天津大学第半导体物理课件(1)

C60 是新近发现的继金刚石和石墨后第三种全碳 组分晶体。具有元素半导体性质，但因其结构复 杂，被划为聚合物类。是截角20面体。能带结构 属于直接跃迁型，禁带较宽（1.7到2.3ev），是 理想的光电子材料，如可见光和近红外光LED， 有一定的光照不稳定性，可被光照分解。掺杂可 变为导体和超导体。目前已制造成功C60/Si 、 C60/GaAs、C60/SiC、C60/金刚石等半导体异质 结。

三代半导体材料
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一
代半导体材料；将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷 化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料； 而将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化 锌和金刚石等称为第三代半导体材料。上述材料 是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料 代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。
显微镜下的雪花晶体
硅锭与硅圆片
硅锭
硅圆片
碳化硅块
展示直径最大硅柱
英特尔博物馆展示纯度达99.99999%的硅
锗石
半导体是导电性能介于金属和绝缘体之间的 一种材料。 一般固体材料的电导率： 6 -1 超导体: 大于10 (cm) 导 体: 106~104(cm)-1 8 -10(cm)-1 半导体: 10 ~10 -10(cm)-1，半导体制造中 绝缘体: 小于10 的绝缘体有SiO2、Si3N4、PI和去离子水 （18X106）18兆欧姆厘米

金刚石有潜在的光学应用市场，对可见光折射率 n=2.42，且吸收系数低，在大部分红外区和紫外 区也是透明的。金刚石是所有物质中导热率最高 的一种，80K时达1.5X105W/mK，比室温铜高6倍。 是很好的微电子材料和切割材料。

金刚石也是一种半导体。就红外光学应用来看, 金 刚石是目前已知的红外光学窗口综合性能最为优 越的半导体材料。它除了在3～5μm 有较大吸收 外, 它透过整个可见光和红外波段, 而且力学、热 学性能最好。但目前人们还没有制造出可实际应 用的人造金刚石晶体, 仅限于在其他红外光学材料 上镀类金刚石膜(DLC) 。

可以看成是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对 角线相互位移1/4空间对角线长度套构而成。原子 在金刚石晶胞中的排列是：8个原子位子，共8个。
硅 锗 金刚石 灰锡（α-Sn）

金刚石结构
正四面体结构
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
解理面 腐蚀速率最慢
晶列指数——晶向指数

任何两个原子之间的连线在空间有许多与它相同 的平行线。
一族平行线所指的方向用晶列指数表示


晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比例 取互质数 [111]、[100]、[110]

结晶碳：

金刚石薄膜具有宽禁带5.5ev、高热导率、高临界 击穿电场、高电子饱和速度、低介电常数特点。 适于制造电力电子器件和高温器件。掺硼可获低 于10-2Ωcm的p型金刚石薄膜，n型掺杂目前还较 困难，掺杂方法是CVD,离子注入法还未成功。

第一章课程大纲
绪论
第一章：半导体物理基础 1.1 半导体材料概况： 材料特性 晶体结构 1.2. 半导体能带理论 载流子模型： 量子化概念 sp3杂化轨道 复杂能带结构 载流子 特性（荷电、有效质量张量、空穴、掺杂）

1.3. 半导体中载流子输运理论 半导体中杂质与载流子统计分布(热平衡与非平衡) 弱场下载载流子输运： 漂移 扩散 复合 产生 连续 性方程 泊松方程 半导体器件必要的高级论题 强 场下载流子输运，热载流子 1.4 半导体光学性质 辐射跃迁 光吸收 1.5 半导体特种效应原理： 热、电、磁、光、压 阻等
碳纳米管材料
碳纳米管材料
碳纳米管柔软电路

灰锡（α-Sn）
灰锡（α-Sn）窄禁带特征可使其在远红外探测器 方面得到应用。

锗（Ge） 地壳中锗含量约百万分之一。有较高的 载流子迁移率，以及某些重掺杂下高度红外敏感 特性，在高频小功率晶体管和中远红外探测器等 有一些应用。但锗硅合金获得新的应用。

半导体基本可分为两类：元素半导体材料和化合 物半导体材料。 半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS SIC 、 GaN 、 CdS 硅是自然界中广泛存在的一种物质，更是集成电 路中最常用的半导体材料，而且应用越来越广泛。

部分元素周期表
III
1、施敏，现代半导体器件物（译） 2、半导体物理与器件（美）Donald A.Neamen 第三版 电子工业出版社 赵毅强 姚素英 解晓东译 3、半导体器件物理 2002年出版 北京大学出 版 社 曾树荣 4、半导体器件物理 2009年出版 科学出版社 吉 林大学
内容简介

本课程为硕士生学位课，在学习半导体物理、器 件原理、工艺原理、集成电路等课的基础上，结 合微电子发展的新进展深入探讨半导体器件物理 机理以及应用的基本原理。本课程主要内容包括 ：半导体材料概述 ；半导体复杂能带结构与晶体 对称性分析；载流子输运；双极器件物理；MOS 器件物理；异质结构物理与异质结器件；半导体 中热、电、磁、光、压阻等效应及应用；半导体 功率器件等。
闪锌矿结构

闪锌矿结构与金刚石结构的不同仅在于它们的晶 格中有两类原子，化合物半导体比如GaAs的结构。 GaAs的基本四面体结构，其中每个镓原子有四个 最近的近邻砷原子，每个砷原子有四个近邻镓原 子。GaAs室温Eg1.43ev，电子迁移率高达 8000cm2/V.s,是硅的5到6倍。工作频率在510GHz，也占1.2 GHz器件的70%份额。但导热 率低，不适合作电流密度较高的电力器件。具有 直接带隙，做高效激光器。具有负微分电导。

闪锌矿结构
砷化镓（GaAs）
磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
纤锌矿结构

纤锌矿结构和闪锌矿结构相接近，但具有六方对 称性，而不是四方对称性，是闪锌矿加热到 1020℃时的六角对称形变体。 三族元素硼铝镓铟和五族元素氮磷砷锑交相化 合而成的16种化合物半导体可按闪锌矿晶体结构 结晶，但四种氮化物还可按纤锌矿结构结构结晶。
少于百万分之二(ppm)的碳元素、少于十亿分之 一（ppb）的Ⅲ-Ⅴ族元素。
硅片中的氧含量控制在24到33ppm（少量氧起到俘 获中心作用，束缚硅中的沾污物，但过量会导致 p-n结、MOS漏电流增加）
无位错单晶直径增至450mm（18英寸），长可超 1m，质量近半吨。从200mm（8英寸）到300mm （12英寸），VLSI成本下降30%到40%，现已有 800 mm （32英寸）单晶。区熔硅单晶直径可达 125mm（5英寸）为功率半导体器件提供了条件， 晶闸管正反阻断电压高达6000V以上，电流容量 超3000A。现已有6英寸区熔硅单晶。 硅的光电子学领域应用正在发展。 多晶硅可做太阳电池， 锗硅合金（应变硅） 的应用广泛 高速
Modern semiconductor device physics
现代半导体 器件物理
第一章
半导体物理基础
现代半导体器件物理
Modern semiconductor device physics

姚素英、张为、秦国轩等 课堂授课：28学时； 讨论：4学时； 自学：32学时
教材及参考书

晶体的晶向与晶面
晶体的晶向与晶面
•
任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面
一族平行晶面用晶面指数来表示
•
•
它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互 质数 (111)、(100)、(110)
相同指数的晶面和晶列互相垂直。
• •
密勒指数
(100)、(110)面
（111）面
根据固体内部原子排列的不同，把固体分为三类： 无定型（不存在长程有序）、多晶（小区域内完 全有序）、单晶（原子排列有序）。



无定型、多晶和单晶是固体的三种基本类型。每 种类型的特征是用材料中有序化区域的大小加以 判定。有序化区域是指原子或者分子有规则或周 期性几何排列的空间范畴。
无定型材料只在几个原子或分子的尺度内有序,多 晶材料则在许多个原子或分子的尺度上有序，单 晶材料则在整体范围内都有很高的几何周期性。

§1.1 半导体材料概况：
材料特性

晶体结构
半导体材料特性、晶体结构与器件的属性和电学 特性直接相关。通常的半导体材料都是单晶材料 。单晶材料的电学特性不仅与其化学组成有关， 也与固体中的原子排列有关，因此，有必要学习 一下固体的晶格结构。 单晶材料的形成或者说生长是半导体技术的重要 部分。 对于芯片厂商来说，32纳米工艺开发成本可能高 达30亿美元以上，是65纳米技术的两倍。32纳米 工厂的建造成本估计高达35亿美元。

使用的半导体材料硅是一种人造材料。 必须从硅的化合物中分离出硅，再提纯，分离出 的是多晶硅。再制造大尺寸的单晶硅。 硅作为半导体材料的一个重要原因是其表面自然 生长稳定的电绝缘薄层SiO2，可作为阻挡层。

半导体级硅 Semiconductor-gradesilicon (SGS)

半导体级硅具有超高纯度：

半导体以共价键结合为主，化合物半导体包含离 子键成分。

用电负性（electronegativity）来描述原子的结合 能力。价电子数相同的原子，电子壳层越多，电 负性越弱；电子壳层数相同的原子，价电子数越 多，电负性越强。电负性小倾向于按金属键结合， 电负性大倾向于按共价键结合。

原子由三种不同的粒子构成：中性中子和带正电 的质子组成原子核，以及绕核旋转的带负电荷的 电子。质子和电子数相等，原子呈电中性。 元素是同种原子构成的最简单的物质，具有特定 的物理和化学性质。