半导体物理第10次课
华南理工大学2017-2018学年度第一学期课程表
华南理工大学2017-2018 学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（1）人数：45执行时间：2017年9月4日说明： 1.第1周通信电子线路课程设计邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成徐向民/邢晓芬3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（2）人数：44执行时间：2017年9月4日说明： 1.第2周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成徐向民/邢晓芬3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（3）人数：41执行时间：2017年9月4日说明： 1.第3周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成姜小波3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日华南理工大学2017-2018 学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（4）人数：37 执行时间：2017年9月4日说明：1.第4周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成姜小波3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日华南理工大学2017-2018 学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（5）人数：36 执行时间：2017年9月4日说明：1.第6周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成王前/李韬3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2015级（6）人数：30执行时间：2017年9月4日说明：1.第7周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成王前/李韬3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2017年6月1日.学院：电子与信息学院专业：信息工程（冯秉铨实验班）年级：2015级人数：①52执行时间：2017年9月4日说明：1.第8周通信电子线路课程设计（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成李磊3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生4.射频电路实验如选修人数超过78人，超出的同学需由任课老师另外安排一次上课时间制表时间：2017年6月1日华南理工大学2017-2018 学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：电子科学与技术（卓越班）年级：2015级人数：27执行时间：2017年9月4日说明：1. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2015年6月华南理工大学2017-2018 学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：电子科学与技术（1）年级：2015级人数：53执行时间：2017年9月4日说明： 1. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生2.射频电路实验如选修人数超过78人，超出的同学需由任课老师另外安排一次上课时间制表时间：2017年6月1日。
复旦半导体物理习题及答案2
解：对于实际半导体硅、锗，在它们的导带附近，等能面是旋转椭球面，选极值能量为 Ec 则： 2 2 2 2
E (k ) = Ec +
h k1 + k2 k3 ( + ) 2 mt ml
k32 k12 k22 + + =1 椭球的解析表达式： 2mt ( E − Ec ) 2mt ( E − Ec ) 2ml ( E − Ec ) h2 h2 h2
第四次作业
• • 2.设电子迁移率为0.1m2/V.s，Si的电导有效质量mc＝0.26m0，加以强度为1e4V/m的 电场，求平均自由时间和平均自由程。 解：（1）
µc =
q ⋅τ mc
τ n = 1.48 ×10−13 s
•
（2）
v vd = µ E = 103 m / s
vth = 3kT = 2.3 ×105 m / s m vd
∫
* Ec +100( h 2 / 8 mn L2 )
Ec
( E − Ec )1/ 2 dE
* Ec +100( h 2 / 8 mn L2 ) Ec
* (2mn )3/ 2 2 = 4π ⋅ ( E − Ec )3/ 2 3 h 3 1000π = 3L3
第三次作业
* (2mn )3/ 2 ( E − Ec )1/ 2 2、试证明实际硅、锗中导带附近状态密度公式为 g c ( E ) = 4π V h3
⇒
N D = 1.33 ×1017 cm −3
第三次作业
4、利用前一题所给的Nc和Nv数值及Eg=0.67eV，求温度为300K和500K时，含施主浓度 ND=5×1015cm-3 ，受主浓度NA=2×109cm-3的锗中电子及空穴浓度为多少？ 解：300K时，处于强电离区， n0 = 5 × 1015 cm −3
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
半导体物理第7次课
则 RB ，可见偏转角的方向与霍耳系数相同。将R
代入可得
n
1 ne
nen B
nB
p
1 pe
pe p B p B
3、霍耳迁移率
• 由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变 化，因此以上公式中所用的迁移率严格来说应 是磁场下的迁移率，即霍耳迁移率。
• 引入霍尔迁移率后，霍耳系数要进行修改，
Rn
h
n
1
ne• , Rp
h
p
1 pe
相应的霍耳角、霍耳电势等也要进行修改。
霍尔迁移率
• 对简单能带结构的半导体材料，Rn与Rp 不必修正。
• 由半导体的能带结构可以算出霍耳迁移
率与一般迁移率的比值，它们为
对声学波散射
h
3
8
, 对电离杂质散射
h
1.93, 对简并半导体
h
1
霍尔效应及其应用
机理分析
• N型半导体的导带比金属的费米能级高，所以金属侧的 电子要得到额外的能量才能进入半导体的导带，所以 它要在电流流出处（即电子进入处）吸热。
• 当电子从N型半导体进入金属时它要当初多余的热量， 即在电流流入处发热。
• 利用这个原理可制造半导体制冷、制热器件。
• 一个电子吸收或放出的能量为
3 E Ecs E fm 2 kT
• 而对电离杂质散射， 32768 1 0.577
6615
• 磁场强度较大时，电阻变化与磁场成正比。
磁敏器件
• 由于霍尔电场也与迁移率成正比，所以无论是 利用霍尔效应还是磁阻效应作磁敏器件，载流 子迁移率越大越好。目前适合做磁阻元件的 半导体材料主要有InSb、InAs、GaAs、Ge和Si 等。
(完整版)半导体器件物理试题库.docx
西安邮电大学微电子学系商世广半导体器件试题库常用单位：在室温（ T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为n i = 1.510×10/cm3电荷的电量 q= 1.6 ×10-19Cn2/V sp2/V s μ=1350 cmμ=500 cmε0×10-12F/m=8.854一、半导体物理基础部分（一）名词解释题杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。
非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。
迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。
晶向：晶面：（二）填空题1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为、多晶和三种。
2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为杂质和杂质两种。
3．点缺陷主要分为、和反肖特基缺陷。
4．线缺陷，也称位错，包括、两种。
5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向弯曲，获得空穴时，能带向弯曲。
6．能向半导体基体提供电子的杂质称为杂质；能向半导体基体提供空穴的杂质称为杂质。
7．对于 N 型半导体，根据导带低E C和 E F的相对位置，半导体可分为、弱简并和三种。
8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是、。
9．在 Si-SiO 2系统中，存在、固定电荷、和辐射电离缺陷 4 种基本形式的电荷或能态。
10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向移动；对于P 型半导体，当温度升高时，费米能级向移动。
（三）简答题1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？2．说明元素半导体Si 、 Ge中主要掺杂杂质及其作用？3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？（四）问答题1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？（五）计算题1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a，计算晶面（ 100）、（ 110）的面间距和原子面密度。
华南理工大学2019-2020学年度第一学期课程表
华南理工大学2019-2020学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（1）人数：41执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成王前/李韬 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2019年6月1日华南理工大学2019-2020学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（2）人数：36执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成王前/李韬 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2019年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（3）人数：39执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成徐向民/邢晓芬 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2019年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（4）人数：38执行时间：2019年8月26日1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409）2.数字系统设计课程设计2周课外完成徐向民/邢晓芬3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2019年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（5）人数：45 执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成姜小波 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生制表时间：2019年6月1日学院：电子与信息学院专业：信息工程年级：2017级（6）人数：31执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成姜小波 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生学院：电子与信息学院专业：信息工程（冯秉铨实验班）年级：2017级人数：①44执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 2.数字系统设计课程设计2周课外完成青春美 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生华南理工大学2019-2020学年度第一学期课程表学院：电子与信息学院专业：电子科学与技术（卓越班）年级：2017级人数：26执行时间：2019年8月26日说明： 1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409） 3. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生学院：电子与信息学院专业：电子科学与技术（1）年级：2017级人数：52执行时间：2019年8月26日1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409）2. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生学院：电子与信息学院专业：电子科学与技术（2）年级：2017级人数：46执行时间：2019年8月26日1.通信电子线路课程设计停课1周，其中信工1班第1周,信工2班和电卓班第2周信工3班第3周，信工4班和6班第4周，信工5班第5周，冯班第7周，电科1班第8周、电科2班第9周，邓洪波/梁志明（地点:31409）2. 实验课的具体上课起始周由理论课和实验室老师协商确定，由理论课老师通知学生。
半导体物理与器件ppt第四版
半导体物理与器件
下图所示为室温（300K）条件下锗单晶材料中电子和空穴
的迁移率随总的掺杂浓度的变化关系曲线。从图中可见，随
着掺杂浓度的提高，锗材料中载流子的迁移率也发生所示为室温（300K）条件下砷化镓单晶材料中电子和空
I eNAvt
Nev v
A
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E
A
v
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V
载流子浓度
单位电量
半导体物理与器件
J drf eNv E
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外
加电场成正比，即：
v E
J drf eNv eN E
其中μ称作载流子的迁移率。
因而有电导率和迁移率的关系： 迁移率的定义表明：载
半导体物理与器件
第五章
载流子输运现象
本章学习要点：
了解载流子漂移运动的机理以及在外电场作用下的漂移电
流；
了解载流子扩散运动的机理以及由于载流子浓度梯度而引
起的扩散电流；
掌握半导体材料中非均匀掺杂浓度带来的影响；
了解并掌握半导体材料中霍尔效应的基本原理及其分析方
法；
半导体物理与器件
输运：载流子的净流动过程称为输运。
获得定向运动动量的速率与通过碰撞失去定向运动动量的
速度保持平衡。
此时晶体中的载流子将在无规则热运动的基础上叠加
一定的定向运动。
半导体物理与器件
我们用有效质量来描述空穴的加速度与外力（电场力）
之间的关系
dv
F m
eE
dt
*
p
v表示电场作用下的粒子速度（漂移速度，不包括热运
华南理工大学材料学院课程表
材料科学与工程学院20~20学年度第一学期授课时间表（高分子、材料化学、光电和创新班）二零年月日华南理工大学20～20学年第Ⅰ学期授课时间表专业：高分子材料与工程、材料化学上课周次：1~18周；高物、工艺实验：13~14周;考试周：19~20周。
发表单位：材料科学与工程学院华南理工大学20～20学年第Ⅰ学期授课时间表专业：信息显示与光电技术显示器件驱动技术设计和照明光学系统设计：17-20周。
华南理工大学20～20学年第Ⅰ学期授课时间表专业：高分子材料与工程上课周次：1~14周;考试周：15~16周；机械设计基础课程设计：17~18周；认识实习：19~20周。
发表单位：材料科学与工程学院华南理工大学20～20学年第Ⅰ学期授课时间表专业：材料化学华南理工大学20～20学年第Ⅰ学期授课时间表模拟电子技术课程设计：第19周；数字电子技术课程设计：17~18周。
材料制备与加工综合实验：17-18周.（备注：选修课根据学生自选情况打印出个人课表进行上课）专业：高分子材料与工程备注：《中国近现代史纲要》原著导读、实践教学环节与课内教学并行，实践教学不多于8学时，由授课老师根据实际上课情况安排。
专业：材料化学备注：《中国近现代史纲要》原著导读、实践教学环节与课内教学并行，实践教学不多于8学时，由授课老师根据实际上课情况安排。
专业：信息显示与光电技术备注：《中国近现代史纲要》原著导读、实践教学环节与课内教学并行，实践教学不多于8学时，由授课老师根据实际上课情况安排。
专业：材料类创新班（本硕博连读）专业：高分子材料与工程专业：材料化学专业：信息显示与光电技术专业：材料类创新班（本硕博连读）。
n型硅晶掺入每立方米10的16次方个磷原子,求其在室温下的电阻率 -回复
n型硅晶掺入每立方米10的16次方个磷原子,求其在室温下的电阻率-回复主题：N型硅晶掺入磷原子后的电阻率计算引言：在半导体物理中，掺杂是指在半导体材料中引入少量杂质原子，以改变其导电性能。
N型掺杂是指在硅晶中引入电子供体，如磷原子，以增加其导电性。
在本文中，我们将探讨N型硅晶掺入磷原子后的电阻率计算问题。
首先，我们将介绍N型掺杂的机制和原理。
然后，我们将详细解释如何计算N型硅晶在室温下的电阻率。
第一部分：N型掺杂的机制和原理N型掺杂是利用电子供体杂质原子来引入额外的自由电子到半导体材料中。
磷原子是最常用的电子供体杂质原子之一，其在硅晶中的4个价电子中，有3个高能级电子可以迅速离开原子，并成为自由电子。
当磷原子掺入硅晶中时，它可以取代硅晶中的硅原子，并形成四键共价键。
然而，磷原子的第四个电子会脱离共价键，并成为自由电子。
这些额外的自由电子会增加硅晶的导电性，使其成为N型半导体。
第二部分：计算N型硅晶的电阻率为了计算N型硅晶的电阻率，我们需要知道以下信息：1. 硅晶的载流子浓度（即每立方米中自由电子的数量）。
2. 硅晶的载流子迁移率。
3. 硅晶的电荷密度。
1. 硅晶的载流子浓度根据题目所提供的信息，每立方米中有10^16个磷原子。
由于每个磷原子会释放出3个自由电子，因此每立方米中的自由电子浓度为3 x 10^16 cm^-3 (1 cm^-3 = 10^6 m^-3)。
2. 硅晶的载流子迁移率载流子迁移率是一个性能参数，它衡量了载流子在电场中移动的能力。
N 型硅晶的载流子迁移率通常在100-1500 cm^2/(V·s)之间。
根据具体的硅晶材料和制备过程，可以通过实验测量或模拟计算来获得载流子迁移率的值。
3. 硅晶的电荷密度硅晶中的电荷密度取决于掺杂的原子类型和浓度。
在N型硅晶中，电荷密度主要由磷原子的离子化程度决定。
对于现代半导体材料，磷原子的电离率通常接近100％，这意味着每个掺杂的磷原子都会释放出一个额外的自由电子。
半导体器件可靠性物理(课堂PPT)
突破性的工作很难出现，产品的性能都大体相当
提高竞争力和市场占有率，要求产品
稳定－成品率高
耐用－寿命长
因此，可靠性工作得到重视。几乎所有的半导体生产厂都有可靠性 研发部门。
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绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务
半导体可靠性物理学
产生过程及其重要性
半导体可靠性物理学
课程的重点
绪论
是什么？ 干什么？ 为什么学？ 学什么？
与半导体物理学的区别
t=0 半导体物理学
研究范围
半导体可靠性物理学
半导体物理学
半导体可靠性物理学
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绪论
半导体可靠性物理学的主要分支
半导体器件的可靠性
研究领域和任务
器件可靠性指产品的寿命特点、使用维修情况、完 成任务的能力大小，是产品质量的重要指标之一。
器件可靠性问题也是产品质量问题
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绪论
半导体器件可靠性问题
起小电流增益减少等。
• 使用问题引起的损坏：静电损伤、电浪涌损伤、机械损伤，过高温度引起的破
坏、干扰信号引起的故障、焊剂腐蚀管腿等。
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器件失效分析的作用
绪论
工艺和设计的纠正措施
原材料
工艺质量控制
失 效 分 析
可靠性试验
工艺范
生产工序 工艺筛选
产品筛选
使用和设计的纠正措施
机器装调和运行
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绪论
随着集成度的提高
• 失效因素增加－氧化层击穿、器件特性退化、电迁移、
ESD、NBTI等等
• 总体失效的可能性增大－很难同时保证成千上万个器
件都不失效
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绪论
半导体可靠性物理学
产生过程
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接触电势差引起的曲线移动
绝缘层中正电荷的影响
• 绝缘层中往往存在某些固定或可动的电荷，例 如缺陷或杂质离子，这些电荷往往是正的。 • 这些电荷的存在会在金属板及半导体表面感应 出负电荷，使得半导体表面能带向下弯曲。 • 为了使得半导体表面能带平直，金属板上要加 上一个负电压，使得绝缘层中正电荷发出的电 力线全部终止于金属板上而对半导体无影响， 这个电压也叫平带电压。 • 无论是P型半导体还是N型半导体，绝缘层中的 正电荷均使C-V曲线向左平移。
绝缘层中正电荷的影响
绝缘层中电荷位置与平带电压
• 假定氧化层中的电荷并不总是集中在半导体-氧化层交 界处的，而是分布在整个氧化层中。假定分布在离开 金属板x处，则 Qi x Qi
V FB= −
ε 0ε i
x=−
d i Ci
• 推论：当电荷集中到金属与氧化层交界处时，氧化层 中的电荷对平带电压的影响最小；当电荷集中到氧化 层与半导体交界处时，氧化层中的电荷对平带电压的 影响最大。 • 假如绝缘层中存在可以移动的电荷，则通过温度-偏压 处理，绝缘层中的可动电荷会发生移动。测量处理前 后平带电压的变化，可以确定氧化层中的可动电荷密 度。
归一化电容
• 一般来说，绝缘层的厚度及介电常数不会随外 电场改变，所以Ci为一常数，其数值一般只与 绝缘层的厚度及所用材料有关； • 通常将总电容用总电容与绝缘层电容的比值表 示，即归一化电容
Ci =
ε 0ε r
di
• 这里ε0、εr为介电常数，di为绝缘层厚度。
以P型半导体为例
dQ C= dV
接触电势差与能带弯曲
• 同型结
E f = Ec − kT ln Nc Nd
Nd 2 eV0 = − kT ln N d1
• PN结
Nc Nv eV0 = E g − kT ln Na Nd
I-V特性
• 与串联的PN结相比，N+N和P+P上的压降 很小，因此 eV eV kT j = js e − 1 ≈ js ∝V kT • 所以在偏压较小时，不管偏压方向如何， 同型结的I-V特性为线性。 • 因同型结只涉及一种载流子，Js与PN结 的不同。
I－V特性图示 大偏压 小偏压
N+-N结非线性伏安特性：反偏压
• 反向偏置 随着电场强度的增加，载流子耗尽区向N区体内扩展， 因此，N 区电阻将增加一些，伏安特性的反向电流曲 线偏离线性关系。 反向偏置时空穴被排斥（抽出），相应的电子浓度也 要下降以保持电中性。因此，N+-N结作为避免向N区 注入空穴的结而可以利用。 • 正向偏置 随着偏压的增加，空穴在边界处积累（注入），相应 的电子浓度也要增加，因此N+N结的电阻降低。因此， 伏安特性的正向电流变为非线性。正偏压越大，非线 性越强。
特点
• 由于栅极反向偏置，流过的电流很小， 所以是电压控制型器件。 • 只要有很小的电流即可以控制很大的电 流或功率。
MOS 和MIS结构
MOS: Metal-Oxide-Semiconductor MIS: Metal-Insulator-Semiconductor
MOSFET
• MOS器件可以说是集成电路的基本构成单元之一，是 半导体平面工艺得以推广的基础。可以说没有MOS电 路，就没有今天的大规模、超大规模集成电路。 • MOS器件是一种平面器件，可以通过光刻等手段在硅 片上同时制作许多相同的器件，每个器件的所有部分 均在表面附近，因此可通过氧化、刻蚀、离子注入、 扩散、沉积等方法制作。 • 为了了解MOS器件，必须对MOS结构有一了解。
+P，N+N 同型结P
• 由导电类型但载流子浓度不同的两种材 料形成的N+-N 结或P+-P结称为同型结， 其中N+或P+区为重掺杂浓度区。 • 同型结具有很大的实际意义，可以用在 1、电极制备 2、避免向N区注入空穴
+N结 N
• 设N+区施主浓度为ND2，N区则为ND1，浓度变 化为台阶状。 • 由于电子从N+向N区的扩散，靠近界面的N+区 缺少电子形成正空间电荷区，而在N区则引起 N 电子积累形成负空间电荷区。 • 电荷的分离和空间电荷区的形成引起电场的产 生，因而能带发生弯曲，形成势垒。 • 与PN结不同，同型结重掺的一边为耗尽区，轻 掺的一边为积累区。
平带情况
• 当偏压为0时，能带不发生弯曲，此时所 以半导体表面的电容为CS，总电容为绝 缘体电容与它的串联。
Cs = ε 0 ε r / LD
Cs = Ci 1
ε i LD 1+ ε sdi
耗尽区与弱反型区
• 若金属板上所加电压大于0，但数值较小，半导体表面 层为耗尽层或弱反型区。 • 半导体表面载流子浓度很低，所以半导体表面的电容 很小，因此总电容基本上由它决定。 • 因为在耗尽层近似下空间电荷区厚度随外场的增加而 增加，所以表面电容随外场的增加而减小，因此总电 容也随外场的增加而减小。 Cs 1 = Ci ε i xD 1+ ε sdi
发射效率
• 忽略基区中载流子的产生和 复合，则流过发射极的电流 应该等于基区进入发射区的 空穴电流和发射区进入基区 的电子之和，即 I e = I eb + I be。 • 发射效率 注入电子电流/发射极总电 流，即
I eb I eb η= = I e I eb + I be 1 = 1 + I be / I eb
理想MOS的C-V特性
实际MOS的C-V特性
• 氧化层中有电荷存在； • 有表面态即界面态存在； • 金属的功函数与半导体的不相同。 以上三种情况都会在没有偏压的情况下导致能 带的弯曲，使得C-V曲线发生移动。 • 好处：通过分析MOS的C-V特性可以了解绝缘 层中的电荷、半导体-绝缘层间的界面态等情况， 是研究半导体表面的有力工具。
提高发射效率的方法：不对称结
• 为了提高发射效率，即使发射效率尽可 能接近1，要求基区注入到发射区的空穴 电流小。 • 通过提高基区掺杂浓度的办法可以降低 基区的空穴浓度，从而减小基区注入到 发射区的空穴电流浓度。一般基区施主 的浓度为发射区受主浓度的100倍左右。
集电极电流
I c ≈ I e − I eb
半导体三极管-T
三极管的极、区、结
• 基极、基区 b • 发射极、发射区、发射结 b • 集电极、集电区、集电结 c
三极管的放大作用
• • • • 共基极 共发射极 共集电结 条件：发射极正向偏置、集电极反向偏置。
共基极接法（NPN三极管）
• 由于发射极正向偏置，势垒降低， 电子从发射区注入到基区 （Ie）。 • 注入到基区的电子（非平衡少子） 在基区中扩散形成扩散电流。 • 由于集电结反偏，集电结势垒增大， 基区中扩散到集电结附近的电子全 部被集电结吸收（Ic）。 • 基区中的空穴在发射极偏压的作用 下也向发射区注入（Ib）。 • 为了减小载流子在基区的复合，要 求基区很薄。
强反型区
• 此时偏压很大，半导体表面少数载流子浓度很 高，导电类型与体内的相反。 • 反型区与体内之间还有一个耗尽区，所以总电 荷由反型区的电荷及耗尽区的电荷之和。 • 对于积累区及耗尽区，电荷变化主要通过多子 的流动实现，它的速度主要由材料的介驰豫时 间决定，一般跟得上外场的变化。但对于反型 区，由于电子在体材料中是少子，所以反型层 中少子浓度的变化是通过产生与复合实现的。
结场型晶体管-JFET
• 双极型晶体管：电子、空穴 • 单极型晶体管：单一载流子，JFET，MOS • 源极S、漏极D、栅极G
N沟道 P沟道
工作原理
• G-S间加反向电压，因此P+N二极管反偏，随着反向偏压的 增加，耗尽层扩大。因此S-D之间的电阻增大。 • 控制G-S电压的大小可以控制流过S-D之间的电流。 • 一般N区很窄，因此栅极电压的微小变化就会导致S-D间电 阻的很大变化，由此实现信号放大的目的。
理想MOS的电容-电压特性
• • • • 氧化层中没有电荷存在； 没有表面态即界面态； 金属的功函数与半导体的相同。 对于这种理想的MOS结构，在没有外场 时半导体的能带是平的，也没有空间电 荷区存在。
MOS器件的C-V特性
• 外加电压分为两部分，一部分 降落在绝缘层中，另外一部分 降落在半导体的空间电荷区中， 因此微分电容也可以分为两部 分，其值等于两者的串联电容， 即 1 1 1 = + C Ci Cs • 这里C、Ci、Cs分别为总电容、 绝缘层电容、表面空间电荷区 电容。
欧姆接触
• 如果两种材料接触处的电阻很小，而且电阻与 电流方向及大小无关，则称这种电接触为欧姆 接触。 • 欧姆接触应该具有电学和机械稳定性，而且不 应该存在少子的注入现象； • 好的欧姆接触应当具有10-5Ωcm2 或者更低的电 阻率。 • 方法：金属半导体化合物、同型结
金属-半导体欧姆接触
• 可以利用带有积累层的金半接触作为欧姆按触，这时 金属的热电子功函数应该比N型半导体的小或者比P型 半导体的要大。 • 缺点：满足以上要求的金属-半导体组合非常少。另外， 这种金半接触或多或少存在少子的注入现象。
∆I c RL RL AV = ≈ ∆I e ( Rs + rbe ) rbe
共射极接法的放大倍数
Q Ie = Ib + Ic 而且由于基区轻掺，所以I b远小于I e Ic Ie − Ib Ie ∴ = ≈ =β Ib Ib Ib
• 因此只要Ib有很小的变化，Ic 就会有很大的变化（b倍）， 因此可以在负载上获得放大的 信号。
接触电势差的影响
• 假定半导体为P型半导体，且其功函数大于金属的功函 数（例如铝），则接触电势差小于0，即半导体的电位 比金属的低。这相当于加上了一个正偏压，因此半导 体的能带向下弯曲。 • 要使得能带变直，必须加上一个负电压去抵消接触势 差的影响，此电压称为平带电压，即Vfb=Vms。 • 对于外加电压V，加在半导体上的有效电压只有V-Vfb 。 从C-V曲线上看，相当于曲线沿横坐标平移了Vfb。 • 如果不考虑其他因素的影响，通过测量此平移值可获 得接触势差的数值，由此可以知道半导体材料的功函 数，由此可以获得半导体材料的费米能级、掺杂浓度 等信息。