带。

致能带可以用强定域化的原子波函数的线性组合来构建可以用强定域化的原子波函数的线性组合来构建BlochBloch函数E E原子原子固体固体1.31.3晶体中电子的共有化运动晶体中电子的共有化运动孤立原子——电子能级分立 晶体 § 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 § 电子的运动出现共有化 § 单一的能级分裂成N个新的能级 § N个新能级之间的差别较小，N很大，因此成为具有一定宽度的能带原子晶体导带价带L晶格间距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1.31.3金属、半导体和绝缘体的能带金属、半导体和绝缘体的能带 价带全满导带全空(a)(a)绝缘体绝缘体 价电子与近邻原子形成强 键，很难打破，没有电子 参与导电 能带图上表现为大的禁带 宽度，价带内的能级被填 满，导带空着，热能或外 场不能把价带顶的电子激 发到导带近邻原子形成的键结合强度 适中，热振动会使一些键破 裂，产生电子和空穴。