半导体物理学第七版PPT.ppt
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1、半导体器件半导体器件半导体物理学半导体物理学半导体器件半导体器件任课老师:刘城芳任课老师:刘城芳办公地点:教五办公地点:教五-101电子邮箱:电子邮箱:半导体器件半导体器件半导体物理学教材教材:半导体物理学半导体物理学(第七版第七版),刘恩科等编著,刘恩科等编著,电子工业出版社电子工业出版社参考书:参考书:半导体物理与器件半导体物理与器件(第三版),(第三版),Donald A.Neamen著,电子工业出版社著,电子工业出版社 半导体器件半导体器件课程考核办法课程考核办法:本课程采用本课程采用闭闭卷考试方式卷考试方式。总总评评成成绩绩由由平平时时成成绩绩和和期期末末成成绩绩组组成成。平平时时成
2、成绩绩占占总总评评的的30%,期期末末成成绩绩占占总总评评的的70%。平平时时成成绩绩从从作作业业、上上课课出出勤勤率率等等方方面面进进行行考考核。核。半导体物理学半导体器件半导体器件半导体物理课程是电子科学与技术学科的半导体物理课程是电子科学与技术学科的核心专业基础课程。核心专业基础课程。半导体物理知识是一把开启电子材料与器半导体物理知识是一把开启电子材料与器件、光电子材料与器件的钥匙。件、光电子材料与器件的钥匙。半导体物理课程也是一门有趣的课程,它半导体物理课程也是一门有趣的课程,它可以像魔术师般把电可以像魔术师般把电、热热、声声、光光、磁磁、力等物理现象有机联系在一起。力等物理现象有机联
3、系在一起。半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件半导体的发展史半导体的发展史半导体概要半导体概要金属半导体接触金属半导体接触 1874年年Braun发现了金属发现了金属(如铜、铁如铜、铁)与半导体接触与半导体接触时电流传导的非对称性,用于早期的收音机检波器材;时电流传导的非对称性,用于早期的收音机检波器材;1906年年Pickard制作了硅点接触检波器;制作了硅点接触检波器;1907年年Pierce向半导体上溅射金属时发现了二极管整流特性;向半导体上溅射金属时发现了二极管整流特性;1935年硒整流器和点接触二极管大量应用;年硒整流器和点接触二极管大量应用;1942年年Bethe提出热离子发射
4、理论;提出热离子发射理论;1947年年12月贝尔实验室月贝尔实验室William Shockley、John Bardeen、Walter Brattain制作出第一个晶体管。制作出第一个晶体管。半导体器件半导体器件半导体概要半导体概要集成电路集成电路1958年年9月月Texas Instrument(TI)Jack Kilby 在在锗锗上上实实现现了了第第一一块块集集成电路;成电路;与与此此同同时时,Fairchild仙仙童童半半导导体体公公司司Robert Noyce用用平平面面技技术术在在硅硅上实现了集成电路;上实现了集成电路;(双极晶体管双极晶体管)上世纪上世纪60年代中期年代中期MO
5、S晶体管集成电路开发出来,尤其是晶体管集成电路开发出来,尤其是CMOS技术;技术;摩尔定律:集成电路的集成度和存储器的容量平均每摩尔定律:集成电路的集成度和存储器的容量平均每18个月增长一倍个月增长一倍 (Moor,1965);集成电路制造水平基本按照该速度发展:集成电路制造水平基本按照该速度发展:目目前前12英英寸寸 0.18um已已经经规规模模生生产产,正正向向0.15um、0.11um、90nm和和65 nm等等深深亚亚微微米米过过渡渡。一一个个芯芯片片所所集集成成的的晶晶体体管管数数目目高高达达108-9个个,尔尔1946年年2月月世世界界首首台台电电子子数数值值积积分分计计算算机机占
6、占地地100m2,重重30吨吨,也也只只有有18000个电子管。个电子管。半导体器件半导体器件半导体器件有哪些?半导体器件有哪些?半导体概要半导体概要二极管二极管半导体器件半导体器件半导体器件有哪些?半导体器件有哪些?三极管三极管半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件半导体器件有哪些?半导体器件有哪些?半导体集成电路半导体集成电路半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件半导体概要半导体概要半导体器件无处不在?半导体器件无处不在?日常生活:衣日常生活:衣、食食、住住、行;行;学习学习、工作与娱乐;、工作与娱乐;其他。其他。半导体器件半导体器件半导体概要半导体概要制热制热制冷制冷衣衣半导体器件半
7、导体器件半导体概要半导体概要食食半导体器件半导体器件半导体概要半导体概要住住半导体器件半导体器件行行半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件半导体概要半导体概要其其他他半导体器件半导体器件固体材料分成:固体材料分成:导体、半导体、绝缘体导体、半导体、绝缘体什么是半导体?什么是半导体?半导体及其基本特性半导体及其基本特性半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件1 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
8、导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学半导体器件半导体器件半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构纯度纯度极高,杂质极少。结构结构半导体器件半导体器件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)单胞无需是基本的半导体器件半导体器件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、面面立方立方半导体器件半导体器件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
9、价键形形成成的的晶晶体体结结构构:构构成成一一个个正正四四面面体体,具具有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半半 导导 体体 有有:元元 素素 半半 导导 体体 如如Si、Ge半导体器件半导体器件半半 导导 体体 有有:元元 素素 半半 导导 体体 如如Si、Ge 金刚石晶体结构金刚石晶体结构半导体器件半导体器件半半 导导 体体 有有:化化 合合 物物 半半 导导 体体 如如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型半导体器件半导体器件练习练习1、按半导体结构来分,应用最为广泛的是、按半导体结构来分,应用最为广泛的是()。)。2、写出三种立方单胞的名称,并
10、分别计算、写出三种立方单胞的名称,并分别计算单胞中所含的原子数。单胞中所含的原子数。3、计算金刚石型单胞中的原子数。、计算金刚石型单胞中的原子数。半导体器件半导体器件原子中电子的状态和能级原子中电子的状态和能级半导体器件半导体器件原子中电子的状态和能级原子中电子的状态和能级半导体器件半导体器件原子中电子的状态和能级原子中电子的状态和能级半导体器件半导体器件单个电子中,电子的状态是:单个电子中,电子的状态是:总是局限在原子和周围的局部化量子态,其总是局限在原子和周围的局部化量子态,其能级取一系列分立的值。能级取一系列分立的值。原子中电子的状态和能级原子中电子的状态和能级半导体器件半导体器件原子的
11、能级分裂原子的能级分裂两个原子的情况:两个原子的情况:半导体器件半导体器件原子的能级分裂原子的能级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 半导体器件半导体器件原子的能级分裂原子的能级分裂原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带 原子外壳层交叠程度最大,共有化运动显著,能级分裂得很厉害,能带很宽。原子外壳层交叠程度最大,共有化运动显著,能级分裂得很厉害,能带很宽。半导体器件半导体器件Si的的能带能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙半导体器件半导体器件价带:价带:0K0K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:0K0K条件下未被电子填充的能量
12、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 g半导体器件半导体器件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 平面波的波矢可描述自由电子的运动状态。平面波的波矢可描述自由电子的运动状态。半导体器件半导体器件自由电子的运动自由电子的运动自由电子能量和波矢的关系自由电子能量和波矢的关系半导体器件半导体器件半导体中电子的运动半导体中电子的运动单电子近似:单电子近似:晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定晶体中的某一个电子是在周期性排列且固
13、定不动的原子核势场以及其他大量电子的平均势场不动的原子核势场以及其他大量电子的平均势场中运动,这个势场也是中运动,这个势场也是周期性周期性变化的,而且它的变化的,而且它的周期与晶格周期相同。周期与晶格周期相同。半导体器件半导体器件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布洛赫已经证明,该方程的解为:布洛赫已经证明,该方程的解为:与晶格同周期的周期性函数与晶格同周期的周期性函数半导体器件半导体器件求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程,可以得到如图求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程,可以得到如图所示晶体中电子的所示晶体中电子的E(
14、k)k关系:关系:半导体中电子的运动半导体中电子的运动半导体器件半导体器件半导体中电子的运动半导体中电子的运动晶体中电子晶体中电子E-k关系和自由电子关系和自由电子E-k关系对比关系对比半导体器件半导体器件半导体中电子的运动半导体中电子的运动半导体器件半导体器件固体材料分成:固体材料分成:导体、半导体、绝缘体导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图固体材料的能带图半导体器件半导体器件半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体半导体器件半导体器件半导体的能带半导体的能带本征激发:价带电子激发成为导带电子的本征激发:价带电子激发成为导带电子的过程。过程。半导体器件半导体器件练习练习1、什么是共有化运动?
15、什么是共有化运动?2、画出、画出Si原子结构图(画出原子结构图(画出s态和态和p态并注明该能态并注明该能级层上的电子数)级层上的电子数)3、电子所处能级越低越稳定。、电子所处能级越低越稳定。()4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子,他们、无论是自由电子还是晶体材料中的电子,他们在某处出现的几率是恒定不变的。在某处出现的几率是恒定不变的。()5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中的差别。的差别。半导体器件半导体器件半导体中半导体中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 附近泰勒展开
16、附近泰勒展开 半导体器件半导体器件半导体中半导体中E(K)与)与K的关系的关系令令 代入上式得代入上式得半导体器件半导体器件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 半导体器件半导体器件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 半导体器件半导体器件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 半导体器件半导体器件半导体中电子的速度半导体中电子的速度半导体器件半导体器件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
17、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半导体器件半导体器件半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度令令 即即半导体器件半导体器件有效质量的意义有效质量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受到外力的作用,同时还受半导体内不仅受到外力的作用,同时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
18、质量可由试验测定)半导体器件半导体器件有效质量的性质有效质量的性质半导体器件半导体器件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)半导体器件半导体器件K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半导体器件半导体器件K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半导体器件半导体器件K空间等能面空间等能面
19、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。等能面为一球面(理想)等能面为一球面(理想)半导体器件半导体器件练习练习半导体器件半导体器件练习练习解:(1)半导体器件半导体器件练习练习半导体器件半导体器件3.练习练习半导体器件半导体器件1 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
20、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结构结构半导体物理学半导体器件半导体器件与理想情况的偏离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)点缺陷(空位、间隙原子)线缺陷(位错)线缺陷(位错)面缺陷(层错)面缺陷(层错)半导体器件半导体器件与理想情况的偏离的影响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。响,同时也严重
21、影响半导体器件的质量。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半导体器件半导体器件与理想情况的偏离的原因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,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,从而使半导体允许电子在禁带中存在,从而使半导体的性质发生改变。的性质发生改变。半导体器件半导体器件硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级例:如图所示为一晶格
22、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)半导体器件半导体器件间隙式杂质、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,杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,该杂质称为该杂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(0.068nm)。)。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,该杂质称为该杂质称为替位式杂质替位式杂质
23、替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构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。如要求与被取代的晶格原子相近。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。半导体器件半导体器件间隙式杂质、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半导体器件半导体器件练习练习1、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有何不同?何不同?2、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的?、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的?半导体器件半导体器件杂质的类型杂质的类型半导体器件半导
24、体器件施主施主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的电子,: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。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体半导体的掺杂半导体的掺杂施主能级施主能级P半导体器件半导体器件受主受主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的空穴,: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型半导体型半导体半导体的掺杂半导体的掺杂受主能级受主能级B 半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体的掺杂半
25、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,这两种杂质称为浅能级杂质。杂质称为浅能级杂质。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。半导体器件半导体器件浅能级杂质电离能的计算浅能级杂质电
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