半导体器件电子学-Ch1

半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北京工业大学电控学院2006年9月半导体器件电子学北工大电控学院《半导体器件电子学》课程大纲第一章现代半导体材料晶体结构和特性（10学时）§1.1半导体的基本特性与常见半导体材料§1.2新型宽带半导体材料的特性§1.3Si材料的SOI结构特性§1.4半导体材料的压电特性第二章载流子输运特性及非平衡态（14学时）§2.1体材料半导体载流子的性质及电流密度§2.2小尺寸下半导体材料中迁移率退化和速度饱和§2.3器件的小尺寸带来的热问题§2.4小尺寸下的量子效应§2.5小尺寸器件中的量子力学机理§2.6二维电子气的输运§2.7调制掺杂结构和场效应晶体管§2.8强磁场中的二维电子气§2.9掺杂对输运特性的影响第三章半导体结特性的电子学分析（6学时）§3.1PN结的模型§3.2求解空间电荷区的近似解析模型半导体器件电子学北工大电控学院§1.1半导体的基本特性与常见半导体材料一、半导体的基本特性电阻率：介于10-3-106Ω.cm，金属：10－6Ω.cm绝缘体:1012Ω.cm纯净半导体负温度系数掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数不同掺杂类型的半导体做成pn结,或金-半接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导半导体中存在着电子与空穴两种载流子第一章现代半导体材料晶体结构和特性半导体器件电子学北工大电控学院二、常见的半导体材料半导体器件电子学北工大电控学院构成半导体材料的主要元素及其在元素周期表中的位置半导体器件电子学北工大电控学院元素半导体Si：是常用的元素半导体材料，是目前最为成熟的材料，广泛用于VLSI。Ge：早期使用的半导体材料。化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物（AIIIBV）Ⅲ-Ⅴ：Al，Ga，In——P，As，N，Sb（碲）GaAs、InP、GaP、InAs、GaN等。Ⅱ-Ⅵ族化合物（AIIBVI）Ⅱ－Ⅵ：Zn，Cd，Hg——S，Se，TeZnO、ZnS、TeCdHg等Ⅵ-Ⅵ化合物（AIVBiV）SiGe、SiC。半导体器件电子学北工大电控学院混合晶体构成的半导体材料◆两种族化合物按一比例组成，如xAⅢCⅤ+(1-x)BⅢCⅤ，xAⅡCⅥ+(1-x)BⅡCⅥ，SixGe1-x，能带工程：由于可能通过选取不同比例的x，而改变混晶的物理参数(禁带宽度，折射率等)，这样人们可以根据光学或电学的需要来调节配比x。通过调节不同元素的组分，才能实现禁带宽度的变化。在光电子、微电子方面有很重要的作用。半导体器件电子学北工大电控学院三、常见半导体的结构类型◆金刚石结构：Si、Ge◆闪锌矿结构：GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe◆纤锌矿结构：GaN、AlN、SiC金刚石结构：半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院◆闪锌矿结构半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院◆纤锌矿结构半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院§1.2新型宽带半导体材料的特性1。GaN半导体材料的特性由三族元素Ga和五族元素N，III-V族化合物半导体。晶体结构分为:闪锌矿结构(ZincBlendecrystalstructure)立方晶纤锌矿结构(Wurtzitecrystalstructure)六角GaN在1932年人工合成。（参考书：NitrideSemiconductorsandDeviceHadisMorkoc）III族的氮化物有三种晶体结构：闪锌矿结构、纤锌矿结构、盐石岩结构（NaCl）对于AlN、GaN和InN，室温下：热力学动力学稳定的结构是纤锌矿结构。GaN、InN通过薄膜外延生长在立方晶的（110）晶面上，如Si，MgO，GaAs，才能生长出闪锌矿结构。半导体器件电子学北工大电控学院纤锌矿结构六角的，有两个晶格常数c和a，是复式格子。沿c轴方向移动5/8c形成。闪锌矿结构(ZincBlendecrystalstructure)立方晶单胞中含有4个基元（4个III族原子和4个V族原子）复式格子。GaN材料的外延生长：其结构取决于使用的衬底类型六角晶体衬底长出纤锌矿结构立方晶体衬底长出闪锌矿结构目前常用的衬底：sapphireAl2O3，蓝宝石缺点：晶体结构不好，与氮化物的热匹配不好优点:来源广，六角结构，容易处理，高温稳定。由于热匹配不好，缓冲层要厚。半导体器件电子学北工大电控学院SiC作为衬底，热匹配和晶格匹配比较好。缺点：SiC常规工艺很难处理，SiC的结构变数太大。GaN体材料是最理想的。但目前还不能生长出大尺寸的材料。掺杂：n-GaN:Si，Ge，Sn（Selenium）p-GaN：Mg，（1989）Zn，Be，Hg，CBasicParameters:ZincBlendecrystalstructureEnergygaps,Eg3.28eV0KEnergygaps,Eg3.2eV300KElectronaffinity4.1eV300K半导体器件电子学北工大电控学院ConductionbandEnergyseparationbetweenΓvalleyandXvalleysEΓ1.4eV300KEnergyseparationbetweenΓvalleyandLvalleysEL1.6~1.9eV300KEffectiveconductionbanddensityofstates：1.2x1018cm-3300KValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.02eV300KEffectivevalencebanddensityofstates4.1x1019cm-3300K半导体器件电子学北工大电控学院立方晶第一布里渊区－－截角八面体半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院WurtzitecrystalstructureEnergygaps,Eg3.47eV0K3.39eV300KEnergygaps,Eg,dir3.503(2)eV1.6K;photoluminescence,fromexcitonicgapaddingtheexcitonbindingenergy3.4751(5)eV1.6K;A-exciton(transitionfromΓ9v)3.4815(10)eV1.6K;B-exciton(transitionfromupperΓ7v)3.493(5)eV1.6K;C-exciton(transitionfromlowerΓ7v)3.44eV300K;temperaturedependencebelow295Kgivenby:Eg(T)-Eg(0)=-5.08x10-4T2/(996-T),(TinK).Electronaffinity4.1eV300K半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院ConductionbandEnergyseparationbetweenΓvalleyandM-Lvalleys1.1~1.9eV300KEnergyseparationbetweenM-L-valleysdegeneracy6eV300KEnergyseparationbetweenΓvalleyandAvalleys1.3~2.1eV300KEnergyseparationbetweenA-valleydegeneracy1eV300KalsoTheenergyseparationsbetweentheΓ9stateandthetwoΓ7statescanbecalculatedfromtheenergyseparationsoftheA-,B-,C-excitons.Effectiveconductionbanddensityofstates2.3x1018cm-3300K半导体器件电子学北工大电控学院ValencebandEnergyofspin-orbitalsplittingEso0.008eV300KEnergyofspin-orbitalsplittingEso11(+5,-2)meV300K;Energyofcrystal-fieldsplittingEcr0.04eV300KEnergyofcrystal-fieldsplittingEcr22(2)meV300K;calculatedfromthevaluesofenergygapEg,dir(givenabove)Effectivevalencebanddensityofstates4.6x1019cm-3300K半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院2。GaN材料的主要器件特性GaN器件的未来：Electronics：GaN带隙宽，使之最适合高温应用的半导体材料。高迁移率有利于高频应用。多数为二维器件应用。BipolarTransistors：HBT（HeterojunctionBipolarTransistor)由于电流横向流动，功率消耗很小。一种结构：GaN发射极，SiC基极。导带带隙差几乎为零，但价带有很大带隙差。提高发射区发射效率。散热性能好。半导体器件电子学北工大电控学院Photo-Transistors：光电晶体管。基区通过UV光照射后，产生光注入空穴。实现对集电极电流的控制。Thyristors：晶闸管形成pnpn结构，实现电流的开关控制。MemoryDevice：存储器器件是基于电荷存储。半导体材料中带电载流子寿命依赖于电荷逃脱陷阱的激活能。而带隙越宽，通过复合损失的电荷逃脱的可能性就越小。GaN的存储器具有最高的读出效率。半导体器件电子学北工大电控学院GaN器件的未来：Optoelectronics:LED1994年，Nakamura报道了商业化GaN基超亮度LED。在固态照明SSL方面有着巨大的潜力。Optoelectronics:LD通过GaAlN组成异质结，制备出边发光LDs。（Edge-emitting）.只有Nichia制备出CW20C下，工作10000小时。UVDetectorsGaAlN/GaN异质结探测器其波段覆盖太阳盲区，是理想的紫外探测器材料。半导体器件电子学北工大电控学院太阳光谱盲区是指波长在220～280纳米的紫外波段，这一术语来自下列事实:太阳辐射(紫外辐射的主要来源)的这一波段的光波几乎被地球的臭氧层所吸收，所以太阳光谱盲区的紫外辐射变得很微弱。这样，由于空域内太阳光等紫外辐射的能量极其有限，如果出现导弹羽烟的太阳光谱盲区紫外辐射，那么就能在微弱的背景下探测出导弹。X-RayDetectors•制备X-ray探测器。半导体器件电子学北工大电控学院ConductingWindowsforSolarCellsOpticsPiezoelectronicsSurfaceAcousticWaveGenerationAcousto-OpticModulatorPyroelectricity：热电现象。NegativeElectronAffinity半导体器件电子学北工大电控学院2。SiC半导体材料的特性由四族Si原子和C原子组成的化合物半导体SiC晶体结构:具有同质多型的特点半导体器件电子学北工大电控学院几种典型的晶体结构半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院•SiC和Si材料性质：•六方结构SiC的解理面是（1100）（1120）(0001)半导体器件电子学北工大电控学院半导体器件电子学北工大电控学院SiC的技术特性：•高硬度材料；莫氏硬度9.2-9.3，金刚石10•耐磨材料：金