半导体器件物理课件

4.71018
7.01018
1.43
Carrier Concentration

Q5：对于自由电子浓度分别为n1,n2的两 块同样半导体，其费米能级位置之间有 何关系？（EC，T一样）
Carrier Concentration
EF1 - E F2 n1 kT ln n 2

1.1 半导体材料和载流子模型
Crystalline,Polycrystalline,Amorphous
Solids
Metal,Semiconductor,Insulator
Semiconductor Material — three generations
First generation单晶硅棒
Carrier Concentration
将np,得 np (NC NV )eE kT ni2 Intrinsic carrier density is

g
ni N C NV e

Eg 2 kT
ni~T
Carrier Concentration
—intrinsic Si n=p=ni —n-Si electrons are “donated” to the conduction band(“donor”) —p-Si: “hole”s are created in the valence band
1.1.2 Energy Band
Energy Band的计算： 1.半导体中的粒子是满足波粒二象性的， 所以晶格中电子的性质可以用波函数来 描述它 2.认为电子间是相互独立的，满足薛定 谔方程，称为单电子近似：

Energy Band的计算
2 d 2 ( x) V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx

Quantum computer device
Contents
p-n junction Bipolar Junction Transistor JFET&MESFET (includes M-S junction) Metal-Oxide-Semiconductor Transistor Other Semiconductor Device
1.1.3 Carrier Concentration

Density-of-State function gc(E) Distribution function f(E) Electron Concentration（单位体积的电子 数）:
n f E g C E dE
1 f E 1 expE - EF kT

Q3

注意界面和表面的区别！
能带图
能带跃迁
“摩尔定律”：处理器 (CPU)的功能和复杂性 每年(其后期减慢为18个 月)会增加一倍，而成本 却成比例地递减。
在技术上，摩尔定律依然勇往 直前
1985年到2003年英特尔近20年股 票走势，如今与摩尔定律开始背离
Homework 1

Q4：一旦Ge含量在纵向不均匀，线性分 布0%~40%, 请再考虑能带图。

Question Continue
Question continue
Si晶格常数aSi：5.431Å Ge晶格常数aGe：5.658Å>Si晶格常数 Si1-xGex晶格常数aSiGe计算公式： aSiGe=aSi+(aGe-aSi)x=aSi+0.0227x x称为百分含量

First Generation硅单晶片
Second Generation GaAs晶圆片
Third Generation：SiC，GaN
question
Question 1: Si的原子序数?Ge的原子序 数？ 核外价电子均为4个，称为IV族半导体 Q2:Now在硅单晶衬底上Deposit 2微米厚 硅锗化合物单晶材料，情况会怎样？假 定横纵方向晶体性能一致，请计算大约 有多少层硅锗化合物材料原子？
Principle of Semiconductor Device
教材：北京大学出版社,曾树荣，《半导 体器件物理基础》 教材分为两部分：第一部分半导体基本 知识和pn结理论；第二部分阐述主要半 导体器件的基本原理和特性

Principle of Semiconductor Device
回去预习:半导体物理 该课程可被应用于:集成电路制造和后端 设计
Derivation of Density-of-State
x k 2
→
2 V Vk 2
3
E - E0 2m k k0 (k空间)
2 2


→
4 2m Vk 2 3
3
2
E E0 2 一个量子态的 k空间体积
Si、Ge、GaAs的有效质量、有 效状态密度及禁带宽度（300K)
mn*/m0 mp*/m0 NC(cm-3) 2.81019 NV(cm-3) 1.01019 Eg(eV) Si 0.23 0.12 1.12
Ge
0.03
0.08
1.01018
6.01018
0.67
GaAs
0.07
0.09

RoadMap of Technology
Semiconductor technology Parameter extraction
Device fab. Semiconductor physics
Device modelling Integrated circuit
Device physics

n-Si: 掺杂浓度越高，EF便越高 p-Si:掺杂浓度越高，EF便越低

Carrier Concentration
Q6：已知：Si，ni，ND，全电离，Eg，T 请计算EF与Ei，EC，EV的能量差。

Q6
ND EF - Ei kT ln ni
ND EC - E F kT ln 2 ni

3.量子力学分析表明：在周期性势场中， 波函数具有如下形式：
k ( x) uk ( x)ei 2kx
uk ( x) uk ( x na)
能带图

Q3：请画出Q2中结构的能带图。假定 Ge百分含量为15%。各方向材料一致。
测量结果
Strained: Eg(x)=1.12-0.74x(x为Ge百分 含量) Eg=0.74x
ND EF - E V kT ln 2 ni Eg
Eg
Device simulation
Physical model
Electrical model
器件分类
以晶体管为基础的微电子学器件 以激光器和光探测器为主体的光电子学 器件

CMOS device
CMOS Technology for 25 nm Channel Length
新器件
HBT（异质结双极晶体管） HEMT（高电子迁移率晶体管） 量子电子学器件等

1.1.1Crystal Structure介绍
Unit Cell（元胞） Three Dimensional： Diamond: Ge, Si Zincblende: GaAs Lattice Constant：原子平衡间距 Miller Indices和晶向，晶面：比如（100） 晶面，与之垂直的称为[100]晶向

Ch1 Semiconductor Introduction
Semiconductor material & Carrier model Lattice Vibration Carrier Transport Phenomena Optical Properties of Semiconductor
3
Derivation of Density-of-State
3 1 2 4 2m 2 2 E - E 0 2 3 V 2 3 3
源自文库
单位真实体积的量子态
数
↓
1 2m 2 2 2
3 2
E - E0
1
2
单位真实体积单 dE g（ C E）dE 位能量间隔的量子态数