半导体器件物理

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半导体的应用
半导体 电子元器件 分离元件 集成电路 光电导器件 温差电制冷器 发光二极管 光电池 温差发电器 热敏电阻 光电器件 热敏器件
半导体的应用
【例】单片机MCU与日常生活：
微元件 处理器 数字信号 单片机 微处理器
存储器
逻辑元件
场效应管三极管ຫໍສະໝຸດ 二极管半导体的应用
【例】发光二极管LED与日常生活：
1958 1958年 年 W.C.Dash W.C.Dash 无位错硅单 无位错硅单 晶 晶
1963 年砷化镓 1963 年砷化镓 微波振荡效应 微波振荡效应
分子束外延MBE
金属有机化学汽相沉积MOCVD
几种主要半导体的发展现状与趋势
● 硅 增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是 今后CZ-Si发展的总趋势。
★过渡金属氧化物半导体：有 ZnO 、 SnO2 、 V2O5 、 Cr2O3 、 Mn2O3 、 FeO 、 CoO 、 NiO 等。 ★尖晶石型化合物（磁性半导体）：主要有 CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。 ★ 稀 土 氧 、 硫 、 硒 、 碲 化 合 物 ： 有 EuO 、 EuS、EuSe、EuTe 等。
称这个带正电的粒子为空穴。
又因 J [qV(ke )] 0
V (k p ) V (ke )
2. 空穴的能量
Ec
空穴从价带顶Ev→ke，也就是电子从 ke态到价带顶，将获得能量：
电子能量
设价带顶的能量 Ev=0
△E
● ○
E (k P ) E
Ev E(ke)
E ( k P ) E ( ke )
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电子少 导带
●
EC EV
J 表示该价带内实际存在 的电子引起的电流密度。
●
Ec Ev E(ke)
○
○
电子多
价带
设想有一个电子填充到空的ke态，这个电 子引起的电流密度为（-q）V（ke）。 在填入这个电子后，该价带又成了满 带，总电流密度应为零，即
设价带内失去一个ke态的电子，而价带中 其它能级均有电子占据:
半导体的发展
成长期
衰 退 期
成熟期
1874年 F.Braun 金属－半导体接触 1879年Hall效应 K.Beadeker半导 体中有两种不同 类型的电荷
1870 1930
1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 锗晶体管 (transistor) 点接触式的
第一个点接触式的晶体管 (transistor)
1963 年 1963 年 用液相外延法生长 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 砷化镓外延层， 半导体激光器 半导体激光器
1950
1960
1960
1970 1965年 J.B.Mullin发明 氧化硼液封直拉 法砷化镓单晶
1952年G.K.Teel 1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 直拉法 制得高纯硅 第一根硅单晶
成为现代电子 工业的基础
萌 芽 期
1940
1950 Ge 晶体管
氧化铜、硒 整流器、曝光计
硅 检波器
硅 晶体 管
获1956年诺贝尔物理奖
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1950年G.K.Teel 直拉法 较大的锗单晶 1952年H.Welker
发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物 进 入 成 长 期
1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生
硅外延 技术
半导体器件物理
深圳大学光电工程学院 sbpengds@
主要参考书目
1. 孟庆巨 刘海波 孟庆辉 编著.半导体器件物理(第 二版)，科学出版社 2. 施敏.现代半导体器件物理，科学出版社 3. 刘恩科《半导体物理学》（第七版），电子工 业出版社 4. 王庆有《光电技术》（第二版）北京：电子工 业出版社 5. 安毓英，刘继芳，李庆辉 光电子技术（第二 版）北京：电子工业出版社
●宽带隙半导体材料
金刚石 碳化硅 III族氮化物、立方氮化硼 II-VI族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等
特别
SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料的特点 高热导率 高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压 ● 高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料 ● 通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防
R 绝 缘 体
●电子激发能隙
导体：Eg ~ 0 例如： Eg (Cu) ~ 0 eV 例如： Eg (SiO2)=8.0 eV
绝缘体： Eg 3 eV
半导体
金属
半导体： 0 Eg 3 eV 例如： Eg (Si) =1.12 eV
T
例外
●半导体金刚石 ( Eg ~ 6 eV ) ●氮化镓GaN ( Eg ~ 3.4 eV ) ●硫化锌 ZnS ( Eg ~ 3.5 eV )
半导体的应用
【例】发光二极管LED与日常生活：
上世纪60年代：红光； 70年代：绿光； 90年代：蓝光。
§1 半导体的基本知识
1.1 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
什么是半导体？
从导电性（电阻）：
固体材料可分成：超导体、导体、 半导体、绝缘体 电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具 有负的电阻温度系数→半导体
●电阻率
导体： ρ＜10-3Ωcm 例如：ρCu~10-6Ωcm
半导体：10-2Ωcm＜ρ＜109Ωcm ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞109Ωcm
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●电阻温度系数
硅基应变异质结构材料 目前硅基材料研究的主流： GeSi/Si应变层超晶格材料 新一 代移动通信。 Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达 200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其 性能可与GaAs器件相媲美。
●量子线、量子点
量子尺寸效应 基于 量子干涉效应 量子隧穿效应 非线性光学效应 ● 低维新型半导体材料 ● 人工构造（通过能带工程实施） ● 新一代量子器件的基础
J (q)V (k e ) 0
J qV (ke )
价带内ke态空出时，价带的电子产生的总电 流，就如同一个带正电荷q的粒子以ke状态 的电子速度V（ke）运动时所产生的电流。
空穴的速度 设价带所有电子形成的总电流为 J，那么：
J ' qV (k ) qV (k p )
价带电子
空的量子态（ 空穴）
半导体中的空穴
因此，在半导体中存在两种载流子： （1）电子； （2）空穴； 而在本征半导体中，n=p。 1.空穴的波矢 kp 和速度 假设价带内失去一个ke态的电子，而价带中 其它能级均有电子占据，它们的波矢总和为 ∑k 满带时： ∑k+ ke=0 ∑k=－ke，而∑k ＝kp ∴空穴的波矢 kP=-ke 空穴与导电电子
课程简介
半导体器件物理课程结合一些主要的、常见的 半导体器件介绍了半导体器件的基本结构、基 本工作原理、基本性能和基本制造工艺。 半导体器件物理课程是微电子、光电子、电子 科学与技术等专业的主干专业基础课。
半导体技术发展的里程碑
1833年发现硫化银的电阻率温度系数为负 1839年，法国贝克莱尔，发现光生伏特效应 1873年，英国史密斯，发现光电导效应 1874年，德国布劳恩，发现整流效应 1879年，美国霍尔，发现霍尔效应 1947年晶体管的出现 1959年集成电路问世 1960年发明了增强型MOSFET 1962年砷化镓激光器问世 1969年提出超晶格理论 1991年GaN 蓝光LED的出现
半导体材料的分类
微电子半导体 光电半导体 热电半导体 按功能和应用分 微波半导体 气敏半导体 ∶ ∶
无机半导体：元素、化合物 按组成分： 有机半导体
无机半导体晶体材料
元素半导体 无机半导体晶体材料 化合物半导体 固溶体半导体
晶体：单晶体、多晶体 按结构分: 非晶、无定形
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元素半导体晶体
熔点太 高、不易 制成单晶
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶 体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相 临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
本征激发 本征激发 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 带电子的过程 。 。
激 发 前： 激 发 后：
导带电子
空穴
将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准 粒子的导电作用。
空穴的主要特征：
A、荷正电：+q； B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；
Si C B Te 元素 半导体
Ge Se
稀少 Sn
低温某种 固相
As P I S Sb 不稳定、 易挥发
(1)元素半导体晶体
化合物半导体及固溶体半导体
SiC AsSe3、 AsTe3、 AsS3、SbS3 Ⅴ-Ⅵ族 Ⅳ-Ⅳ族 Ⅲ-Ⅴ族 CdS、 CdTe、 CdSe、 ZnS Ⅱ-Ⅵ族 InP、GaP、 GaAs、InSb、 InAs
空穴能量
电子从价带顶Ev→ke，将释放出能量：
E (k e ) E
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1.2 本征半导体
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。