《微电子学概论》-半导体物理学-半导体及其基本特性

半导体物理学一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科微电子学简介:半导体概要微电子学研究领域•半导体器件物理•集成电路工艺•集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学半导体的纯度和结构纯度极高，杂质1013cm-3结构晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的晶体结构三维立方单胞简立方、体心立方、面立方金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体有:元素半导体如Si、Ge金刚石晶体结构半导体有:化合物半导体如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型闪锌矿型原子的能级电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化运动+14电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiHSi原子的能级原子的能级的分裂孤立原子的能级4个原子能级的分裂原子的能级的分裂原子能级分裂为能带Si的能带（价带、导带和带隙〕价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式2220()()()()()()2VxVxsadxVxxExmdx()()()()ikxkkkkxuxeuxuxna布洛赫波函数固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图半导体、绝缘体和导体半导体的能带本征激发半导体中E（K）与K的关系22021()(0)()2kdEEkEkdk令代入上式得2022*11()kndEdkm22*()(0)2nkEkEm自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv2202kEm半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度dvudk1dEudk22*()(0)2nhkEkEm*nkumEhv自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv0kum半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化dEfdsfudt1dEudkfdEdEdtdkdkfdt2222211()duddEdEdkfdEadtdtdkdkdtdk半导体中电子的加速度令即2*2211ndEmdk*nfam2*22nmdEdk有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）空穴只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学与理想情况的偏离晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。1个B原子/个Si原子在室温下电导率提高倍Si单晶位错密度要求低于5103103210cm与理想情况的偏离的原因理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体As半导体的掺杂DEDECEVE施主能级受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂CEVEAEAE受主能级半导体的掺杂Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。AEDE半导体中同时存在施主和受主杂质，且。DANNDANNN型半导体N型半导体半导体中同时存在施主和受主杂质，且。ADNNADNNP型半导体P型半导体杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（）ADNN点缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用点缺陷替位原子（化合物半导体）位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。位错施主情况受主情况本征半导体载流子浓度00np本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体本征载流子浓度00np021/200()gEkTiCVnnpNNe200inpn（既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志半导体）一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合欧姆定律金属导体外加电压，电流强度为电流密度为VIRVlRsIJs1欧姆定律均匀导体外加电压，电场强度为电流密度为欧姆定律的微分形式VElVIJsJE漂移电流漂移运动当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）电流密度ddIqnvAJqnv漂移速度漂移速度()JEdvEnq半导体的电导率和迁移率半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和当电场强度不大时，满足，故可得半导体中电导率为JE()npnpJJJnqpqEnpnqpq半导体的电导率和迁移率N型半导体P型半导体本征半导体npnqpqnpnnqpnpnqinpn()inpnq热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零，并且净电流为零平均自由时间为psm1.0~热运动当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。Vk电离杂质的散射杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场散射概率代表单位时间内一个载流子受到散射的次数3/2iiPNTP电离施主散射电离受主散射N型半导体P型半导体本征半导体11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq电阻率电阻率与掺杂的关系N型半导体P型半导体ApDnNqNq11电阻率与温度的关系本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体（区别于金属）一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度T影响）由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入平衡载流子满足费米－狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米－狄拉克统计分布2innp且公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程过剩载流子过剩载流子和电中性平衡时过剩载流子电中性：小注入条件0000,,pnnnnppp小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料非平衡载流子寿命假定光照产生和，如果光突然关闭，和将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命，也常称为少数载流子寿命单位时间内非平衡载流子的复合概率非平衡载流子的复合率1/npnp/p复合pdppdtt0()()tptpen型材料中的空穴当时，，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快0()()/ppe一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学PN结杂质分布PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程合金法扩散法PN结杂质分布下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析突变结:线性缓变结:浅结、重掺杂（1um）深结（3um）或外延的PN结理想二极管方程PN结正偏时理想二极管方程PN结反偏时定量方程基本假设P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PN结中一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生—复合作用。P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:图6.4欧姆接触边界耗尽层边界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD......0.