1、第-章 半导体中的基本性质,半导体的晶格结构,什么是半导体 晶体、多晶和非晶 晶体的周期性和对称性 晶体的晶向和晶面 Si、Ge晶体的金刚石结构 化合物半导体和闪锌矿结构,非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列,Si晶体的金刚石结构,半导体的晶格结构,Si、Ge等元素半导体结合形成晶体时，具有金刚石结构形式，它以四面体结构为基础构成。由两个面心立方套构而成，位于不同面心立方中的Si原子的性质并不等价，因此，金刚石结构，由复式格子组成。半导体Si晶体的这种晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关。,半导体中的基本性质,2.2.1 固体的结合和化学键 2.2.2 Si原子结构和Si晶体的共价键
2、结合 2.2.3 Si晶体的四面体结构,晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有关，本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质,半导体的结合性质,固体结合的化学键包括： 离子键 (Ionic Bonding) 金属键 (Metallic Bonding) 共价键 (Covalent Bonding) 范德瓦耳斯键 (van der Waals Bonding), 2.2 半导体的结合性质,2.2.1 固体的结合和化学键,共价键 (Covalent Bonding),2.2.3 Si晶体结合的四面体结构,薛定谔方程和原子的能级,半导体的能带,布洛赫定理和晶体的能带,固体的能带和K空间,存在
3、半满的能带,金属的价带与导带重叠,没有禁带,电子占据能带或是全满或是全空,金属、半导体、绝缘体的能带,第一章 半导体中的基本性质,半导体中电子的状态 有效质量近似 半导体导电的能带论解释半导体的导电 半导体的导电载流子,有效质量近似及其意义,有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响,半导体中的导电载流子,半导体的导带和电子载流子,半导体的价带和空穴载流子,杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏,半导体中的掺杂和杂质能级,1. 施主杂质和施主能级,3施主电离：施主向导带释放电子的过程。,电离能,2. 受主杂质和受主能级,1）受主杂质（从能带论的角度）,3.
4、施主和受主的特征,受主电离：施主向导带释放电子的过程。,电离能,4. N型半导体和P型半导体,本征半导体和本征费米能级,半导体能带的状态密度 半导体载流子的分布函数 本征半导体和本征载流子的浓度 本征费米能级,第三章 半导体中载流子浓度,第三章 半导体中载流子的统计分布,半导体载流子的分布函数,电子和空穴的浓度,电子浓度,空穴浓度,其中,1. 本征载流子浓度,其中Ei是本征半导体的费米能级,2. 本征费米能级,热 平 衡 时,非本征半导体载流子浓度,其中,随掺杂浓度在禁带中上下变化 随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加 随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加 随温度变化，费米
5、能级表现出不同的变化趋势,非本征费米能级,费米能级的变化,是电荷守恒原理的具体表达式,1) 施主掺杂ND,2) 受主掺杂NA,3) 施主掺杂ND和受主掺杂NA,电中性条件,所有电子来自于价带和施主能级 0K时，价带和施主能级全部占据,所有电子来自于价带 0K时，价带全满，受主能级和导带全空,所有电子来自于价带和施主能级 0K时，价带全满，导带全空，施主、受主能级发生补偿,非本征载流子浓度与温度的关系,费米能级的温度变化关系,重掺杂半导体,简并半导体和非简并半导体,第四章 半导体中载流子的运动规律,4.1.1 载流子的热运动和散射机制 4.1.2 电场作用下的定向漂移运动和漂移电流 4.1.3
6、半导体的电导和电阻率 4.1.4 载流子迁移率 4.1.5 载流子的速度饱和, 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流, 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流,4.1.1 载流子的热运动（Thermal motion）和散射机制,在热平衡条件下，半导体中导带中的电子或价带中的空穴将做随机的热运动。按照统计物理规律，其热能（Thermal Energy）3/2kT，电子的动能满足：,其中，Vth107 cm/sec. 300K,热平衡时，载流子的运动是完全随机的，因此，净电流为零。 其中在运动过程中，将遭遇各种散射机制的散射。,半导体中载流子的散射机制,晶格散射（Lattice scattering）
7、或声子（Phonon）散射：晶格振动引起的散射 电离杂质（Ionized impurity)散射：在高掺杂时重要 中性杂质（ Neutral impurity）散射：可忽略 电子电子或电子空穴散射：在高载流子浓度情形时重要 晶格缺陷散射（Crystal defects）：在多晶时重要 表面散射效应（Surface scattering effects）：在MOS器件中重要, 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流,4.1.2. 载流子的漂移运动和漂移电流,漂移电流和迁移率,得到电导率与迁移率的关系式,半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的电流密度, 4.2 载流子的扩散运动,1. 载流子的扩
8、散和扩散电流,电子扩散电流：,空穴扩散电流：,其中Dn和Dp分别称为扩散系数,2. 爱因斯坦关系, 4.2 载流子的扩散运动,3. 半导体的电流方程,扩散项,漂移项,半导体的基本关系式之一，反映了电流连续性,这是半导体物理的一个重要表达式，是研究了解半导体器件载流子迁移率特征的基础, 4.3 迁移率与杂质浓度和温度关系,存在多种散射机制时，总的迁移率表达式,4.3.1 散射与迁移率的关系,1. 强电场下的速度饱和,4.3.2 载流子的强场效应,2. 强场下的热载流子效应,非平衡情形的过剩载流子 非平衡情形下过剩载流子的产生 非平衡载流子的电中性条件 小注入条件 过剩载流子的复合 非平衡载流子的
9、寿命 扩散长度 载流子的产生和符合的机制及其特征 SRH理论 表面复合,载流子的复合(Recombination)机制,直接复合(direct recombination)：导带电子与价带空穴直接跃迁复合 间接复合(indirect)：导带电子与价带空穴通过禁带中的复合中心辅助发生复合 俄歇复合,复合过程需要同时满足动量守恒和能量守恒原理。,直接禁带半导体：导带底与价带顶的 k 值相同 间接禁带半导体：导带底与价带顶的 k 值不同,仍然考虑间接复合的4个微观过程,SHR理论,准费米能级 准平衡态和准费米能级 准平衡下载流子的表达式,半导体的基本物理方程 Poisson方程 静电势相关的载流子浓
10、度表达式 广义欧姆定律 电流密度方程的各种表达式 电流连续方程,第五章 半导体PN结,本章将首先讨论PN结结构。,5.1 平衡PN结特征 5.2 偏置PN结及其IV特性 5.3 PN结电容 5.4 深能级瞬变谱,5.1.1 PN结的平衡能带图 5.1.2 PN结的自建势 5.1.3 空间电荷区 5.1.4 突变结和耗尽近似 5.1.5 Poisson方程和电势分布及耗尽层宽度Wd, 5.1 平衡PN结的特征,5.2.1 PN结的偏置及其能带图 5.2.2 准费米能级及其空间变化特征和载流子分布 5.2.3 过剩少子与平衡少子的关系 5.2.4 PN结中载流子的输运和PN结的IV特性, 5.2
11、偏置PN结及其IV特性, 5.3 PN结电容,5.3.1空间电荷区势垒电容 5.3.2 过剩少子的扩散电容,电容是描述电子系统电荷存储能力的物理量。电容定义为：,电子扩散电容,空穴扩散电容,总的扩散电容,比较扩散电容的大小,其中NE和NB是掺杂浓度,考虑n端相对于空穴扩散长度是宽的，而在p端相对于电子的扩散长度是短的，于是有：, 5.3 PN结电容,5.3.2 扩散电容（Diffusion Capacitance）, 5.4 PN结的击穿,PN结加高的反向偏置电压后，将可能发生击穿现象。,PN结中主要的击穿机制包括两类： A.雪崩击穿 B.齐纳击穿,反偏情形下的能带图为：,在高的反偏电压下，空
12、间电荷区中的电场可以很高，可对载流子有大的的加速作用；另一方面，能带可以有很大的畸变，空间电荷区导带与价带的间距变窄。,第六章 金属/半导体（M/S）接触（Contact）,本章我们将介绍金属与半导体接触的能带特征以及载流子在M/S结构中的输运规律。,6.1 金属/半导体接触和肖特基势垒 理想M/S接触的平衡能带图 理想肖特基（Schottky）势垒及其高度 6.2 实际肖特基势垒高度的调制 M/S中的镜像力和镜像力引起的势垒降低 M/S接触中的界面（表面）态及其对势垒高度的调制,6.3 肖特基二极管的偏置及其IV特性,肖特基二极管的偏置及其能带特征 偏置的肖特基二极管的电容特性,肖特基二极管
13、的IV特性及其特征（多子输运）,M/S的欧姆接触 半导体掺杂浓度很高使得隧穿几率很大 选择合适功函数的半导体和金属，使得电流流经M/S接触时不存在势垒,6.5 异质结,6.5.1 异质结的形成,6.5.2 异质结的能带结构,6.5.3异质结的应用,第七章 金属/氧化物/半导体（MOS）结构,本章我们将介绍金属（Metal）与氧化物绝缘体（Oxide）、半导体（Semiconductor）构成的MOS结构相关理论方法，重点讨论各种偏置电压条件下，MOS结构的能带结构、电容特性 (C-V) 以及影响C-V特性的各种因素及相关理论方法。MOS结构是研究MOS基器件的基本性能特征和参数，如栅氧化层厚度
14、、阈值电压、界面态就体缺陷态等的基本器件结构,7.1 理想的MOS结构 7.2 MOS结构的CV特性 7.3 非理想（实际）MOS结构,7.1 理想MOS结构,7.1.5 Poisson方程求解和电势分布,强反型后，即使表面势S有一微小的变化，也会引起载流子浓度的显著增加，有效屏蔽栅电压的穿透，表面势将基本不随栅压变化,QS随表面势 变化曲线,7.2 MOS结构中的电容特性,7.2.1 C-V方程,定义,可获得：,反型情形,一旦反型层（Inversion）形成，电容开始增加，Si电容逐渐开始转变为主要由反型层电荷随表面势的变化决定。,7.2 MOS结构中的电容特性,7.2.4 低频（准静态）C
15、-V特性,7.3 非理想MOS结构,7.3.1 非理想因素一：金属半导体功函数不同,在例子中， P型硅里的空穴的平均能量比金属中空穴的平均能量要高，达到热平衡时将发生空穴从硅向金属移动，硅表面能带向下弯曲。,1.热平衡时，Vg=0 1) 在材料界面处EC和EV突变,1、非理想MOS电容的热平衡,2）在SiO2上压降大小与硅中表面势和费米能级 Ef 有关，因为没有电流流过SiO2，这一电压可以维持下去。,3）存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动 4）在硅表面，EV 离 Ef 较远，表面空穴耗尽。,2、非理想MOS电容的偏置（平带）,通过外加栅压 ，可以使半导体恢复到平带，所加的电压称为平带电
16、压。平带电压是MOS结构主要的物理参量之一，通过确定平带电容来确定。,7.3.1 非理想因素一：金属半导体功函数不同,7.3 非理想MOS结构,7.3.2非理想因素二：在氧化层和氧化层与Si界面中的各种电荷,氧化层和界面电荷包括： 1）氧化层中的可动离子电荷Qm 2）氧化层中的陷阱电荷（电子或空穴）Qot； 3）工艺引入的氧化层固定电荷Qf 4）氧化层Si界面的表面态引入的陷阱电荷Qit,Si技术中的真正的魔法，不是发生在Si晶体，而是发生在SiO2中。SiO2构成了Si器件的核心部件。Si材料性质很早就基本研究清楚了，但对SiO2及其与Si界面性质的研究直到现在还是一个重要的研究课题。,7.
17、3 非理想MOS结构,1. 各种电荷对平带电压的影响 2. 各种电荷对能带的影响 3. 各种电荷对CV曲线的影响,假设在氧化层和界面存在的电荷分布为,则恢复平带所需要外加的栅压为,7.3 非理想MOS结构,4. 界面陷阱电荷（Qit）,界面陷阱电荷源于界面态的存在，其对平带电压的影响与界面态的填充有关；界面态密度一般是界面态能级的函数，其填充与表面势相关；此外，在Si-SiO2界面存在的界面态可进一步区分为类施主(Donor like) 和类受主 (Acceptor like)两种情形。因此界面陷阱电荷对平带电压的影响非常复杂。,当Tox100nm，Qf1011cm-2时，,Vfb=0.5V,
18、7.3 非理想MOS结构,7.3 非理想MOS结构,7.3.4 氧化层和界面电荷对CV曲线的影响,1. 多晶硅功函数和耗尽效应,在集成电路技术中，传统的栅电极为重掺杂多晶硅栅。重掺杂多晶硅作为栅电极的好处是其功函数通过掺杂进行调制。通常，将nMOS和pMOS的多晶硅栅电极的费米能级分别调至导带和价带附件，即Ef=EC 或Ef=EV，功函数差分别为：,nMOS,pMOS,7.3 非理想MOS结构,7.3.4 MOS结构中的其它效应,1. 多晶硅功函数和耗尽效应,但在以多晶硅作为栅电极的MOS结构中，观察到了反型电容下降的现象。经过研究分析，将之归于多晶硅栅的耗尽效应，即多晶硅耗尽效应（Poly
19、Depletion Effect）。此时栅方程写为：,其中，QS 是多晶硅耗尽电荷,总电容可表示为：,其中：,是多晶硅耗尽电容,7.3.4 MOS结构中的其它效应,1. 多晶硅功函数和耗尽效应,当p-Si衬底处于强反型时，,在耗尽近似下，多晶硅耗尽电容可表示为：,NP是多晶硅栅掺杂浓度,于是，总的电容表达式为：,因此获得低频CV曲线的最大电容值为：,3. 带带隧穿(band-to-band tunneling),在强场条件下，源漏间可能出现带带隧穿效应，由此引起的隧穿电流可表示为：,4. 栅介质SiO2层的隧穿电流,电子可以以隧穿机制通过栅介质SiO2层，相关的隧穿包括： FN隧穿 直接隧穿 陷阱辅助的直接隧穿,
