1、微電子學(xué)概述半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體與其基本特性半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)簡(jiǎn)介:半導(dǎo)體概要微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特

2、性半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)純度極高，雜質(zhì)1013cm-3結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)單胞對(duì)于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的晶體結(jié)構(gòu)三維立方單胞 簡(jiǎn)立方、 體心立方、 面立方金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有 金 剛 石 晶 體 結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 有: 元 素 半 導(dǎo) 體 如Si、Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu)半 導(dǎo) 體 有: 化 合 物 半 導(dǎo) 體 如GaAs、

3、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型 閃鋅礦型原子的能級(jí)電子殼層不同支殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化運(yùn)動(dòng)+14電子的能級(jí)是量子化的n=3四個(gè)電子n=28個(gè)電子n=12個(gè)電子SiHSi原子的能級(jí)原子的能級(jí)的分裂孤立原子的能級(jí) 4個(gè)原子能級(jí)的分裂 原子的能級(jí)的分裂原子能級(jí)分裂為能帶 Si的能帶 （價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo) 帶價(jià) 帶Eg自由電子的運(yùn)動(dòng)微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)薛定諤方程及其解的形式 布洛赫波函數(shù)固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、

4、絕緣體固體材料的能帶圖半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶本征激發(fā) 半導(dǎo)體中E（K）與K的關(guān)系令 代入上式得自由電子的能量微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的平均速度在周期性勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，電子的平均速度u可表示為波包的群速度 自由電子的速度微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為 E的外加電場(chǎng)作用下，外力對(duì)電子做功為電子能量的變化半導(dǎo)體中電子的加速度令 即有效質(zhì)量的意義自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）空穴只有非滿帶電子才

5、可導(dǎo)電導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價(jià)帶頂）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)與理想情況的偏離晶格原子是振動(dòng)的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）與理想情況的偏離的影響極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)B原子/ 個(gè)Si原子 在室溫下電導(dǎo)率提高 倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于與理想情況的偏離的原因理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得原

6、本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子， 并成為帶正電的離子。如Si中的P 和

7、As N型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜施主能級(jí)受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴， 并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜受主能級(jí)半導(dǎo)體的摻雜、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 ，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低 ，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體雜質(zhì)的補(bǔ)償作用半導(dǎo)體中同時(shí)存

8、在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（ ）點(diǎn)缺陷弗倉(cāng)克耳缺陷間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點(diǎn)缺陷替位原子（化合物半導(dǎo)體）位錯(cuò)位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。位錯(cuò)施主情況 受主情況本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體本征載流子濃度（既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡(jiǎn)并的雜志半導(dǎo)體）半導(dǎo)體中的

9、電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)載流子輸運(yùn)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合歐姆定律金屬導(dǎo)體外加電壓 ，電流強(qiáng)度為電流密度為歐姆定律均勻?qū)w外加電壓 ，電場(chǎng)強(qiáng)度為電流密度為歐姆定律的微分形式漂移電流漂移運(yùn)動(dòng)當(dāng)外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用而沿電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)（定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度）電流密度 漂移速度漂移速度 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不大時(shí)，滿足 ，故可得半導(dǎo)體中電導(dǎo)率為半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率N

10、型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體熱運(yùn)動(dòng)在無電場(chǎng)作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng)晶體中的碰撞和散射引起凈速度為零，并且凈電流為零平均自由時(shí)間為熱運(yùn)動(dòng)當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，載流子既受電場(chǎng)力的作用，同時(shí)不斷發(fā)生散射載流子在外電場(chǎng)的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的散射的原因載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞附加勢(shì)場(chǎng) 使得能帶中的電子在不同 狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。電離雜質(zhì)的散射雜質(zhì)電離的帶電離子破壞了雜質(zhì)附近的周期性勢(shì)場(chǎng)，它就是使載流子散射的附加勢(shì)場(chǎng)散射概率 代表單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù)

11、電離施主散射電離受主散射N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率電阻率與摻雜的關(guān)系N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體電阻率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降雜質(zhì)半導(dǎo)體（區(qū)別于金屬）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)平衡載流子在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式（只受溫度T影響）由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子過剩載流子非平衡載流子的光注入平衡載

12、流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布且公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子過剩載流子和電中性平衡時(shí) 過剩載流子電中性：小注入條件小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料非平衡載流子壽命假定光照產(chǎn)生 和 ，如果光突然關(guān)閉， 和 將隨時(shí)間逐漸衰減直至0，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命 ，也常稱為少數(shù)載流子壽命 單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率 非平衡載流子的復(fù)合率復(fù)合n型材料中的空穴當(dāng) 時(shí)， ，故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半

13、導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程合金法擴(kuò)散法PN結(jié)雜質(zhì)分布下面兩種分布在實(shí)際器件中最常見也最容易進(jìn)行物理分析 突變結(jié): 線性緩變結(jié):淺結(jié)、重?fù)诫s（3um） 或外延的PN結(jié)理想二極管方程PN結(jié)正偏時(shí)理想二極管方程PN結(jié)反偏時(shí)定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動(dòng)?？臻g電荷區(qū)寬

14、度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度, 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合作用。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況穩(wěn)態(tài)時(shí), 假設(shè)GL=0邊界條件:圖6.4歐姆接觸邊界耗盡層邊界邊界條件歐姆接觸邊界耗盡層邊界(pn結(jié)定律)耗盡層邊界P型一側(cè)PN耗盡層邊界(續(xù))N型一側(cè)耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度理想二極管方程求解過程準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J= Jp(xn)+ Jn(-xp)理想二極管方程(1)新的坐標(biāo):邊界條件:-xp xn0 xX空穴電流一般解電子電流P型側(cè)PN結(jié)電流PN結(jié)電流與溫度的關(guān)系與理想情況的偏差大注

15、入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合正向有復(fù)合電流反向有產(chǎn)生電流空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合-1反向偏置時(shí),正向偏置時(shí), 計(jì)算比較復(fù)雜VA愈低，IR-G愈是起支配作用VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象串聯(lián)電阻效應(yīng)q/kTLog(I)VAVAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-1大注入效應(yīng)大注入是指正偏工作時(shí)注入載流子密度等于或高于平衡態(tài)多子密度的工作狀態(tài)。pnnnoVAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-2VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-3VA越大, 電流上升變緩反向擊穿電流急劇增加可逆雪崩倍增齊納過程不可逆熱擊穿雪崩倍增齊納過程產(chǎn)生了隧穿效應(yīng)E隧道穿透幾率P：隧道長(zhǎng)度:隧道擊穿: VB6Eg/qPN結(jié)二極管的等效電路小信號(hào)加到PN結(jié)

16、上+ -vaVA+ -PNRsGC反向偏置結(jié)電容也稱勢(shì)壘電容或過渡區(qū)電容反向偏置結(jié)電容-1反向偏置結(jié)電容-2耗盡近似下線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電荷總量參數(shù)提取和雜質(zhì)分布CV測(cè)量系統(tǒng)VA1/C2Vbi擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容-1表現(xiàn)為電容形式擴(kuò)散電容-2擴(kuò)散電容與正向電流成正比練習(xí)1、為什么pn結(jié)在反偏壓下有一小的飽和電流2、試分別描述勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的由來半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸整流理論金屬和N型半導(dǎo)體的接

17、觸擴(kuò)散理論對(duì)于N型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘的寬度比電子的平均自由程大地多時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋肖特基勢(shì)壘二極管與二極管的比較相同點(diǎn)單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)正向?qū)〞r(shí)，pn結(jié)正向電流由少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成，而肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流由半導(dǎo)體的多數(shù)載流子發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)直接進(jìn)入金屬形成，因此后者比前者具有更好的高頻特性肖特基勢(shì)壘二極管的勢(shì)壘區(qū)只存在于半導(dǎo)體一側(cè)肖特基勢(shì)壘二極管具有較低的導(dǎo)通電壓，一般為0.3V，pn結(jié)一般為0.7V歐姆接觸歐姆接觸不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變，為非整流接觸若 ，金屬和n型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層； 時(shí)，金屬和p型半導(dǎo)體接觸也能形成反阻擋層，反阻擋層沒有整流作用，可實(shí)現(xiàn)歐姆接觸實(shí)際生產(chǎn)中利用隧道效應(yīng)的原理，把半導(dǎo)體一側(cè)重?fù)诫s形成金屬n+n或金屬p+p結(jié)構(gòu)，從而得到理想的歐姆接觸半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)MIS結(jié)構(gòu)能帶圖能帶圖-1無偏壓時(shí)M