现代半导体器件物理与工艺(全套课件) 上共204页
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半导体器件物理与工艺资料PPT课件
数载流子浓度为零。
20
因此，
sinh ( W -x )
sinh x
pn ( x)
pn0[exp(
qVEB kT
)-1][
Lp sinh W
]
pn 0 [1-
sinh
Lp W
]
Lp
Lp
当∆<<1时，sinh(∆)→∆. 当W/Lp<<1时，上述方程式为：
p（n x）
pno
exp (
qVEB kT
)(1 x W
34
5.2.4 共基与共射组态下的电流-电压特性
在电路的应用中，共射组态晶体管是最常被用到的（发射极为输入和输出 所共用）。
一.共基组态
B
E
C
共基极组态晶体管
输出电流-电压特性
35
p-n-p晶体管基极中的少数载流子分布
从VBC>0变为VBC=0后，x=W处的空穴浓度梯度改变量很少，使得集电极电 流在整个放大模式范围内几乎相同。
晶体管的类型pnp晶体管10npn双极型晶体管的电路符号npn晶体管511工作在放大模式热平衡状态下理想pnp双极型晶体管所有端点接地的pnp晶体管杂质浓度分布电场分布和能带图工作在放大模式下pnp双极型晶体管共基极组态放大器pnp晶体管工作在放大模式的杂质浓度分布电场分布和能带图共基极组态
第5章 双极型晶体管及相关器件
33
分析：
0
I Cp I EP ICp
0.995
当W/Lp<<1，发射效率由各电流成分表示为
D p pn 0
I Ep
I EP I En
W DE nE 0 D p pn 0
1
1 DE nE 0W
半导体器件与工艺PPT课件
.
5
晶胞
在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体 的结构。在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。 共有原子非常重要，因为晶胞是通过它们来组成一个紧密连接在一起 的晶格结构的。在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子被8个晶胞 所共有，每个面上的原子被2个晶胞所共有。因此每个面心立方晶胞 包含4个完整原子。
.
18
硅中的晶体缺陷
位错 在单晶中，晶胞形成重复性结构。如果晶胞错位，这种情
况就叫做位错。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意 阶段产生。然而，发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅 片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以及超过硅 片承受范围的应力。
.
19
硅中的晶体缺陷
层错 层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移
.
11
单晶硅生长—CZ法
坩埚里的硅被拉单晶炉加热，使用 电阻加热或射频（RF）加热线圈。电阻 加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加 热时，它变成液体，叫做熔体。籽晶放 在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起， 它的旋转方向与坩埚的旋转方向相反。 随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体 上的液体会因表面张力而提高。籽晶上 的界面散发热量并向下朝着熔体的方向 凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，
.
22
硅片制备
整型处理 ■硅片定位边或定位槽 半导体业界传统上在硅单晶锭上
做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明 了晶体结构的晶向。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导 电类型。
.
23
硅片制备
整型处理
■硅片定位边或定位槽 硅片定位边在200 mm及以上的硅片已被定位槽所取代。
半导体物理及器件工艺PPT ch1_p-n结
kT q
ln N AN D ni2
与使用各自静电势推导结果一样
26
(3) 其它耗尽区特性 a)突变结电场强度与电势分布
I. 电场强度 • 假设突变耗尽近似：空间电荷区中无自由载流子，电场完全由正、
负空间电荷的分离产生。
根据电中性原理，空间 电荷区有：
qNAxp＝qNDxn
问题：空间电荷区或耗尽区 在两边的厚度与什么有关？ 规律如何？
或qVbi。 • 远离结区的n型和p型半
导体仍是均匀的，因此 Vbi可由p区和n区内部费 米能级的差值(或功函数) 来确定。
qVbi p n E Fn E Fp
问题：此时n区电子若逸出到真空能 级，需克服多少能量？势垒+亲和能
• 由于本征费米能级EFi不随外界变化而变化，因此也可以此为参 考标准进行内建势垒的计算；
第一章pn结二极管第二章异质结二极管量子阱超晶格第三章金属半导体肖特基二极管包括欧姆接触和肖特基接触第一章pn结二极管11二极管的基本特性12同质pn结特性13同质pn结的电流电压iv特性14pn结小信号模型15pn结二极管瞬态特性16非突变同质结11二极管的基本特性二极管
第一部分 半导体器件
第一章 pn结二极管 第二章 异质结二极管（量子阱、超晶格） 第三章 金属-半导体肖特基二极管（包括欧姆接 触和肖特基接触）
肖特基二极管
……
3
(1)开关特性
问题：二极管导通时的电压有什么特点？电压源 同质结二极管的近似 等效电路，(a)开路， (b)端电压近似恒定
4
Diode logic (AND gate) was used in early digital computers Diodes can switch analog signals (Parallel resonator network)
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
天津工业大学
现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
《现代半导体物理》课件
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微电子应用
微电子技术在计算机、通信、 航空航天、医疗等领域有广泛 应用。
光电子技术
光电子技术概述
光电子技术是利用光子进行信息处理和传输的一 种技术。
光探测器
光探测器是用于探测光的强度、波长和方向的电 子器件。
激光器
激光器是产生激光的光电子器件，具有高亮度、 单色性好、方向性强等优点。
光电子应用
光电子技术在通信、信息处理、医疗、军事等领 域有广泛应用。
详细描述
当电子从高能级回落到低能级时，会释放出能量，以光子的 形式释放出来，这就是半导体的光发射。光发射的类型包括 自发发射和受激发射，其中受激发射需要外部能量激发。
半导体的光散射
总结词
解释半导体的光散射现象及其产生原因 。
VS
详细描述
当光在半导体中传播时，会受到原子或分 子的影响，发生散射现象。散射的程度与 半导体的微观结构和入射光的波长等因素 有关。散射现象对于光的传播和半导体光 学性质的研究具有重要意义。
电导系数
电导系数是描述材料导电能力 的物理量。对于半导体，其电 导系数取决于载流子浓度和迁 移率。
半导体中的光电导
光电导定义
光电导是指材料在光照条件下，吸收光子能量后产生电子-空穴对，从而增加电导的现象。
光电导机制
当光照射在半导体上时，光子能量大于半导体禁带宽度的光子能够激发电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。 这些电子和空穴在电场作用下发生定向移动，形成电流。
半导体中的电子状态
总结词
半导体中的电子状态
详细描述
在半导体中，电子的状态可以通过能级和波函数来描述。在绝对零度时，价电子 被束缚在原子内部，形成满带。当温度升高或受到光照时，部分体中的载流子
半导体与器件物理全套课件
微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
2006 0.10 1.5—2
2009 0.07 <1.5
2012 0.05 <1.0
栅介质的限制
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
随着 tgate 的缩小，栅泄 漏电流呈指数性增长
栅介质的限制
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减 少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数
在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM…
10nm ? Atomic level?
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在 0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发
[物理]半导体器件物理ppt
![[物理]半导体器件物理ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/4aaa424c7375a417866f8ffb.png)
V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。 在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗 尽 时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反 型 时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型 当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0： 空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0： 平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB： 禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)．
半导体器件物理与工艺 绪论PPT课件
微芯片制造涉及5个大的制造阶段（见图）： •硅片制备 •硅片制造 •硅片测试/拣选 •装配与封装 •终测
硅片制备 在第一阶段，将硅从沙土中提炼并纯化。经过特殊工艺产生适 当直径的硅锭（见图）。然后将硅锭切割成用于制造微芯片的薄硅片。 按照专用的参数规范制备硅片，例如定位边要求和沾污水平。
硅片制造 自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，被称为硅片制造。 裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和 掺杂步骤。加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅 片制造的其他名称是微芯片制造和芯片制造。
装配与封装 硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单 个芯片包装在一个保护管壳内。硅片的背面进行研磨以减小衬底的厚度。 一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带 金刚石的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜保护硅芯片不脱落。 在装配厂，好的芯片被压焊或抽真空形成装配包。稍后，将芯片密封在 塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定 （见下图）。
半导体产业在20世纪50年代开始迅速增长为以硅为基础的商品化晶 体管技术。早期的许多先驱者开始在北加利福尼亚州，现在以硅谷著称 的地区。1957年，在帕罗阿托市的仙童半导体公司制造出第一个商用平 面晶体管。它有一层铝互连材料，这种材料北淀积在硅片的最顶层以连 接晶体管的不同部分(见图)。从硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于 隔离铝导线。这些层的使用在半导体领域是一重要发展，也是称其为平 面技术的原因。
这个无所不在的小东西是一种叫作“硅”的物质所制作成 的。这种物质在地球上相当丰富，海沙即含有相当高成份的 “硅”。半导体的制作过程是一项科技高度整合的作业，结 合了化学、物理、电子、电机、机械、自动化、软体工程、 电脑辅助设计(CAE/CAD)等，几乎所 有顶尖的技术都被用 来制造半导体。从下方这个简单的流程方块图，我们大致可 以瞭解半导 体的制程。
半导体器件物理PPT课件
8
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
a 3/2
例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
3
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
二）杂质原子取代晶格 替位式杂质 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。
41
两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所 以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质
原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它 们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与 Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。
例1
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 例2 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
a 3/2
例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
3
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
二）杂质原子取代晶格 替位式杂质 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质/填充。
41
两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所 以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质
原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它 们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与 Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗 晶体中都是替位式杂质。
例1
在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个杂质原 子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温 下将增加103倍。 例2 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错密度要求 控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出 性能良好的器件。 （缺陷的一种）
现代半导体器件物理与工艺
将边界条件代入 且在x＝ δ时C＝Cl，可以得到
因此
在晶体内的均匀掺杂分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率 获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅 于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。
悬浮区熔法
悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。
此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
砷化镓晶体的生长技术－起始材料
砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。
不像硅可以在熔点时有相对 较低的蒸汽压（1412℃时约 为10-1Pa ），砷在砷化镓的 熔点（1240℃）时有高出许 多的蒸汽压。在气相中砷以 两种主要形式存在：As2及 As4。
有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。
Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。
在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是 硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进 端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：
而且
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
从积分式可得
因此
在晶体内的均匀掺杂分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率 获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅 于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。
悬浮区熔法
悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。
此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
砷化镓晶体的生长技术－起始材料
砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。
不像硅可以在熔点时有相对 较低的蒸汽压（1412℃时约 为10-1Pa ），砷在砷化镓的 熔点（1240℃）时有高出许 多的蒸汽压。在气相中砷以 两种主要形式存在：As2及 As4。
有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。
Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。
在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是 硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进 端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：
而且
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
从积分式可得
现代半导体物理.ppt
氢键
金属键பைடு நூலகம்
氢原子与一个原子结合后，由于其原子核体积很小，可以与另一个 电负性较大的原子结合形成氢键
共用传导电子，原子核与共有电子之间通过库伦力相互作用
金刚石型结构
金刚石结构
每个原子周围有四个最邻近的 原子，这四个原子处于正四面 体的顶角上，任一顶角上的原 子和中心原子各贡献一个价电 子为该两个原子所共有，并形 成稳定的共价键结构。 共价键夹角：109˚28’
硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿 型和纤锌矿型两种结构结晶 某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶。如 Ⅳ-Ⅵ 族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
第三章 晶体中电子的能带
一. 能带的形成
1. 周期性势场的形成
2.
(1) 孤立原子中价电子所在处的势能及总能 (按经典理论, 电子在ab 之间运动)
导带
2. 绝缘体：
空带
绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁 带宽度△Eg 较大，电子很难跃迁导电。但是， 如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空 带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的 击穿。
满带
3. 半导体： 半导体的能带结构与绝缘体大致相同，价带也是 满带，但满带与空带之间的禁 带宽度 △Eg较小 。 容易把电子从满带激发到空带中去，从而电子和 空穴都参与导电。 例如, 硅 (Si) 和 锗 (Ge) 的禁带宽度， 在常温 下分别为 1.11 eV 和 0 .47 eV 。
a a1 2 (i a a2 ( j 2 a a (k 3 2
j) k ) i)
a2
a1
a1,a2,a3
a1,a2,a3
半导体器件物理PPT课件
3)加反偏压时 耗尽层宽度为 W W
W
P
N
VR +
能量 （E ）
IR
（c ）
qy 0 VR
qVR
✓N区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，EFn 及诸能级相对P区 EFp下移 qVR 。
✓在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 EFn 和 EFp不变。
✓势垒高度增加至 q(y 0 VR ) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
1)热平衡时
耗尽层宽度为 W
P
2)加正向偏压时
能量 （E ）
N
W
（a ）
耗尽层宽度为 W W
PN结
W
P
NV+来自能量（E ）E Fn
E Fp
（b ）
qy 0 EC EF
qy0 V
qV EFn
2.2加偏压的PN结
加正向偏压时
W
P
N
能量
（E ）
E Fn
E Fp
qy0 V
qV EFn
V
+
（b ）
3)正确画出热平衡PN 结的能带图（图2-3a、b）。
4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
y0
y n
y
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
5)解Poisson方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗
尽层宽度。
PN结
PN结
2.2加偏压的PN结
1.加偏压的PN结的能带图
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
PN结
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光电器件现代半导体器件物理与工艺
每一光子能量转换成热能的比例为
hv Eg 3 1.12 62.7%
hv
3
因此，每秒耗散到品格的能量为62.7％×6.3mW≈ 3.9mW．
又因为在1.12eV/光子时，复合辐射需要2.4mW(即6.3mW-3.9mW)的能量， 所以每秒通过复合作用放出的光子数目为
2.4 10 3 1.3 1016 (个) 1.6 10 19 1.12
收的比例是与通量的强度成正比。因此，在一增量距离Δx[图(a)]内，被 吸收的光子数目为αΦ(x)Δx，其中α称为吸收系数，由光子通量的连续性 可得
x x x dx • x axx
dx
W
dx ax
dx
(x)
(x x)
0
负号少。代入边界条件，当 x=0时，Φ(x)= Φ0可得上式的解为
一个沿着p=0的是直接极小值，
另 值
。一2.5位个于沿导着带p=直pm接ax的极是小间值接的极电子小
及位于价带顶部的空穴2E.g具261有相同 的动量(p=0)；而位于导带间接极
小值的电子及位于价带顶部的空 穴则2.0具有不同的动量间。接禁辐带射跃迁
机制大部分发生y 于0.45直接禁带的半 导y守Py恒体(1y.5。<中0光.，4子5如)直，能接砷因量E禁g带化其等1.9可于镓77 以半及保导G持体a A动的s量禁1 带宽度。Eg 1.424
此辐射也是相干的，因为所有的
(c) 受激辐射
hh1122 (同相位)
光子都是同相位发射。
图 8.2 在两个能级间的三种基本跃迁过程. 其中黑点表示原子的 能态. 最初的能态在左边，经过跃迁后，其最终的能态则在右边
辐射跃迁和光的吸收
发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则 是受激辐射，而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。
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