半导体物理期末复习-第三章

1、集成电路版图设计与验证,第三章 半导体制造工艺简介,学习目的,（1）了解晶体管工作原理，特别是MOS管的工作原理 （2）了解集成电路制造工艺 （3）了解COMS工艺流程,主要内容,3.1半导体基础知识 3.2 工艺流程 3.3 工艺集成,3.1半导体基础知识,半导体硅原子结构：4个共价键，比较稳定，没有明显的自由电子。,3.1半导体基础知识,1、半导体能带 禁带带隙介于导体和绝缘体之间 2、半导体载流子 空穴和电子,3.1半导体基础知识,3、半导体分类 N型半导体和P型半导体 掺杂半导体的特点： （1）导电性受掺杂浓度影响。被替代的硅原子数越多，材料的。

2、第三章习题和答案1. 计算能量在 E=Ec到 之间单位体积中的量子态数。2*nCLm10E解：2. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式（3-6） 。3 223*2810E2123*2210E0 2123*210L8)( )()(ZVZ)()(232CCLmhmV dEdgdEgVcnnlmhCnlmCnncnc）（ ）（单 位 体 积 内 的 量 子 态 数）（)(21, )“(2)( (,),(2.2 213 21211 222Caalttzyxacc zlazytayxtax ztyxCeEmhk VmkgkkhEmkmklhKICEGsi系 中 的 态 密 度在 等 能 面 仍 为 球 形 等 能 面系 中在则 ：令 ）（ 关 系 为）（半 导 体 的、证 明 ：3. 当 E-EF为 1.5k0T，4k 0T, 10k0T 时，分别用费。

3、第 三 章,Oxidation 氧化,Oxidation氧化,简介 氧化膜的应用 氧化机理 氧化工艺 氧化设备 RTO快速热氧化,简介,硅与O2直接反应可得； SiO2性能稳定； 氧化工艺在半导体制造中广泛使用,Si + O2 SiO2,氧化层简介,Oxidation,氧化层简介,Silicon,氧化膜的应用,掺杂阻挡层 表面钝化(保护) Screen oxide, pad oxide, barrier oxide 隔离层 Field oxide and LOCOS 栅氧化层,氧化层应用,掺杂阻挡氧化层,Much lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in Si SiO2 can be used as diffusion mask,氧化层应用,表面钝化(保护)氧化层,Pad Oxide。

4、第三章 化合物半导体材料,前已述及，化合物半导体种类很多。有二元化合物半导体、三元化合物半导体、以及多元化合物半导体。,本章以-V族二元化合物半导体GaAs为主，重点介绍二元化合物半导体单晶材料的结构、性质及制备方法。,自从1952年威耳克( Welker )研究了-V族化合物半导体的性质以来，由于它们的独特能带结构与性质，-V族化合物的制备和应用方面都取得了巨大进展。,目前在微波器件，光电器件、霍尔器件(Hall DeYice)，以及红外探测器件等都有着广泛地应用。在国民经济中越来越发挥着重要作用。,砷化镓集成电路也日趋成熟，其运算速。

5、第三章PN结 热平衡状态下的p n结耗尽区耗尽层势垒电容电流 电压特性电荷储存与暂态响应结击穿异质结 p n结 junction 由p型半导体和n型半导体接触形成的结 p n结最重要的特性是整流性 即只容许电流流经单一方向 右图为一典型硅p。

6、第三章作业题 2 硅突变结二极管的掺杂浓度为ND 1015cm 3 NA 4 1020cm 3 在室温下计算 1 内建电势差 2 零偏压时的耗尽区宽度 3 零偏压下的最大内建电场 1 推导PN结空间电荷区内建电势差公式 3 推导加偏压的PN结空间电荷区边缘非平衡少子浓度值公式 4 推导杂质分布公式 5 长PN结二极管处于反偏压状态 求解下列问题 1 解扩散方程求少子分布np x 和pn x 并画出。

7、1半导体器件物理（半导体器件物理（ 3）-MOSFET器件器件2主要内容主要内容uMOS 二极管二极管uMOSFET基本原理基本原理uCMOS器件器件3MOSFET基本原理基本原理uMOSET基本结构uMOSFET种类uMOSFET基本特性u应用举例4u 两个两个 pn结和一个结和一个 MOS二极管。二极管。u 四端点器件：栅极四端点器件：栅极 (gate， G)、源极、源极 (source， S)、漏极、漏极(drain， D)、衬底欧姆接触。、衬底欧姆接触。u 沟道：强反型时表面形成的导电层沟道：强反型时表面形成的导电层u 对称器件：源极和漏极可以互换。对称器件：源极和漏极可以互换。5沟道长。

8、Dai Xianying,化合物半导体器件 Compound Semiconductor Devices 微电子学院 戴显英 2013.9.3,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,3.1.1 异质结的形成,图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数,1）异质结,2）异质结形成的工艺,3）异质结的类型,4）异质结形成的关键,5）晶格失配,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,图3.3 晶格失配形成位错缺陷,6）单位面积的悬挂键数,图3.2 （张）应变Si示意。

9、,半导体 物理 Semiconductor physics,第三章 半导体中载流子 的统计分布,载流子的运动,载流子,参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。,载流子的产生,本征激发 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离 当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴,载流子数目增加,载流子的复合,在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量。,载流子数目减少,在一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起。

10、1,第三章 半导体中载流子的统计分布,3.1 状态密度,3.2 费米能级和载流子的统计分布,3.3 本征半导体的载流子浓度,3.4 杂质半导体的载流子浓度,3.5 一般情况下的载流子统计分布,3.6 简并半导体,2,完整的半导体中电子的能级构成能带，有杂质和缺陷的半导体在禁带中存在局部化的能级 实践证明：半导体的导电性强烈地随着温度及其内部杂质含量变化，主要是由于半导体中载流子数目随着温度和杂质含量变化本章重点讨论：1、热平衡情况下载流子在各种能级上的分布情况2、计算导带电子和价带空穴的数目，分析它们与半导体中杂质含量和温度的关系,3,。

11、第三章 半导体中载流子 的统计分布,半导体中载流子产生及热平衡热激发产生载流子： 电子从价带跃迁到导带杂质电离产生导电电子或空穴反过程：电子和空穴减少载流子复合两过程达到平衡态 本章内容：探讨平衡态半导体中载流子密度的变化规律：量子态随能量分布；电子在能量量子态上的分布；及其随温度变化,1.状态函数密度,在能带E到E+dE之间无限小的能量间隔内有dZ个量子态, 则状态密度定义为,表示能带中能量E附近单位能量间隔内的量子态数,知道它,则允许的量子态按能量分布的情况就知道了,(态密度),三维空间晶体 波函数 在三维基矢方向上分。

12、 任课老师：吴海霞作业章次：第三章 完成日期：2010 年 4 月 9 日姓名： 高 磊 学号： 20070682 班级： 01530701 老师点评：6.计算硅在-78、27、300时本征半导体费米能级、假定它在禁带中线处合理吗？ 假 设 它 在 中 线 处 合 理约 为的 时 ，时 ，时 ， ， 其 中即 本 征 半 导 体 不 带 电解 ：eVESi eVEKTemmmTkENTkE hTkNheeNpngvcFvcFpn npvcvvcF pvnkETkvFFc1)(102.5736.0 )(105.71959.0,8. l432ln2 2,23*0* *0 32/0*2/3*0010.以施主杂质电离 90%作为强电离的标准，求掺砷的 n 型锗在 300K 时以杂质电离为主的饱和区掺杂的浓度范围。

13、第三章 晶体中的电子状态,一.讨论的内容,(1）金属的自由电子论,（2）固体的能带论,固体物理的核心理论,1.金属的自由电子理论（索末菲）,模型：内部势场恒定，电子运动遵从费米狄拉克统计。,解释：金属的许多特性尤其是金属电子比热小。,困难：不能解释材料间电导差别。,2.固体的能带论（布洛赫）,模型：电子在由离子产生的周期势场中运动。,解释：材料间存在电导差别，预言半导体存在。,困难：对超导体、非晶态物质的一些性质无法解释。,二.能带论的基本思想,由多粒子形成的多体问题,电子受离子电场的作用,电子之间存在库仑互作用,多体问。

14、第三章 晶体中的电子状态,固体中的电子问题是复杂的多体问题。近似物理模型：,索末菲自由电子模型（1928）,特点：用量子力学来处理,解释：电子比热小,困难：不能解释材料间电导差别,洛赫能带论 （1928）,特点：变多体问题为单电子问题,解释：材料间存在电导差别，预言半导体存在,困难：对某些过渡金属化合物不适合,第一节 索末菲自由电子模型,思想：金属中的电子不受外力作用， 没有相互作用，不能逸出金属。,电子在边长为的立方体中运动，方势阱为,一、波函数与能量,电子波函数：,边界条件：在x=0和x=L处：,驻波解,分离变量：,能量：,能。

15、UESTC Nuo Liu,半导体 物理,教案：刘诺 独立制作: 刘 诺 电子科技大学 微电子与固体电子学院,Semiconductor Physics,第三章 半导体中载流子 的统计分布,KEY: 1、热平衡态时载流子的浓度n0和p0； 2、费米能级EF的相对位置。,3.1 状 态 密 度,假设在能带中能量E与E+dE之间的能量间隔dE内有量子态dZ个，则定义状态密度g（E）为：,每个允许的能量状态在k空间中与由整数组（nx，ny，nz）决定的一个代表点（ kx，ky，kZ ）相对应,在k空间中，电子的允许量子态密度是2V,一、球形等能面情况 假设导带底在k=0处，且,同理，可推得价带顶状态密度：,。

16、第三章双极结型晶体管,第三章双极结型晶体管,发展历史:1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI） 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,3.1双极结型晶体管的结构,晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管。

17、第三章作业,7。(1)在室温下，锗的有效态密度Nc=1.051019 cm-3, Nv=1.051019 cm-3,试求锗的载流子有效质量。计算77K时 的Nc,Nv.已知300K时Eg=0.67eV.77K时Eg=0.76eV.求着两个温度时的本证载流子浓度（2）77K时，锗的电子浓度为1017 cm-3 假定受主浓度为零，电离能为0.01eV,求施主杂质浓度？,解：,已知,所以,（2）77K时属于弱电离,8.利用7题的Nc和Nv的数值及Eg=0.67eV,求温度文300K，500K时，含施主浓度ND=51015 cm-3受主浓度NA=2109 cm-3的锗中电子和空穴的浓度,解：,300K时,500K时,。

18、第3章 半导体中载流子的统计分布, 3.1 状态密度 3.2 费米能级和载流子的统计分布 3.3 本征半导体的载流子浓度 3.4 杂质半导体的载流子浓度 3.5 一般情况下的载流子统计分布 3.6 简并半导体,第3章 半导体中载流子的统计分布,完整的半导体中电子的能级构成能带，有杂质和缺陷的半导体在禁带中存在局部化的能级 实践证明：半导体的导电性强烈地随着温度及其内部杂质含量变化，主要是由于半导体中载流子数目随着温度和杂质含量变化 本章讨论：1、热平衡情况下载流子在各种能级上的分布情况2、计算导带电子和价带空穴的数目，分析它们与半导体。

19、第三章 半导体中载流子的统计分布,基本要求：本章是半导体物理学的重点和难点。要求熟练掌握状态密度，费米和玻耳兹曼函数，载流子的浓度分布及本征半导体的载流子浓度。重点了解杂质能级上的电子和空穴，n型半导体的载流子浓度，一般情况下的载流子统计分布和简并半导体。 主要内容： 1K空间中量子态的分布 2状态密度 （重点） 3费米分布函数的表达式、意义及应用 （重点，难点） 4费米能级的物理意义（重点，难点） 5玻耳兹曼分布函数的意义及其应用（重点，难点） 6. 导带中电子浓度的公式推导、结果分析和应用（重点，难点） 7价带中。

20、半导体物理期末复习第三章 半导体中载流子的统计分布刨酉骨恫创艇芳栅毫驾旭撩引馋掷齐台猾交囱容通忙钱骨串午踢堆晒靖歌半导体物理期末复习-第三章半导体物理期末复习-第三章2 物理与光电工程学院1.简述下列概念 :(1)简并性系统和非简并性系统 ;答：必须用费米分布函数来描述的电子系统为简并系统；可以用玻尔兹曼分布来描述的系统为非简并系统。(2)量子态密度和状态密度 ;答：单位 K空间中的量子态数目称为量子态密度；单位能量间隔内的量子态数目称为状态密度。蛇萎钥橱胃穴抹桂帛缝邹翔练删烷祁现鸡纹涌旺丝刑孙鄂笺淘均誉锑碎服半导。