復(fù)旦大學(xué)第一章電子態(tài).ppt

復(fù)旦大學(xué)微電子研究院包宗明Baozm 半導(dǎo)體物理 器件和工藝導(dǎo)論 第一部分 半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理 本課程的目的 為后繼課程的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ) 提高工作中分析問題和解決問題的能力 提高今后工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究的能力 主要參考書 雙極型與MOS半導(dǎo)體器件原理 黃均鼐湯庭鰲編著其他參考書 1 半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科國防工業(yè)出版社 1994 2 R M Warner B L Grung 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 呂長志等譯 電子工業(yè)出版社2005年2月出版 3 RobertF Pierret 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 黃如等譯 電子工業(yè)出版社2004年11月出版 要求 這門課程是本科三門課程的集合 本科課堂教學(xué)約200學(xué)時 而且學(xué)習(xí)難度比較大 和后繼課程關(guān)系密切 你們必須努力學(xué)習(xí) 本課程學(xué)習(xí)范圍限于課堂內(nèi)容 參考書中相關(guān)的內(nèi)容自己選擇閱讀 不無故缺課 認(rèn)真聽課 記筆記 認(rèn)真復(fù)習(xí) 研讀筆記或ppt 看參考書相關(guān)內(nèi)容 認(rèn)真整理重點(diǎn)內(nèi)容 認(rèn)真做習(xí)題 半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)平衡態(tài)電子統(tǒng)計(jì)分布電導(dǎo)率和遷移率非平衡載流子結(jié)MOSC VBJT 雙極型晶體管 MOSFET MOS晶體管 單晶半導(dǎo)體 單晶 原子在空間按一定的規(guī)律周期性排列 金剛石 硅 砷化鎵等大部分半導(dǎo)體是兩個面心立方晶格的套移 后者兩個格子是由異種原子組成 晶列指數(shù) 晶向指數(shù) 任何兩個原子之間的連線在空間有許多與它相同的平行線 一族平行線所指的方向用晶列指數(shù)表示晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標(biāo)軸上的投影的比例取互質(zhì)數(shù) 111 100 110 晶面指數(shù) 密勒指數(shù) 任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相同的平行晶面一族平行晶面用晶面指數(shù)來表示它是按晶面在坐標(biāo)軸上的截距的倒數(shù)的比例取互質(zhì)數(shù) 111 100 110 相同指數(shù)的晶面和晶列互相垂直 單晶 多晶和非晶 第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中的電子可能處在哪些能量狀態(tài)處在不同能量狀態(tài)的電子的行為不同 引入有效質(zhì)量就可以用經(jīng)典力學(xué)的方法處理半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動規(guī)律 有效質(zhì)量和能帶結(jié)構(gòu)有關(guān) 晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質(zhì)量 能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負(fù)質(zhì)量 接近填滿的能帶中電子運(yùn)動的總效果可以用虛擬的粒子 空穴 來描述 自由電子的粒子性和波 h是普朗克常數(shù) k稱為波矢 是一個矢量 代表波傳播的方向 原子中電子的運(yùn)動狀態(tài) Schr dinger方程 波函數(shù) 自旋量子數(shù) 磁量子數(shù) 角量子數(shù) 主量子數(shù) E1 E2 E3 勢函數(shù) 拉普拉斯算符 能量 單晶體中電子允許存在的狀態(tài) 不同狀態(tài)電子的行為 單晶體中電子的能帶結(jié)構(gòu) E k關(guān)系 薛定諤方程 勢能模型 求解能帶結(jié)構(gòu) E k關(guān)系 用量子力學(xué)的方法可以求出各種單晶體中的電子在理想狀態(tài)下的能量 E 波矢 k 關(guān)系 它既不同于自由電子的能量隨波矢連續(xù)增加也不同于原子中的電子處于分立的能量狀態(tài) 而是形成能帶 E是k的周期性函數(shù) 而且和方向有關(guān) 從E k關(guān)系可以說明半導(dǎo)體的各種電學(xué)和光學(xué)性質(zhì) 可以得到有效質(zhì)量 可以知道在相同的電場作用下 那些半導(dǎo)體中的電子速度比較快 可以解釋為什么有的半導(dǎo)體在強(qiáng)電場時會出現(xiàn)微分負(fù)阻效應(yīng) 可以了解那些半導(dǎo)體適合于制造發(fā)光器件 軌道交疊 當(dāng)空間周期性排列的原子間距縮小使原子的價電子軌道發(fā)生交疊時就會出現(xiàn)共有化運(yùn)動 能級轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒?當(dāng)原子之間距離逐步接近時 原子周圍電子的能級逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒?下圖是金剛石結(jié)構(gòu)能級向能帶演變的示意圖 簡單的一維勢阱 用簡單的一維矩形勢阱計(jì)算出能帶的基本特征 V x 單晶體的能帶 最簡單的一維矩形勢阱中電子的能帶圖 E k圖 絕緣體 半導(dǎo)體 金屬和半金屬能帶的示意圖 上圖只表示狀態(tài)按能量分布 下圖為E k圖 單晶體中電子的速度和有效質(zhì)量 單晶體中電子的速度和有效質(zhì)量可以從E k關(guān)系求得 簡單情況和自由電子相類似 實(shí)際單晶體是各向異性的 能帶結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 有效質(zhì)量的倒數(shù)是一個張量 單晶體中電子的速度和有效質(zhì)量 E k E k v k m k m k 電場作用下晶體中電子的運(yùn)動 單晶體E k關(guān)系是周期性的 所以只需要討論一個周期 即第一布里淵區(qū)的情況 通常能帶頂部和底部E k關(guān)系接近二次曲線 有效質(zhì)量接近常數(shù) 頂部為負(fù)底部為正 允許帶中電子允許占有的能量狀態(tài)也是分立的 在外電場作用下電子狀態(tài)在k空間作勻速運(yùn)動 充滿電子的能帶中的電子在恒定電場的作用下雖然它們的狀態(tài)在變化但是整體速度分布不變所以不傳導(dǎo)電流 絕緣體價帶充滿電子 價帶上面是沒有電子的空帶 禁帶又寬 幾乎沒有本征激發(fā)載流子 所以不能傳導(dǎo)電流 只有能帶沒有完全填滿才能傳導(dǎo)電流 晶體中電子的運(yùn)動對電流的貢獻(xiàn) 量子力學(xué)計(jì)算表明單晶體中電子運(yùn)動對電流的貢獻(xiàn)可以用自由電子類似的方法處理 當(dāng)能帶中電子的填充率比較低的時候 只需把電子的質(zhì)量改為有效質(zhì)量 當(dāng)能帶接近填滿的情況下 可以引入空穴來替代該能帶中所有電子對電流的總貢獻(xiàn) 空穴是一個虛擬的粒子 它帶有正電荷 電量是一個電子電荷 有效質(zhì)量是該能帶頂電子有效質(zhì)量的負(fù)值 因?yàn)槟軒ы旊娮拥挠行з|(zhì)量是負(fù)值 所以空穴的有效質(zhì)量是正值 空穴 有效質(zhì)量 硅和砷化鎵的能帶 從E k關(guān)系可以得到晶體中電子的有效質(zhì)量 電子有效質(zhì)量 輕空穴 重空穴 電子 硅和砷化鎵能帶的特征 砷化鎵導(dǎo)帶底和價帶頂同時在波矢為零處 稱為直接能帶 而硅導(dǎo)帶底不在波矢為零處 稱為間接能帶 硅在第一布里淵區(qū)導(dǎo)帶底有六個最小值 價帶頂都有兩個分支 所以有兩種載流子 輕空穴和重空穴 變化比較大的曲線對應(yīng)的有效質(zhì)量小 砷化鎵導(dǎo)帶的底部 稱為主能谷 和上面的極小值 稱為子能谷 之間能量差只有0 29eV 高于常溫電子的熱運(yùn)動能量0 026eV 砷化鎵的導(dǎo)帶中 和主能谷相比 子能谷的電子狀態(tài)密度大而電子遷移率低 砷化鎵在第一布里淵區(qū)有八個子能谷 施主和受主能級 雜質(zhì)補(bǔ)償和深能級 鍺中金 局域能級 處在導(dǎo)帶和價帶中的電子是共有化電子 它們在晶體中的許多位置上情況基本相同 被雜質(zhì)和缺陷束縛的電子是局域電子 它被束縛在某個雜質(zhì)附近的局部區(qū)域 必須給于能量 才能激發(fā)它脫離束縛參與共有化運(yùn)動 所以它們束縛的電子處于禁帶中間的能級上 能級位置距離導(dǎo)帶或價帶比較近 以至于常溫下就可以幾乎全部被熱激發(fā)的能級叫淺能級 其它叫深能級 淺能級雜質(zhì)通常用于有目的地?fù)饺氚雽?dǎo)體中控制它的導(dǎo)電類型和電阻率 如施主雜質(zhì) 磷 砷 銻 受主雜質(zhì) 硼 鋁 鎵 銦 雜質(zhì)缺陷形成的深能級的濃度通常比淺能級雜質(zhì)少很多 它有顯著的復(fù)合和陷阱效應(yīng) 在濃度高的時候也會有顯著的補(bǔ)償效應(yīng) 絕大多數(shù)情況下是對器件性能不利的有害因素 常常是我們要防范的對象 這也就是我們半導(dǎo)體工藝線對保持高度凈化特別重視的原因 重點(diǎn)內(nèi)容 半導(dǎo)體單晶中原子在空間按一定規(guī)律周期性排列 用晶列指數(shù)或晶面指數(shù)表示晶體的取向 晶體中的一個電子受到晶體內(nèi)部的原子和其他許多電子的作用 所以在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律和自由電子不同 量子力學(xué)計(jì)算表明引入電子有效質(zhì)量就可以用經(jīng)典力學(xué)的方法來處理單晶中電子行為 薛定諤方程 勢能模型 求解出E k關(guān)系為一系列能帶 晶體中能帶底的電子在外電場作用下表現(xiàn)為正質(zhì)量 而能帶頂?shù)碾娮颖憩F(xiàn)為負(fù)質(zhì)量 接近填滿的能帶中電子的整體行為可以用空穴來描述 空穴是帶正電荷的虛擬粒子 其有效質(zhì)量是空狀態(tài)電子有效質(zhì)量的負(fù)值 電子和空穴兩種不同載流子的存在和可控是集成電路工藝的前提 看懂硅和砷化鎵的能帶圖 習(xí)題 立方晶體有幾個 試說明有效質(zhì)量的物理意義 半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)性載流子就是電子 為什么要引入空穴 試說明你對空穴的理解 畫出一維矩形周期性勢場中電子的能量 速度和有效質(zhì)量與波矢的關(guān)系 并寫出關(guān)系式 畫出硅和砷化鎵的能量和波矢的關(guān)系 并說明其中的特點(diǎn) 試說明什么是施主 受主 深能級 局域能級