Semiconductor Physics and Device Physics半导体物理与器件物理半导体物理与器件物理Semiconductor Physics and Device Physics2019.4Semiconductor Physics and Device Physics主要教材主要教材:半导体物理学，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业半导体物理学，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业出版社，出版社，2019年年11月第月第7版版 半导体器件物理与工艺，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄半导体器件物理与工艺，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译，苏州大学出版社，秋萍译，苏州大学出版社，2019年年12月第月第1版版 主要参考书：主要参考书：半导体物理与器件（第三版），半导体物理与器件（第三版），Donald A. Neamen著，电子工业出版社著，电子工业出版社 现代半导体器件物理，施敏，科学出版社，现代半导体器件物理，施敏，科学出版社，2019年年 集成电路器件电子学，集成电路器件电子学，R. S. Muller, T. I. Kamins, M. Chan著，王燕等译，电子工业出版社，著，王燕等译，电子工业出版社，2019年第年第3版版Semiconductor Physics and Device PhysicsPart 1: 半导体物理学半导体物理学Part 2: 半导体器件物理学半导体器件物理学OutlineSemiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光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型化器件、电路及系统的电子学分支学科微电子学微电子学半导体概要半导体概要在学科分类中，微电子学既可以属于理学（071202 ），也可以属于工学（080903 微电子学与固体电子学 ）Semiconductor Physics and Device Physics工学工学 （08）0808 电气工程电气工程080801 电机与电气080802 电力系统及其自动化080803 高电压与绝缘技术080804 电力电子与电力传动080805 电力理论与新技术0809 电子科学与技术电子科学与技术（注：可授予工学、理学学位）080901 物理电子学080902 电路与系统080903 微电子学与固体电子学080904 电磁场与微波技术0810 信息与通信工程信息与通信工程081001 通信与信息系统081002 信号与信息处理0811 控制科学与工程控制科学与工程081101 控制理论与控制工程081102 检测技术与自动化装置081103 系统工程081104 模式识别与智能系统081105 导航、制导与控制0812 计算机科学与技术计算机科学与技术（注：可授予工学、理学学位）081201 计算机软件与理论081202 计算机系统结构081203 计算机应用技术 Semiconductor Physics and Device Physics微电子学研究领域微电子学研究领域半导体物理、材料、工艺半导体物理、材料、工艺半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微系统，系统微系统，系统微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、高性能、向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路低功耗、高可靠性电路方向发展方向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域： 光光电集成、电集成、MEMS、生物生物芯片芯片半导体概要半导体概要Semiconductor Physics and Device Physics固体材料：绝缘体、半导体、导体固体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）（其它：半金属，超导体）什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics绪论：微电子、IC的发展历史早期历史发展Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsENIACENIAC（19461946）Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSolutionsNew, new, newwe got to find something newSemiconductor Physics and Device PhysicsMoores law10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002019存储器容量 60%/年 每三年，翻两番1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番Semiconductor Physics and Device Physics 1.E+91.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E +51.E +51.E+41.E+41.E+31.E+370 74 78 82 86 90 94 98 70 74 78 82 86 90 94 98 20192019芯片上的晶体管数目 微处理器性能 每三年翻两番i8080:6,000i8080:6,000m68000:68,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro: 5,500,000PentiumPro: 5,500,000i4004:2,300i4004:2,300M6800:M6800:4,0004,000i8086:28,000i8086:28,000i80286:134,000i80286:134,000m68020:190,000m68020:190,000i80386DX:275,000i80386DX:275,000m68030:273,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,00“Itanium”:15,950,000 0Pentium II: 7,500,000Pentium II: 7,500,000Semiconductor Physics and Device Physics微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002019Peak Peak Advertised Advertised Performance Performance (PAP)(PAP)MooresMooresLawLawReal AppliedReal AppliedPerformance Performance (RAP) (RAP) 41% Growth41% Growth8080808080868086802880286 6803880386 6804880486 6PentiumPentiumPentiumProPentiumProSemiconductor Physics and Device Physics集成电路技术是近集成电路技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术按此比率下降，小汽车按此比率下降，小汽车价格不到价格不到1美分美分Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics等比例缩小(Scaling-down)定律1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数恒定电场定律的问题阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便Semiconductor Physics and Device Physics恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律CE律和CV律的折中，实际采用的最多随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsA、 特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要影响集成度、产量和性价比）B、 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)（主要影响功能）C 、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影响功能和新兴交叉增长点）硅微电子技术的三个发展方向Semiconductor Physics and Device Physics第一个关键技术：微细加工目前0.25m、0.18 m 、0.13 m、 0.11 m、90nm等已相继开始进入大生产90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件，有的已经投产当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM10nm ? Atomic level?A、微电子器件的特征尺寸继续缩小Semiconductor Physics and Device Physics互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（Solid state Technology Oct.,2019）第二个关键技术：互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但在0.13um后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用；在更小的特征尺寸阶段，可靠性问题还有待继续研究开发Semiconductor Physics and Device Physics第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料Semiconductor Physics and Device Physics 传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关系经验关系: L Tox Xj1/3栅介质的限制Semiconductor Physics and Device Physics随着随着 t tgategate 的缩小，栅泄的缩小，栅泄的缩小，栅泄的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长漏电流呈指数性增长漏电流呈指数性增长漏电流呈指数性增长超薄栅超薄栅氧化层氧化层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于栅氧化层厚度小于 3nm后后tgate大量的大量的晶体管晶体管 限制：限制：tgate 3 to 2 nm栅介质的限制Semiconductor Physics and Device Physics栅介质的限制 等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度： Tox 1nm + t栅介质层栅介质层 Tox t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 t栅介质层栅介质层 t量子效应量子效应+ 由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 : : t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 0.5nm 由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度由量子效应引起的等效厚度: : t量子效应量子效应 0.5nm 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm1nm1nm1nmSemiconductor Physics and Device Physics隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介质介质? ?杂质涨落杂质涨落器件沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构? ?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论? ?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米L源源漏漏栅栅Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 栅介质层栅介质层新一代小尺寸器件问题带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量子化效应电源电压电源电压1V时，栅介质层中电场时，栅介质层中电场约为约为5MV/cm，硅中电场约，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应考虑量子化效应的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性Semiconductor Physics and Device Physics0.1 m Sub 0.1 mSemiconductor Physics and Device Physics2030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况在汽车工业和航空工业的情况诞生基于新原理的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路Semiconductor Physics and Device PhysicsSOCSOCSystem On A ChipB、集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device PhysicsICIC的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于PCBPCB板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求ICIC设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，ICIC规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个芯片上集成芯片上集成芯片上集成芯片上集成10108 810109 9个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管分分立立元元件件集成集成电路电路 I C 系系 统统 芯芯 片片System On A Chip(简称简称SOC)将整个系统集成在将整个系统集成在一个一个微电子芯片上微电子芯片上在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下系统芯片系统芯片(SOC)与集成与集成电路电路(IC)的设计思想是的设计思想是不同的，它是微电子技不同的，它是微电子技术领域的一场革命。术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device Physics六十年代的集成电路设计六十年代的集成电路设计微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑图形编辑VddABOutSemiconductor Physics and Device Physics八十年代的电子系统设计八十年代的电子系统设计 PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片Semiconductor Physics and Device Physics世纪之交的系统设计世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIPSYSTEM-ON-A-CHIP深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复用主流主流CAD：软硬件协软硬件协 同设计同设计MEMORYMEMORYCache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAMProcessorProcessorCoreCoreDSP DSP Processor Processor CoreCoreGraphicsGraphicsMPEGMPEGVRAMVRAMMotionMotionEncryption/Encryption/DecryptionDecryptionSCSISCSIEISA InterfaceEISA InterfaceGlueGlueGlueGluePCI InterfacePCI InterfaceI/O InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceLAN InterfaceSemiconductor Physics and Device PhysicsSOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device PhysicsSOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标采用界面综合(Interface Synthesis)技术和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 0.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低集成电路走向系统芯片21世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代Semiconductor Physics and Device PhysicsSOC的三大支持技术软硬件协同设计：Co-DesignIP技术界面综合(Interface Synthesis)技术集成电路走向系统芯片1) 软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论(Function Partition Theory)计算机通讯压缩解压缩加密与解密Semiconductor Physics and Device Physics2) IP技术软IP核：Soft IP (行为描述)固IP核：Firm IP (门级描述，网单)硬IP核：Hard IP(版图)通用模块CMOS DRAM数模混合：D/A、A/D深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上，对速度、功耗、可靠性等进行优化设计最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差Yesterdays chips are todays reusable IP blocks，and can be combined with other functions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）。）。Semiconductor Physics and Device Physics半导体产业的发展半导体产业的发展 Chipless 设计 与 制作 的分工 Fabless Foundry 系统设计师介入IC设计 IP设计 与 SoC 的分工 ChiplessSemiconductor Physics and Device PhysicsIP的特点的特点 复用率高 易于嵌入 实现优化 芯片面积最小 运行速度最高 功率消耗最低 工艺容差最大Semiconductor Physics and Device Physics3）Interface SynthesisIP + Glue Logic (胶连逻辑)面向IP综合的算法及其实现技术 SoC 设计示意设计示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicSemiconductor Physics and Device PhysicsC、MEMS技术和DNA芯片微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS (微机电系统) ：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合1）MEMS: 目前的MEMS与IC初期情况相似集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主集成电路技术的进步，加快了计算机更新换代的速度，对中央处理器（CPU）和随机存贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和RAM这样量大而广的产品Semiconductor Physics and Device PhysicsMEMS器件及应用器件及应用?汽车工业汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺?武器装备武器装备制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化?生物医学生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器?信息和通讯信息和通讯光开关、波分复用器、集成化光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头组件、打印喷头?娱乐消费类娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具Semiconductor Physics and Device Physics2） DNA芯片微电子与生物技术紧密结合的以微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)芯片等为代芯片等为代表的生物工程芯片将是表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点济增长点 它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物 具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片芯片 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达多达10万种万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用 Stanford和和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了或玻璃片上制作出了DNA芯片，包括芯片，包括6000余种余种DNA基因片段基因片段Semiconductor Physics and Device Physics 一般意义上的系统集成芯片一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片电电、光光、声声、热热、磁磁 力力 等等外外 界界 信信号号 的的 采采集集 各各种种 传传 感感器器执执行行器器 、显显示示器器等等信信 息息 输输入入与与模模/数传输数传输信信息息处处理理信信 息息 输输出出与与数数/模转换模转换信息存储信息存储广义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片Semiconductor Physics and Device Physics张海霞“微纳大世界”演讲视频Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态 2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构纯度纯度极高，杂质1013cm-3结构结构Semiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的准晶体准晶体准晶体准晶体Semiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构单胞单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的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最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的 （ b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的Semiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构三维立方单胞三维立方单胞 简立方、简立方、 体心立方、体心立方、 面立方面立方BCCFCCSemiconductor Physics and Device Physics金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构： 构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构Semiconductor Physics and Device Physics金刚石的晶胞金刚石的晶胞金刚石的晶胞金刚石的晶胞金刚石也是一个金刚石也是一个a=b=ca=b=c，=9090的立方晶胞，的立方晶胞，晶胞除了顶点晶胞除了顶点81/8=181/8=1个个C C原原子外，每个面心位置各有子外，每个面心位置各有1 1个个C C原子，由于面心位置原子，由于面心位置C C原子为原子为2 2个晶胞共有。故个晶胞共有。故61/2=361/2=3个个C C原子，除此晶胞内部还有原子，除此晶胞内部还有4 4个个C C原子，所以金刚石晶胞共有原子，所以金刚石晶胞共有1 13 34 48 8个个C C原子。原子。对于晶胞的棱心位置的原子，对于晶胞的棱心位置的原子，则为则为4 4个晶胞共有，计数为个晶胞共有，计数为1/41/4个。个。 Semiconductor Physics and Device Physics金刚石的晶胞金刚石的晶胞Semiconductor Physics and Device PhysicsGraphite 、C60 MovieSemiconductor Physics and Device Physics元元 素素 半半 导导 体体 ：Si、Ge 金刚石晶体结构金刚石晶体结构Semiconductor Physics and Device Physics例：如图所示为一晶格常数为例：如图所示为一晶格常数为a的的Si晶胞，求：晶胞，求： （a）Si原子半径原子半径 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比解：（解：（a）（b）Semiconductor Physics and Device Physics化化 合合 物物 半半 导导 体体 : GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 VS 闪锌矿型Semiconductor Physics and Device Physics金刚石结构（黑白原子同类）金刚石结构（黑白原子同类）硅硅; 锗锗; 灰锡（灰锡（ -Sn）; 人工合成立方氮化硼（人工合成立方氮化硼（c-BN）黑白原子不同类时，闪锌矿结构黑白原子不同类时，闪锌矿结构 -ZnS（闪锌矿）（闪锌矿）; -SiC; GaAs; AlP; InSb 晶胞图晶胞图投影图投影图Semiconductor Physics and Device Physics闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构Semiconductor Physics and Device PhysicsHCP movieSemiconductor Physics and Device PhysicsFCC vs HCPSemiconductor Physics and Device Physics纤锌矿晶体结构纤锌矿晶体结构复式格子复式格子六方晶系简单六方格子P63mc空间群ao=0.382nm，co=0.625nmz = 2与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlNS2-六方紧密堆积排列六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙中，填充在四面体空隙中，只占据了只占据了1/2Semiconductor Physics and Device PhysicsNaCl MoviesSemiconductor Physics and Device PhysicsCO2,SiO2 MoviesSemiconductor Physics and Device Physics原子的能级原子的能级电子壳层电子壳层不同子壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化运动共有化运动Semiconductor Physics and Device Physics+14电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiHSi原子的能级原子的能级Semiconductor Physics and Device Physics原子能级的分裂原子能级的分裂孤立原子的能级孤立原子的能级 4个原子能级的分裂个原子能级的分裂 Semiconductor Physics and Device Physics原子能级的分裂原子能级的分裂原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带 Semiconductor Physics and Device Physics能带形成简单示意Energy Band animation 2.swfEnergy Band animation 1.swfSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor, Insulator and ConductorSemiconductor Physics and Device PhysicsSi的能带的能带 （价带、导带和带隙（价带、导带和带隙Semiconductor Physics and Device Physics价带：价带：0 K0 K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带：导带：0 K0 K条件下未被电子填充的能量的能带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带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E Eg gSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics自由电子的运动自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的运动半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数布洛赫波函数Semiconductor Physics and Device Physics导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带固体材料的能带图固体材料的能带图Semiconductor Physics and Device Physics半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体Semiconductor Physics and Device Physics半导体的能带半导体的能带本征激发本征激发 Semiconductor Physics and Device Physics半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系在导带底部，波数在导带底部，波数 ，附近，附近 值很小，值很小，将将 在在 附近附近泰勒展开泰勒展开 Semiconductor Physics and Device Physics半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系令令 代入上式得代入上式得Semiconductor Physics and Device Physics自由电子的能量自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 Recall对比晶体中的电子：对比晶体中的电子：m的差异的差异Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的平均速度半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示可表示为波包的群速度为波包的群速度 代入代入求导求导Semiconductor Physics and Device Physics自由电子的速度自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 Recall对比晶体中的电子：对比晶体中的电子：m的差异的差异Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化下，外力对电子做功为电子能量的变化Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度令令 即即而经典力学中牛顿运动定律 : a=f/m0Semiconductor Physics and Device Physics有效质量有效质量m*的意义的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅不仅受到外力的作用，受到外力的作用，同时同时还受半导体内还受半导体内部势场的作用部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的意义：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）时更为简便（有效质量可由试验测定）Semiconductor Physics and Device Physics有效质量有效质量m*的意义的意义电子在外力作用下运动受到外电场力f的作用内部原子、电子相互作用内部势场作用引入有效质量外力f和电子的加速度相联系有效质量概括内部势场作用Semiconductor Physics and Device Physics空穴空穴只有非满带电子才可导电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；电子导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电带负电-q（导带底），空穴带正电（导带底），空穴带正电+q（价（价带顶）带顶）Semiconductor Physics and Device PhysicsK空间等能面空间等能面在在k=0处为能带极值处为能带极值导带底附近导带底附近价带顶附近价带顶附近Semiconductor Physics and Device PhysicsK空间等能面空间等能面以以 、 、 为坐标轴构成为坐标轴构成 空间，空间， 空间空间任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢导带底附近导带底附近Semiconductor Physics and Device PhysicsK空间等能面空间等能面对应于某一对应于某一 值，有许多组不同的值，有许多组不同的 ，这些组构成一个封闭面，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。为等能量面，简称等能面。理想情况下等能面为一球面理想情况下等能面为一球面Semiconductor Physics and Device Physics硅的导带结构实际根据回旋共振回旋共振结果有:1) 导带最小值不在导带最小值不在k空间原点空间原点,在在100方向上方向上,即是沿即是沿100方方向的旋转椭球面向的旋转椭球面2) 根据硅晶体立方对称性的要求根据硅晶体立方对称性的要求, 也必有同样的能量在也必有同样的能量在 方向上方向上3) 如图所示如图所示,共有六个旋转椭球共有六个旋转椭球等能面等能面,电子主要分布在这些电子主要分布在这些极值附近极值附近Semiconductor Physics and Device Physics锗的导带结构N型Ge的试验结果：方向共有8个方向图为Ge导带等能面示意图Semiconductor Physics and Device Physics硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构间接带隙间接带隙间接带隙间接带隙Semiconductor Physics and Device PhysicsSi1-xGex混合晶体的能带硅、锗构成的混合晶体写为Si1-xGex，x称为混晶比其禁带宽度Eg随x的变化如图所示Semiconductor Physics and Device Physics砷化镓的能带结构导带极小值位于布里渊区中心导带极小值位于布里渊区中心k0处处,等能面为球面等能面为球面,导带底导带底电子有效质量为电子有效质量为0.067mo 在在方向布里渊区边界还方向布里渊区边界还有一个导带极小值，极值附近有一个导带极小值，极值附近的曲线的曲率比较小的曲线的曲率比较小,此处电此处电子有效质量比较大子有效质量比较大,约为约为0.55mo 它的能量比布里渊它的能量比布里渊区中心极小值的能量高区中心极小值的能量高0.29ev。价带结构与硅、锗类似。室温价带结构与硅、锗类似。室温下禁带宽度为下禁带宽度为1.424ev。 Semiconductor Physics and Device Physics关于本节的内容要深刻地理解，必须具有如下知识： 晶格学(Crystallography) 近代物理(Modern Physics) 量子力学(Quantum Physics) 固体物理(Solid State Physics) 甚至：高等量子力学，固体理论，等Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics实际晶体与理想情况的偏离实际晶体与理想情况的偏离晶格原子是振动的晶格原子是振动的材料含杂质材料含杂质晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子或替位式原子等杂质）点缺陷（空位、间隙原子或替位式原子等杂质）线缺陷（位错）线缺陷（位错）面缺陷（层错）面缺陷（层错）体缺陷体缺陷 （Microvoids）Semiconductor Physics and Device Physics极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质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。导体器件的质量。1个个B原子原子/ 个个Si原子原子 在室温下电导率提高在室温下电导率提高 倍倍Si单晶位错密度要求低于单晶位错密度要求低于杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产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，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允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。改变。与理想情况偏离的后果及原因与理想情况偏离的后果及原因Semiconductor Physics and Device Physics间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为质称为间隙式杂质间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（材料中的离子锂（0.068 nm）。）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为杂质称为替位式杂质替位式杂质。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。被取代的晶格原子相近。如如、族元素在族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质晶体中都为替位式杂质。Semiconductor Physics and Device Physics间隙式杂质、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单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度Semiconductor Physics and Device Physics施主施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电：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。如的电子，并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P和和AsAs N型半导体型半导体As半导体的掺杂半导体的掺杂施主能级施主能级Semiconductor Physics and Device Physics受主受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电：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。如的空穴，并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导体的掺杂半导体的掺杂受主能级受主能级Semiconductor Physics and Device PhysicsGa或As在Si中掺杂Semiconductor Physics and Device Physics半导体的掺杂半导体的掺杂、族杂质在族杂质在Si、Ge晶体中分别为受晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高级；受主能级比价带顶高 ，施主能级，施主能级比导带底低比导带底低 ，均为浅能级，这两种，均为浅能级，这两种杂质称为杂质称为浅能级杂质浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。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。供空穴成为负电中心。Semiconductor Physics and Device Physics浅能级杂质浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。：电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几室温下，掺杂浓度不很高底情况下，浅能级杂质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、锑）、锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝（）、铝（Al）、镓（）、镓（Ga）、铟（）、铟（In）在硅、锗）在硅、锗中为浅受主杂质。中为浅受主杂质。浅能级杂质电离能的简单计算：类氢模型浅能级杂质电离能的简单计算：类氢模型Semiconductor Physics and Device Physics杂质的杂质的补偿补偿作用作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是体是N型还是型还是P型由杂质的浓度差决定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）效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（杂质的高度补偿（ ）Semiconductor Physics and Device Physics杂质的补偿作用杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质时，半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为它们底共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采杂质补偿。在制造半导体器件底过程中，通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率。类型或电阻率。 高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种不大或二者相等，则不能提供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认情况称为杂质的高等补偿。这种材料容易被误认为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，为高纯度半导体，实际上含杂质很多，性能很差，一般不能用来制造半导体器件。一般不能用来制造半导体器件。 Semiconductor Physics and Device Physics设半导体中同时存在施主和受主杂质，设半导体中同时存在施主和受主杂质，且且 。N型半导体型半导体N型半导体型半导体Semiconductor Physics and Device Physics设半导体中同时存在施主和受主杂质，设半导体中同时存在施主和受主杂质，且且 。P型半导体型半导体P型半导体型半导体Semiconductor Physics and Device Physics深能级杂质深能级杂质：非：非族杂质在族杂质在SiSi、GeGe的禁带中产生的的禁带中产生的施主施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能级远离导带底，受主能级远离价带顶。杂质电离能大，能够产生多次电离能够产生多次电离深能级杂质的基本特点：一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大；二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。主能级。三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在第五章详细讨论）。五章详细讨论）。四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作四、是深能级杂质电离后以为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。用，使载流子迁移率减少，导电性能下降。Semiconductor Physics and Device Physics化合物半导体中的杂质能级杂质在砷化镓中的存在形式 四种情况：1）取代砷）取代砷2）取代镓）取代镓3）填隙）填隙4）反位）反位Semiconductor Physics and Device Physics2.2.1 杂质在砷化镓中的存在形式四族元素硅在砷化镓中会产生双四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。杂质作用。这种双性行为可作如下解释：这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用，而且硅也取代了一部分的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代用，因而对于取代族原子镓的族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。子浓度趋于饱和。 Semiconductor Physics and Device Physics点缺陷点缺陷弗仓克耳缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子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，间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为为热缺陷热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是平衡，总是同时存在同时存在的。的。空位空位表现为表现为受主作用受主作用；间隙原子间隙原子表现为表现为施主作用施主作用Semiconductor Physics and Device Physics点缺陷点缺陷替位原子（化合物半导体）替位原子（化合物半导体）Semiconductor Physics and Device Physics位错位错位错是半导体中的一种线缺陷，它严重位错是半导体中的一种线缺陷，它严重影响材料和器件的性能。影响材料和器件的性能。Semiconductor Physics and Device Physics位错位错施主情况施主情况 受主情况受主情况Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics热平衡状态热平衡状态在一定温度下，在一定温度下，载流子的产生载流子的产生和和载流子的复合载流子的复合建建立起一个动态平衡，这时的载流子称为立起一个动态平衡，这时的载流子称为热平衡载热平衡载流子流子。半导体的热平衡状态受半导体的热平衡状态受温度温度影响，某一特定温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。对应某一特定的热平衡状态。半导体的半导体的导电性导电性受受温度温度影响剧烈。影响剧烈。Semiconductor Physics and Device Physics态密度的概念态密度的概念能带中能量能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态数。附近每单位能量间隔内的量子态数。能带中能量为能带中能量为 无限小的能量间隔内有无限小的能量间隔内有 个个量子态，则状态密度量子态，则状态密度 为为EE+dESemiconductor Physics and Device Physics态密度的计算态密度的计算状态密度的计算状态密度的计算单位单位 空间的量子态数空间的量子态数能量能量 在在 空间中所对应的体积空间中所对应的体积前两者相乘得状态数前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度根据定义公式求得态密度Semiconductor Physics and Device Physics空间中的量子态空间中的量子态在在 空间中，电子的允许能量状态密度为空间中，电子的允许能量状态密度为 ，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为度为 ，每个量子态最多只能容纳，每个量子态最多只能容纳一个一个电子电子。Semiconductor Physics and Device Physics态密度态密度导带底附近状态密度（理想情况导带底附近状态密度（理想情况即等能面为球面即等能面为球面）Semiconductor Physics and Device Physics态密度态密度（导带底）（导带底）（价带顶）（价带顶）Semiconductor Physics and Device Physics费米能级费米能级根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计规律子遵循费米统计规律对于能量为对于能量为E E的一个量子态被一个电子占据的概的一个量子态被一个电子占据的概率率 为为 称为电子的费米分布函数称为电子的费米分布函数空穴的费米分布函数？空穴的费米分布函数？Semiconductor Physics and Device Physics费米分布函数费米分布函数 称为费米能级或费米能量称为费米能级或费米能量温度温度导电类型导电类型杂质含量杂质含量能量零点的选取能量零点的选取处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级Semiconductor Physics and Device Physics费米分布函数费米分布函数当当 时时若若 ，则，则若若 ，则，则l在热力学温度为在热力学温度为0 K0 K时，费米能级时，费米能级 可看成量子态可看成量子态是否被电子占据的一个界限是否被电子占据的一个界限 当当 时时若若 ，则，则若若 ，则，则若若 ，则，则l费米能级是量子态基本上被费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空的一电子占据或基本上是空的一 个标志个标志Semiconductor Physics and Device Physics玻尔兹曼分布函数玻尔兹曼分布函数当当 时时，由于，由于 ，所以所以费米分布函数费米分布函数转化为转化为 称为电子的称为电子的玻尔兹曼分布函数玻尔兹曼分布函数Semiconductor Physics and Device Physics玻尔兹曼分布函数玻尔兹曼分布函数空穴的玻尔兹曼分布函数空穴的玻尔兹曼分布函数: :导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（绝大绝大多数电子分布在导带底多数电子分布在导带底）；价带中的空穴分布可用空穴的）；价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写（玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数空穴分布在价带顶绝大多数空穴分布在价带顶）服从服从费米统计律费米统计律的电子系统称为的电子系统称为简并性系统简并性系统；服从；服从玻尔兹玻尔兹曼统计律曼统计律的电子系统称为的电子系统称为非简并性系统非简并性系统费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：前者受泡利不前者受泡利不相容原理的限制相容原理的限制Semiconductor Physics and Device Physics导带中的电子浓度导带中的电子浓度在导带上的在导带上的 间有间有 个电子个电子从导带底到导带顶对从导带底到导带顶对 进行积分，得到进行积分，得到能带中的电子总数，除以半导体体积，就得到了导能带中的电子总数，除以半导体体积，就得到了导带中的电子浓度带中的电子浓度 Consider Boltzmann DistributionSemiconductor Physics and Device Physics导带中的电子浓度导带中的电子浓度LetSemiconductor Physics and Device Physics导带中的电子浓度导带中的电子浓度导带宽度的典型值一般导带宽度的典型值一般 ， ，所以，所以 ，因此，因此， ，积分上限改为，积分上限改为 并不影并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为响结果。由此可得导带中电子浓度为价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度p0同理得价带中的空穴浓度同理得价带中的空穴浓度Semiconductor Physics and Device Physics载流子浓度乘积载流子浓度乘积载流子浓度乘积载流子浓度乘积热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，乘积乘积 是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然就会减小；反之亦然Semiconductor Physics and Device Physics本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度本征半导体本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体无任何杂质和缺陷的半导体Semiconductor Physics and Device Physics本征半导体中的费米能级本征半导体中的费米能级:本征费米能级本征费米能级Semiconductor Physics and Device Physics本征半导体中的载流子浓度本征半导体中的载流子浓度:本征载流子浓度本征载流子浓度既适用于本征半导体，也适用于非既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂质半导体简并的杂质半导体Semiconductor Physics and Device Physics杂质半导体载流子浓度杂质半导体载流子浓度一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子杂质能级只能是下面两种情况之一杂质能级只能是下面两种情况之一被一个有任一自旋方向的电子占据被一个有任一自旋方向的电子占据不接受电子不接受电子以施主能级为例，施主能级上的电子占据以施主能级为例，施主能级上的电子占据Semiconductor Physics and Device Physics杂质半导体载流子浓度杂质半导体载流子浓度施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度）施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度）电离施主浓度电离施主浓度Semiconductor Physics and Device Physics杂质半导体载流子浓度杂质半导体载流子浓度电离受主浓度电离受主浓度类似地，受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）类似地，受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）Semiconductor Physics and Device Physicsn和p的其他变换公式本征半导体时， 所以一般情况下（本征或杂质半导体）中：所以一般情况下（本征或杂质半导体）中：用用 ni , Ei表示表示Semiconductor Physics and Device Physics费米能级费米能级对掺杂半导体，Semiconductor Physics and Device Physics费米能级费米能级接近室温时(全电离)EF-Ei=kT ln(ND/ni)Semiconductor Physics and Device Physics练习Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性 5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics载流子输运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Semiconductor Physics and Device Physics欧姆定律金属导体外加电压 ，电流强度为电流密度为Semiconductor Physics and Device Physics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Semiconductor Physics and Device Physics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 Semiconductor Physics and Device Physics漂移速度漂移速度 Semiconductor Physics and Device Physics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Semiconductor Physics and Device Physics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Semiconductor Physics and Device Physics热运动(某T下达到热平衡）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0，净电流为0平均自由时间为：Semiconductor Physics and Device Physics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Semiconductor Physics and Device Physics散射的原因载流子在半导体内发生散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。主要散射机制：电离杂质，晶格Semiconductor Physics and Device Physics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Pi代表单位时间内一个载流子受到散射的次数电离施主散射电离受主散射Semiconductor Physics and Device Physics晶格振动的散射格波形成原子振动的基本波动格波波矢 对应于某一q值的格波数目不定，一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数Si、Ge半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个q就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，称为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，称为非弹性散射Semiconductor Physics and Device Physics晶格振动的散射声学波散射在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化声学波散射概率光学波散射在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大Semiconductor Physics and Device PhysicsQuiz1、载流子的热运动在半导体内会构成电流、载流子的热运动在半导体内会构成电流。（。（ ） 2、在半导体中，载流子的三种输运方式为（、在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。 3、载流子在外电场的作用下是（、载流子在外电场的作用下是（ ）和（）和（ ）两种运动的叠加，因此电流密度大小（两种运动的叠加，因此电流密度大小（ ）。）。4、什么是散射、什么是散射? Semiconductor Physics and Device Physics自由时间 与散射几率 的关系N个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射的电子数为 ，则在 时间内被散射的电子数为因此上式的解为则 被散射的电子数为Semiconductor Physics and Device Physics 与 的关系在 时间内被散射的所有电子的自由时间为 ，这些电子自由时间的总和为 ，则 个电子的平均自由时间可表示为Semiconductor Physics and Device Physics 、 与 的关系平均漂移速度为Semiconductor Physics and Device Physics 、 与 的关系N型半导体P型半导体本征半导体Semiconductor Physics and Device Physics 与 及 的关系电离杂质散射声学波散射光学波散射Semiconductor Physics and Device Physics 与 及 的关系电离杂质散射声学波散射光学波散射Semiconductor Physics and Device Physics影响迁移率的因素与散射有与散射有关关晶格晶格散射散射电离电离杂质杂质散射散射Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsN型半导体P型半导体本征半导体电阻率Semiconductor Physics and Device Physics 与掺杂的关系N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体Semiconductor Physics and Device Physics本征半导体本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体杂质半导体（区别于金属）（区别于金属） 与T的关系Semiconductor Physics and Device Physics速度饱和在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移速度速度v与外加电场强度与外加电场强度E呈线性关系；随着外加电呈线性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非线性关系，最终平均漂场的不断增大，两者呈非线性关系，最终平均漂移速度达到一移速度达到一饱和值饱和值，不随，不随E变化。变化。n-Ge:Semiconductor Physics and Device Physics*耿氏效应耿氏效应耿氏效应n-GaAsn-GaAs外加电场强度超过外加电场强度超过 时，半导体内时，半导体内的电流以的电流以 的频率发生振荡的频率发生振荡Semiconductor Physics and Device Physics练习练习一、判断一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。最显著。 （ ）2、不同的、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。不可标志晶体中电子的共有化状态。 （ ）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。作用。 （ ）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。体。 （ ）Semiconductor Physics and Device Physics练习练习二、填空二、填空1、半导体材料结构可分为（、半导体材料结构可分为（ ）、（）、（ ）、（）、（ ），），应用最为广泛的是（应用最为广泛的是（ ）。）。2、金刚石型单胞的基础结构为（、金刚石型单胞的基础结构为（ ），金刚石型为），金刚石型为（ ）对称性，闪锌矿型结构为（）对称性，闪锌矿型结构为（ ）对称性，纤）对称性，纤锌矿型为（锌矿型为（ ）对称性。）对称性。3、导带和价带间间隙称为（、导带和价带间间隙称为（ ），），Si的禁带宽度为的禁带宽度为（ ），），Ge为（为（ ），），GaAs为（为（ ）。）。4、固体按其导电性可分为（、固体按其导电性可分为（ ）、（）、（ ）、（）、（ ）。）。Semiconductor Physics and Device Physics练习练习5、杂质总共可分为两大类（、杂质总共可分为两大类（ ）和（）和（ ），），施主杂质为（施主杂质为（ ），受主杂质为（），受主杂质为（ ）。）。6、施主杂质向（、施主杂质向（ ）带提供（）带提供（ ）成为（）成为（ ）电中心；受主杂质向（）电中心；受主杂质向（ ）带提供（）带提供（ ）成为（成为（ ）电中心。）电中心。7 、热平衡时，能级热平衡时，能级E处的空穴浓度为（处的空穴浓度为（ ）。）。8 、在半导体中，载流子的三种输运方式为（在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。Semiconductor Physics and Device Physics练习练习三、简答三、简答1、单胞的概念及两大注意点？、单胞的概念及两大注意点？2、三种立方单胞的名称？、三种立方单胞的名称？3、引入有效质量的原因及意义？、引入有效质量的原因及意义？4、 的物理含义？的物理含义？5、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？ 6、在外加电场、在外加电场E作用下，为什么半导体内载流子的作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。7、在室温下，热平衡时，、在室温下，热平衡时，Si半导体中半导体中 ， ，求半导体中的电子和空穴浓度。，求半导体中的电子和空穴浓度。Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子 6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics平衡载流子在某一平衡状态下的载流子称为平衡载流子在某一平衡状态下的载流子称为平衡载流子本征或非简并半导体本征或非简并半导体处于热平衡状态处于热平衡状态的判据式的判据式（只受温度T影响）RecallSemiconductor Physics and Device Physics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过剩载流子，也称为也称为非平衡载流子非平衡载流子过剩载流子（非平衡载流子）过剩载流子（非平衡载流子）非平衡载流子的光注入非平衡载流子的光注入Semiconductor Physics and Device Physics平衡载流子满足费米狄拉克统计分布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过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布且公式且公式不成立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Semiconductor Physics and Device Physics过剩载流子和电中性平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性要求：电中性要求：小注入条件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡：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时的多数载流子浓度小的多Semiconductor Physics and Device Physics小注入条件例：室温下一受到微扰的掺杂硅，例：室温下一受到微扰的掺杂硅， 判断其是否满足小注入条件？判断其是否满足小注入条件？解：解：满足小注入条件！（满足小注入条件！（ ）注：（注：（1）即使在小注入的情况下，）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度非平衡少数载流子浓度还是可以比还是可以比平衡平衡少数载流子浓度少数载流子浓度大的多大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子非平衡载流子都指非平衡少数载流子(非平衡多子一般远小于平衡多子浓度，所以一般不起作用）非平衡多子一般远小于平衡多子浓度，所以一般不起作用） Semiconductor Physics and Device Physics非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关闭，如果光突然关闭， 和和 将随时间逐渐衰减直至将随时间逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常数，衰减的时间常数称为寿命称为寿命 ，也常称为也常称为少数载流子寿命少数载流子寿命 单位时间内非平衡载流子的单位时间内非平衡载流子的复合概率复合概率 非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率Semiconductor Physics and Device Physics复合复合n型材料中的空穴型材料中的空穴p当当 时，时， ，故寿命，故寿命 标志着非平衡标志着非平衡载流子浓度减小到原值的载流子浓度减小到原值的1/e1/e所经历的时间；寿命越短，所经历的时间；寿命越短，衰减越快衰减越快 Semiconductor Physics and Device Physics费米能级热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级统一的费米能级是热平衡状态的标志统一的费米能级是热平衡状态的标志Semiconductor Physics and Device Physics准费米能级当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过过热跃迁热跃迁实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为价带费米能级，称其为“准费米能级准费米能级”Semiconductor Physics and Device Physics准费米能级注：注： 非平衡载流子越多，准费米能级偏离非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。就越远。 在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大能级偏离费米能级较大Semiconductor Physics and Device Physics准费米能级注：注： 两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度体偏离热平衡状态的程度Semiconductor Physics and Device Physics产生和复合产生和复合产生产生载流子（电子和空穴）被创建的过程载流子（电子和空穴）被创建的过程产生率（产生率（G）：单位时间单位体积内所产生的电子空：单位时间单位体积内所产生的电子空穴对数穴对数复合复合载流子（电子和空穴）消失的过程载流子（电子和空穴）消失的过程复合率（复合率（R）：单位时间单位体积内复合掉的电子空：单位时间单位体积内复合掉的电子空穴对数穴对数产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流Semiconductor Physics and Device Physics复合复合直接复合 间接复合 Auger复合（禁带宽度小的半导体材料）（禁带宽度小的半导体材料）（窄禁带半导体（窄禁带半导体及高温情况下）及高温情况下）（具有深能级杂质的半导（具有深能级杂质的半导体材料）体材料）Semiconductor Physics and Device Physics产生产生直接产生 R-G中心产生 载流子产生 与碰撞电离Semiconductor Physics and Device PhysicsQuiz1、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。流子浓度比平衡载流子浓度小。 （ ）2、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（的（ ）所经历的时间。）所经历的时间。3、简述小注入条件、简述小注入条件4、处于非平衡态的、处于非平衡态的p型半导体中，型半导体中， 和和 哪哪个距个距 近？为什么？近？为什么？Semiconductor Physics and Device Physics陷阱效应陷阱效应当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定的累非平衡载流子的作用，即具有一定的陷阱陷阱效应效应所有杂质能级都具有陷阱效应所有杂质能级都具有陷阱效应具有显著陷阱效应的杂质能级称为具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱陷阱；相应；相应的杂质和缺陷称为的杂质和缺陷称为陷阱中心陷阱中心杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用于陷阱作用Semiconductor Physics and Device Physics扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动粒子从高浓度向低浓度区域运动Semiconductor Physics and Device Physics扩散电流Semiconductor Physics and Device Physics总电流扩散+漂移Semiconductor Physics and Device Physics扩散系数扩散系数D和迁移率和迁移率 的关系的关系考虑非均匀半导体Semiconductor Physics and Device Physics爱因斯坦关系爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0Semiconductor Physics and Device Physics连续性方程连续性方程Semiconductor Physics and Device Physics举例掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？( ) Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结 7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device PhysicsPN结杂质分布结杂质分布PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间的边界型区之间的边界PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更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好地理解器件典型制造过程典型制造过程1.Alloyed Junctions (合金结合金结)；2.Diffused Junctions (扩散结扩散结)； 3.Ion Implantation (离子注入离子注入)；4.Epitaxial Growth (外延生长外延生长)Semiconductor Physics and Device Physicsp-n结基本结构结基本结构Semiconductor Physics and Device Physics合金温度合金温度降温再结晶降温再结晶Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics扩扩 散散 Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsPN结的形成结的形成PN结结Flash动画演示动画演示.swfPN结结.swf刚接触，扩散漂移刚接触，扩散漂移（达到动态平衡）扩散扩散=漂移漂移内建电场内建电场漂移漂移Semiconductor Physics and Device PhysicsEFn高于高于EFp表明两表明两种半导体中的电子种半导体中的电子填充能带的水平不填充能带的水平不同。同。能带图能带图 (Enery band diagram)Semiconductor Physics and Device PhysicsPN结中的能带Semiconductor Physics and Device Physics内建电势内建电势Vbi，或接触电势差，或接触电势差 (The Contact Potential) VD 平衡时Semiconductor Physics and Device Physics内内建建电电势势内建电场 方向Semiconductor Physics and Device Physics内建电势内建电势PN结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度ND、NA、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度Semiconductor Physics and Device Physics能带能带内建电势内建电势电场电场电荷密度电荷密度空间电荷区（耗尽区）空间电荷区（耗尽区）Semiconductor Physics and Device PhysicsPN结分类：按杂质分布结分类：按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 突变结突变结 （单边突变结）（单边突变结）: 线性缓变结线性缓变结:浅结、重掺杂（浅结、重掺杂（3um） 或外延的或外延的PN结结Semiconductor Physics and Device Physics缓变结与突变结缓变结与突变结Semiconductor Physics and Device Physics空间电荷区宽度空间电荷区宽度(Space charge region width)突变结突变结Semiconductor Physics and Device Physics载流子分布载流子分布( Carrier distributions)Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsVA 0条件下的突变结条件下的突变结外加电压全部降落在耗尽区，外加电压全部降落在耗尽区，VA大于大于0时，使耗尽区势时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为Vbi-VASemiconductor Physics and Device Physics反偏反偏PN结结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？Semiconductor Physics and Device Physics理想二极管PN结正偏时Semiconductor Physics and Device Physics理想二极管PN结反偏时Semiconductor Physics and Device Physics理想二极管的定量方程基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。体内电中性区宽度型区掺杂均匀分布，是突变结。体内电中性区宽度远大于扩散长度。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，载流子在冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在PNPN结中一维流动。结中一维流动。空间电荷区（耗尽层）宽度远小于少子扩散长度空间电荷区（耗尽层）宽度远小于少子扩散长度, ,势垒区的势垒区的自由载流子全部耗尽自由载流子全部耗尽, ,并忽略势垒区中载流子的产生和复合。并忽略势垒区中载流子的产生和复合。即不考虑空间电荷区的产生即不考虑空间电荷区的产生- -复合作用复合作用( (无源或漏）。无源或漏）。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。区上。小注入小注入: :注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场可忽略。载流子边界浓度由结电势降决定，即由玻尔兹曼分布决定载流子边界浓度由结电势降决定，即由玻尔兹曼分布决定（FermiFermi分布的经典近似适用）分布的经典近似适用）J-V characteristics of a ideal p-n junctionSemiconductor Physics and Device Physics准中性区载流子浓度准中性区载流子浓度Semiconductor Physics and Device Physics理想二极管方程理想二极管方程求解过程求解过程准中性区少子扩准中性区少子扩散方程散方程求求Jp(xn)求求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp)Semiconductor Physics and Device PhysicsSpace charge regionNeutral regionDiffusion regionSemiconductor Physics and Device Physics这两股电流之和就是正向偏置下流过这两股电流之和就是正向偏置下流过p-np-n结的电流。结的电流。P P区空穴向区空穴向n n区扩散区扩散空穴扩散电流空穴扩散电流n n区电子向区电子向P P区扩散区扩散电子扩散电流电子扩散电流。Semiconductor Physics and Device Physics 根据电流连续性原理，通过根据电流连续性原理，通过p-np-n结中任一截面的总电流结中任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。比例有所不同而已。考虑考虑-x-xp p截面：截面：忽略了势垒区载流子的产生和复合：忽略了势垒区载流子的产生和复合：Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics准费米能级正偏时少子分布（上）及电流的分布（下）正偏时少子分布（上）及电流的分布（下）N区区P区区Semiconductor Physics and Device Physics正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布正向偏置时，半导体内的载流子浓度分布Semiconductor Physics and Device Physics加正向偏置加正向偏置V后，结电压为（后，结电压为（VD-Vf），），Semiconductor Physics and Device Physics在在xp处注入的非平衡电子浓度为：处注入的非平衡电子浓度为：在在xn处注入的非平衡空穴浓度为：处注入的非平衡空穴浓度为：Semiconductor Physics and Device Physics同理：同理：-肖克莱方肖克莱方程程Semiconductor Physics and Device Physics外加电场外加电场Vr与内建电场方向一致与内建电场方向一致扩散扩散漂移漂移(2) 反向偏置反向偏置 （Reverse bias）VD增大为（增大为（VD+Vr），相应地势垒区加宽），相应地势垒区加宽Semiconductor Physics and Device Physics 势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动，形成了运动，形成了反向扩散电流反向扩散电流。Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度式中，式中，Js不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。Jr与反向电压与反向电压Vr无关，是因为当反向电压无关，是因为当反向电压V的绝对值的绝对值足够大时，边界上的少子浓度为零。足够大时，边界上的少子浓度为零。Semiconductor Physics and Device Physicsp-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示正向：正向：V= Vf反向：反向：V= -Vrp-n结的伏结的伏-安特安特性性（3）J-V characteristics of a p-n junctionv 单向导电性单向导电性-整流整流Ge、Si、GaAs：0.3、 0.7、1VSemiconductor Physics and Device PhysicsPN结电流结电流Semiconductor Physics and Device Physics与理想情况的偏差与理想情况的偏差大注入效应大注入效应空间电荷区的产生、复合空间电荷区的产生、复合串联电阻效应串联电阻效应温度的影响温度的影响Semiconductor Physics and Device PhysicsPN结电流与温度的关系结电流与温度的关系二极管伏安特性二极管伏安特性.swfSemiconductor Physics and Device Physicsv 温度影响大温度影响大v 单边突变结单边突变结I-V特性由轻掺杂一边决定。特性由轻掺杂一边决定。Semiconductor Physics and Device Physics影响影响p-n结伏结伏-安安特性的主要因素：特性的主要因素：产生偏差的原因：产生偏差的原因：（1）正向小电压时忽略了）正向小电压时忽略了势垒区的复合势垒区的复合；正向大电；正向大电压时忽略了外加电压在压时忽略了外加电压在扩散区扩散区和和体电阻体电阻上的压降。上的压降。（2）在反向偏置时忽略了势垒区的）在反向偏置时忽略了势垒区的产生产生电流。电流。Semiconductor Physics and Device Physics空间电荷区的产生与复合空间电荷区的产生与复合正向有复合电流（复合对正向电流的影响）正向有复合电流（复合对正向电流的影响）反向有产生电流（产生对反向电流的影响）反向有产生电流（产生对反向电流的影响）Semiconductor Physics and Device Physics空间电荷区的产生与复合空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时反向偏置时,正向偏置时正向偏置时, 计算比较复杂计算比较复杂VA愈低，愈低，IR-G愈是起支配作用愈是起支配作用Semiconductor Physics and Device Physics空间电荷区的复合电流空间电荷区的复合电流Semiconductor Physics and Device Physics空间电荷区的产生电流空间电荷区的产生电流Semiconductor Physics and Device PhysicsVAVbi时的大电流现象时的大电流现象串联电阻效应（对正向电流的影响）串联电阻效应（对正向电流的影响）q/kTLog(I)VA当二极管上的电压降和当二极管上的电压降和kT/q可比拟甚至更大时，二极管可比拟甚至更大时，二极管上的压降将显著降低势垒伤上的压降将显著降低势垒伤得真实有作用的电压降，导得真实有作用的电压降，导致似乎外加电压变小了，通致似乎外加电压变小了，通常显示为一个正向的常显示为一个正向的“不应不应期期”Semiconductor Physics and Device Physics注入p+-n结的n侧的空穴及其所造成的电子分布大大注入注入扩散区产生内建电场扩散区产生内建电场Semiconductor Physics and Device PhysicsVAVbi时的大电流现象时的大电流现象-1大注入效应大注入效应（对正向电流的影响）（对正向电流的影响）大大注注入入是是指指正正偏偏工工作作时时注注入入载载流流子子密密度度等等于于或或高高于于平平衡衡多多子子密密度度的的工工作状态。作状态。pnnnoSemiconductor Physics and Device PhysicsVAVbi时的大电流现象时的大电流现象-2Semiconductor Physics and Device PhysicsVAVbi时的大电流现象时的大电流现象-3VA越大越大, 电流上升变缓电流上升变缓Semiconductor Physics and Device Physics反向击穿反向击穿电流急剧增加电流急剧增加可逆可逆雪崩倍增雪崩倍增齐纳过程齐纳过程不可逆不可逆热击穿热击穿产生击穿的机制热效应隧道效应雪崩效应Semiconductor Physics and Device Physics 在反向偏置下，当反向电压很大时，在反向偏置下，当反向电压很大时， p-n结的反结的反向电流突然增加，从而破坏了向电流突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性结的整流特性- p-n结的击穿结的击穿。Semiconductor Physics and Device Physics p-n p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，当它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激它与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子发到导带，形成电子- -空穴对空穴对碰撞电离。碰撞电离。 (1)雪崩击穿雪崩击穿(Avalanche breakdown)Semiconductor Physics and Device Physics雪崩击穿原因 PN结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量 载流子与晶格碰撞 能量足够大时价带电子被激发到导带产生一对电子空穴 新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为 105106 V / cm非破坏性可逆击穿Semiconductor Physics and Device Physics雪崩倍增雪崩倍增Semiconductor Physics and Device Physics雪崩倍增连锁反应使载流子的数量倍增式的急剧增雪崩倍增连锁反应使载流子的数量倍增式的急剧增多，因而多，因而p-np-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素：影响雪崩击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小击穿电压小.2.势垒宽度势垒宽度:势垒宽度足够宽势垒宽度足够宽,击穿电压小击穿电压小 3.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大击穿电压越大.4.温度温度:温度升高温度升高,击穿电压增大击穿电压增大.Semiconductor Physics and Device Physics(2)(2)齐纳齐纳击穿击穿(Zener berakdown)或隧道击穿或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制结中的击穿机制. 根据量子力学的观点根据量子力学的观点, ,当势垒宽度当势垒宽度X XABAB足够窄时足够窄时, ,将有电将有电子穿透禁带子穿透禁带. .当外加反向电压很大时当外加反向电压很大时, ,能带倾斜严重能带倾斜严重, ,势垒势垒宽度宽度X XABAB变得更窄变得更窄. .造成很大的反向电流造成很大的反向电流. .使使p-np-n结击穿结击穿. .XDXABSemiconductor Physics and Device Physics反向偏压升高 P区价带顶高于 N区导带底 当势垒区宽度较小 P区价带电子按一定几率穿透势垒到达N区导带 形成电子空穴对这种效应称 “隧道效应” 一般：隧道击穿的电压较低， 如 Si PN 结，VB 6.7 V 非破坏性可逆击穿 P+区N+区势垒区ECEV隧道击穿Semiconductor Physics and Device Physics齐纳齐纳(隧穿隧穿)过程过程产生了隧穿效应产生了隧穿效应E隧道穿透几率隧道穿透几率P P：隧道长度隧道长度: :隧道击穿隧道击穿: VB6Eg/qSemiconductor Physics and Device Physics影响齐纳击穿电压的主要因素：影响齐纳击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度掺杂浓度大大,击穿电压击穿电压小小. 2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度禁带宽度越宽越宽,击穿电压击穿电压越大越大.3.温度温度:温度温度升高升高,击穿电压击穿电压下降下降. 齐纳击穿电压具有齐纳击穿电压具有负负的温度系数的温度系数,而雪崩击穿电而雪崩击穿电压具有压具有正正的温度系数的温度系数,这种温度效应是区分两种击穿这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法机构的重要方法. 掺杂浓度高掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下反向偏压不高的情况下,易发生齐易发生齐纳击穿纳击穿. 相反相反,易发生雪崩击穿易发生雪崩击穿.Semiconductor Physics and Device Physics(3) 热击穿热击穿热损耗局部升温电流增加 破坏性击穿 禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.Semiconductor Physics and Device Physicsp-n结中的隧道效应：隧道二极管结中的隧道效应：隧道二极管 当当p-np-n结的两边都是重掺杂时结的两边都是重掺杂时: (1) : (1) 费米能级分别费米能级分别进入导带和价带进入导带和价带. (2). (2)势垒十分薄势垒十分薄. . 在外加正向或反向电压下在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流势垒产生额外的电流. 隧道电流隧道电流平衡时Semiconductor Physics and Device Physics加正向电压的情况加正向电压的情况加反向电压的情况加反向电压的情况隧道二极管的优点：隧道二极管的优点：温度影响小、高频特性良好温度影响小、高频特性良好Semiconductor Physics and Device Physicsp-n结的光生伏特效应：太阳电池结的光生伏特效应：太阳电池 如果用如果用hEg的光照射具有的光照射具有p-n结结构的半导体表面结结构的半导体表面,那么只要结的深度在光的透入深度范围内那么只要结的深度在光的透入深度范围内,光照的结果将光照的结果将在光照面和暗面之间产生光电压在光照面和暗面之间产生光电压. 光生伏特效应光生伏特效应.Semiconductor Physics and Device PhysicsPN结二极管的等效电路结二极管的等效电路小信号加到小信号加到PN结上结上+ -vaVA+ -PNRsGCSemiconductor Physics and Device Physics p-n结电容结电容 (Capacitance of p-n Junctions)p-np-n结电容包括势垒电容和扩散两部分。结电容包括势垒电容和扩散两部分。（1 1）势垒电容）势垒电容C CT T由于势垒区电荷的变由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效化表现出来的电容效应应- -势垒电容势垒电容也称结电容（也称结电容（Junction capacitance）Semiconductor Physics and Device Physics反向偏置结电容反向偏置结电容也称势垒电容或也称势垒电容或过渡区电容过渡区电容Semiconductor Physics and Device Physics势垒电容势垒电容对于线性缓变结对于线性缓变结对于突变结：对于突变结：Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics反向偏置结电容反向偏置结电容-1Semiconductor Physics and Device Physics对于突变结：对于突变结：Semiconductor Physics and Device Physics反向偏置结电容反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量荷总量Semiconductor Physics and Device Physics其中 :Semiconductor Physics and Device Physics由于正向电压由于正向电压V V的变化引起扩散区中储存电荷的变化引起扩散区中储存电荷Q Q的变化，的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容扩散电容。(2) 扩散电容扩散电容也称电荷存储电容（也称电荷存储电容（charge storage capacitance charge storage capacitance ）Semiconductor Physics and Device Physics由于正向电压由于正向电压V V的变化引起扩散区中储存电荷的变化引起扩散区中储存电荷Q Q的变化，的变化，相当于电容的充放电。这种电容称为相当于电容的充放电。这种电容称为扩散电容扩散电容。也称电荷存储电容（也称电荷存储电容（charge storage capacitance charge storage capacitance ）Semiconductor Physics and Device Physics扩散电容扩散电容Semiconductor Physics and Device Physics扩散电容扩散电容-1表现为电容形式表现为电容形式Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics扩散电容扩散电容-2扩散电容与正向电流成正比扩散电容与正向电流成正比Semiconductor Physics and Device Physics CT与与CD都与都与p-n结的面积结的面积A成正比，且随外加成正比，且随外加电压而变化。电压而变化。点接触式二极管面积很小，点接触式二极管面积很小， CT 、CD ：0.51pF面结型二极管中的整流管面积大，面结型二极管中的整流管面积大， CT 、CD ：几十：几十几百几百pFSemiconductor Physics and Device Physics（3）总电容）总电容p-n结的总电容为两者之和：结的总电容为两者之和：正向偏置正向偏置p-n结时，以结时，以CD为主，为主，CjCD反向偏置反向偏置p-n结时，以结时，以CT为主，为主，CjCTSemiconductor Physics and Device Physics参数提取和杂质分布参数提取和杂质分布CV测量系统测量系统VA1/C2VbiSemiconductor Physics and Device Physics频率特性和开关特性PN结大信号工作特点： ID-VA特性，CD-VA特性以及CT-VA特性都是非线性的PN结小信号工作特点：信号电流与信号电压之间满足线性变化关系Semiconductor Physics and Device Physics小信号等效电路Semiconductor Physics and Device Physicsv p-n结的直流伏结的直流伏-安特性表明：安特性表明： 1. 具有单向导电性。具有单向导电性。 2. 具有可变电阻性。具有可变电阻性。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。特别是在高频运用时，这个电容效应更为显著。v p-n结的交流特性表明结的交流特性表明:p-n结还具有可变电容的性质结还具有可变电容的性质Semiconductor Physics and Device Physics一般pn结的两边是用同一种材料做成的，也称为“同质结”。广义上说，如果结两边是用不同的材料制成，就称为“异质结”，但一般所说的指两种不同半导体材料的接触构成的半导体异质结。根据结两边半导体材料的导电类型，异质结可分为反型异质结(p-n，n-p)和同型异质结(n-n，p-p)两类。另外，异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结，当前人们研究较多的是突变型异质结。半导体异质结的发展及其性质半导体异质结的发展及其性质Semiconductor Physics and Device Physics主要内容：异质结器件的发展过程 异质结结构的物理性质当前的一些研究进展Semiconductor Physics and Device Physicspn结是组成集成电路的主要细胞，50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。1947年12月，巴丁/布喇頓/肖克萊发明点接触晶体管。1949年肖克莱提出pn结理论 ，也称为理想pn结的肖克莱方程： j=js(eqv/kT-1); 其中j=q(np0Dn/Ln+pnDp/Lp). 1957年，克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结，比同质结具有更高的注入效率。 1962年，Anderson提出了异质结的理论模型，他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构，晶格常数和热膨胀系数，基本说明了电流输运过程。 1968年美国贝尔实验室和苏联约飞研究所都宣布做成了GaAs-Alx/Ga1-xAs双异质结激光器。在70年代里，液向外延(LPE)，汽相外延(VPE)，金属有机化学气相沉积(MO-CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。 异质结器件的发展过程Semiconductor Physics and Device Physics理想异质结的I-V曲线Semiconductor Physics and Device Physics异质结的结构：NP空间电荷区空间电荷区XM空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层空间电荷区耗尽层X XN NX XP P空间电荷区为高阻区，因缺少载流子空间电荷区为高阻区，因缺少载流子Semiconductor Physics and Device Physics异质结的能带图（不考虑界面态）Semiconductor Physics and Device Physics理想突变反型异质结的物理性质1.在零偏压下，接触界面上的费米能级要相等，发生载流子扩散运动，界面附近留下一个空间电荷区（耗尽区或者势垒区）。在热平衡下，即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时，产生了一个内建电场，电势差满足：qVD=EF2-EF1， 势场分布为VD1/VD2=1NA/2ND， 势垒电容 CT=dQ/dT=A 0.52.平衡时能带的两个特点：(1)能带发生了弯曲，出现了尖峰和凹口; (2)能呆在交界面上不连续，导带底上的突变EC=1-2, 价带顶的突变EV=(Eg2-Eg1)-(1-2)Semiconductor Physics and Device Physics考虑界面态时异质结的能带图：1. 异质结的界面态主要来自组成成异质结的晶格失配，定义晶格失配为2(a2-a1)/(a1+a2) 。 晶格失配会在交界面上产生悬挂建，引入界面态。界面态密度DIT会直接影响异质结的各个物理性质。另外，两种材料的热膨胀系数不同和化合物半导体中的成分元素的互扩散都会引入界面态。当两种材料的晶格常数极为接近时，晶格匹配较好，可以不考界面态的影响；实际上都要考虑这个影响。有时候可加入少量杂质元素改变晶格匹配效果，例如在Si1-xGex/Si异质结中加入C原子，1%的C 可以补偿91.4% 的Ge 所带来的压应变。2. 增加了界面态能级，它们将成为载流子的非辐射复合中心。3. 影响界面附近的电荷分布。Semiconductor Physics and Device Physics加偏压时的一些物理现象1. 加偏压时，结两边的电势要变化VD1 =VD1-V1 VD2 =VD2-V2 VD =(VD1-V1)-(VD2- V2)=VD-V2. 结两边费米能级间隔变为qV；结势垒发生变化，载流子发生重新分配，其输运机制根据势垒的不同形式发生变化。Semiconductor Physics and Device PhysicsI-V曲线异质结的J-V曲线与pn结相似，一般为非线性关系加正向电压Jexp(V)-1存在一个导通电压，导通时以指数形式变化且与温度关系紧密反向电压时 J=j0 1-exp(-V), 这个电流也称为反向抽取电流，存在一个反向饱和电流j0=q(n0Ln/n+pn0Dp/p)；当电压增大到某一值V b 时会发生击穿现象,这个电压称为击穿电压Semiconductor Physics and Device Physics异质结的一些特性因此异质结呈现一些优良性质：因此异质结呈现一些优良性质：1. 高注入比。高注入比可以用来提高晶体管的频率特性，利用这种性质制成的HBT有广泛的应用，例如雷达，无线通讯(GaAs-HBT放大器)等。2. 超注入现象，实现粒子数反转。3. 窗口效应，可以提高光生伏特效率。4. 高频特性相比同质结：相比同质结： (1) 异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度； (2) 由于介电常数的不同，会使界面处出现能带的凸起和凹口，导致能带出现不连续； (3) 在异质结界面处存在比较复杂的界面态。Semiconductor Physics and Device Physics目前异质结制备的一些常用方法1.分子束外延技术。2.MO-CVD3.液相外延4.化学气相沉积。5.物理气相沉积法。6.辅助化学法7.sol-gel Semiconductor Physics and Device Physics目前异质结的一些研究对象1. 制备电子器件：(1)开关器件(2)整流器件SiC基异质材料(3)场效应晶体管(4)异质结双极晶体管(HBT)主要应用材料为GaAs/AlGaAs/GaInP,InGaAs/InP/InAlAs,Si/SiGe等 (5)HEMT(High electron mobility transistor)2. 制备发光二极管：(1)异质结发光二极管，异质结构为CdTe/PS，ZnS/ps等 (2)制备新型的发光设备取代传统光源，白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源 ，主要集中在GaN基pn结研究上，例如AlGaInN/GaN。 3. GaAs或InP基半导体激光器，这主要用于通信技术。在1.251.65 m范围内，现在主要的异质结激光器是GaInAsP or AlGaInAs/InP，而对于GaInNAs/GaAs,发射频率已做到1.52m, 用改进的GaInNAsSb/GaAs异质结激光器发射频率达到1.49 m，发射功率为0.2mA/ m 2。4. 制备太阳能电池，例如ZnO/n-Si,ps/c-SiSemiconductor Physics and Device Physics1.试述平衡试述平衡p-n结形成的物理过程结形成的物理过程.它有什么特点它有什么特点?画画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向.2.2. 内建电势差内建电势差VD受哪些因素的影响受哪些因素的影响?锗锗p-n结与硅结与硅p-n结的结的VD哪个大哪个大?为什么为什么?3.3. 试比较平衡试比较平衡p-n结结,正向偏置正向偏置p-n结结,反向偏置反向偏置p-n结结的特点的特点.4.4. 写出写出p-n结整流方程结整流方程,并说明方程中每项的物理意并说明方程中每项的物理意义义?5.5. p-n结的理想伏结的理想伏-安特性与实际伏安特性与实际伏-安特性有哪些安特性有哪些区别区别?产生的原因是什么产生的原因是什么?复习与思考复习与思考Semiconductor Physics and Device Physics6.p-n结为什么有电容特性结为什么有电容特性?与普通电容相比有哪些相与普通电容相比有哪些相似之处似之处?有哪些区别有哪些区别?7. p-n结击穿主要有哪几种结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因说明各种击穿产生的原因和条件和条件.影响它们的因素有哪些影响它们的因素有哪些?8.在隧道二极管中在隧道二极管中,n区常重掺杂使区常重掺杂使EFn位于导带中位于导带中,p区区重掺杂使重掺杂使EFp位于价带中位于价带中,画出这种二极管在零偏时的画出这种二极管在零偏时的能带图能带图,并说明外加正偏或反偏时并说明外加正偏或反偏时,能带将如何变化能带将如何变化?9.隧道二极管与一般隧道二极管与一般p-n二极管的伏二极管的伏-安特性有什么不安特性有什么不同同?它有什么优点它有什么优点?Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触 8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属金属(WM)和半导体和半导体(WS)的功函数的功函数 电子亲合能电子亲合能Semiconductor Physics and Device Physics金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和金属和N型半导体的接触（紧密接触可忽略型半导体的接触（紧密接触可忽略间隙时）间隙时） 金属和金属和P型半导体的接触，界面能带弯曲方向相反型半导体的接触，界面能带弯曲方向相反Semiconductor Physics and Device Physics整流理论整流理论金属和金属和N型半导体的接触型半导体的接触Semiconductor Physics and Device Physics扩散理论扩散理论对于对于N型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大地多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，程大地多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。这样的阻挡层称为厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡扩散理论适用于厚阻挡Semiconductor Physics and Device Physics肖特基势垒二极管与二极管的比较肖特基势垒二极管与二极管的比较相同点相同点单向导电性单向导电性不同点不同点正向导通时，正向导通时，pn结正向电流由少数载流子的扩散运动结正向电流由少数载流子的扩散运动形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前者具有更好的高频特性者具有更好的高频特性肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧肖特基势垒二极管具有较低的导通电压，一般为肖特基势垒二极管具有较低的导通电压，一般为0.3V，pn结一般为结一般为0.7VSemiconductor Physics and Device Physics欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触平衡载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触若若 ，金属和，金属和n型半导体接触可形成反阻挡层；型半导体接触可形成反阻挡层； 时，金属和时，金属和p型半导体接触也能形成反阻挡层，反阻型半导体接触也能形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用，可实现欧姆接触挡层没有整流作用，可实现欧姆接触实际生产中利用实际生产中利用隧道效应隧道效应的原理，把半导体一侧重的原理，把半导体一侧重掺杂形成掺杂形成金属金属n+n或或金属金属p+p结构，从而得到理结构，从而得到理想的欧姆接触想的欧姆接触Semiconductor Physics and Device Physics1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构 Part 1: 半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device PhysicsMIS结构结构Semiconductor Physics and Device Physics能带图能带图Semiconductor Physics and Device Physics能带图能带图-1无偏压时无偏压时MOSMOS结构中由于功结构中由于功函数差引起的函数差引起的表面能带弯曲表面能带弯曲Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsMIS结构结构理想情况理想情况金属与半导体间功函数差为零金属与半导体间功函数差为零绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态Semiconductor Physics and Device Physics积累Semiconductor Physics and Device Physics耗尽耗尽Semiconductor Physics and Device Physics耗尽耗尽-1（边界条件）（边界条件）Semiconductor Physics and Device Physics反型反型Semiconductor Physics and Device Physics反型反型-1耗尽层电荷:Semiconductor Physics and Device Physics外加偏置外加偏置Semiconductor Physics and Device PhysicsQsss =0, Qs=0, =0, flat bands 0, accumulations 0, Qs0, Qs2 F, Strong inversionSemiconductor Physics and Device PhysicsMIS结构的基本公式结构的基本公式Semiconductor Physics and Device PhysicsMOS结构的基本公式结构的基本公式-11总电势总电势差差:Semiconductor Physics and Device Physics平带平带Semiconductor Physics and Device PhysicsFlat Band VoltageSemiconductor Physics and Device PhysicsMIS电容电容Semiconductor Physics and Device PhysicsMIS电容电容电容的定义:Semiconductor Physics and Device PhysicsMIS电容电容-2积累态:耗尽态:Semiconductor Physics and Device PhysicsMIS电容电容-3反型Semiconductor Physics and Device Physics实验结果实验结果Semiconductor Physics and Device Physics深耗尽深耗尽从耗尽扫描到反型时从耗尽扫描到反型时, 需要少子需要少子