第二章 半导体材料特性
半导体物理学第二章
电离能的大小：
• 硅中掺磷为0.044，掺硼为0.045(eV)。 • 锗中掺磷为0.0126，掺硼为0.01(eV)。 • 这种电离能很小，杂质可以在很低的温度下电离。故称之 为“浅能级杂质”，在室温几乎全部电离。 • 杂质能级用短线表示，因杂质浓度与硅相比很低，杂质原 子相互之间几乎无作用，杂质能级相同，量子的排斥原理 对低浓度的杂质掺杂不起作用。
•
h 0 0 . 53 氢原子玻尔轨道半径为 r0 Å， 2 q m0 * 根据杂质类氢模型将 r 0 代替 0 ，以 mn 代
2
替m0 ，可得杂质等效玻尔半径
，
h r 0 r 2 * q mn
2
0 r h m0 r 2 * r * r0 q mn mn
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带
再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价 带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离 能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受 主离化态 Au＝ ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给
杂质在GaAs中的位置
间隙式 替 族原子 替位式替V族原子
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ 族原子 替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ 族原子
• IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族 元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是 施主还是受主与掺杂条件有关。
半导体的掺杂
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
第二章半导体中的杂质和缺陷
Ec EA3
EA2
EA1
ED
Ev
EA3=EC－0.04eV
§2.1.6 深能级杂质
三个基本特点：
一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大； 二、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生
受主能级。 三、能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低（在
第五章详细讨论）。 四、深能级杂质电离后为带电中心，对载流子起散射作
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
2，Au获得一个电子－－－受主 Au0 ＋e＝ Au-
Ec
EA1= EV + 0.15eV
EA1
ED
Ev
§2.1.6 深能级杂质
3，Au获得第二个电子 Au- ＋e＝ Au--
Ec
EA2
EA1
ED
Ev
EA2=EC－0.2eV
§2.1.6 深能级杂质
4，Au获得第三个电子 Au-- ＋e＝ Au---
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
实际材料中 总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或
缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常 常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影 响。
杂质能级位于禁带之中
Ec
杂质能级
Ev
杂质和缺陷 原子的周期性势场受到破坏
在禁带中引入能级 决定半导体的物理和化学性质
§2.1.2 施主杂质 施主能级
Si、Ge中Ⅴ族杂质的电离能△ED（eV）
晶
杂
质
体
P
As
Sb
Si 0.044 0.049
0.039
Ge 0.0126 0.0127 0.0096
§2.1.3 受主杂质 受主能级
第二章 半导体及其本征特征解读
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
导带底与价带顶之间的能量差半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子但与真空中的自由粒子不同考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正可负取决于与晶格的作用受主掺杂施主掺杂二杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电
第二章 半导体物理和器件物理基础
Recap:
主要知识点和阅读章节
• • • • • • 1、半导体材料基本特性 2、pn结 3、双极晶体管 4、场效应管 阅读教材第二章 阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第 五版）》第1、2、3、4、5章.
• 参考教材： • [1] 童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础 (第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006. • [2] 康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第 五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.
第一讲 半导体物理基础
• 2.1 半导体及其基本性质
• 2.2 半导体中的载流子
在非本征情形:
np n
2 i
n p
N型半导体：n大于p
P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + N d – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + N d – Na
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体材料性能表征技术研究
半导体材料性能表征技术研究第一章：概述半导体材料是数字电子设备的制造基础。
随着半导体工业的不断发展，人们对半导体材料性能的要求也越来越高，因此对半导体材料的表征技术研究显得尤为重要。
本篇文章将介绍半导体材料性能表征技术的研究现状，以及常用表征技术的优缺点。
第二章：半导体材料性能表征技术2.1 电学特性表征技术半导体材料最主要的功能是半导体材料的电学特性。
因此，电学特性表征是半导体材料中最基础的表征技术之一。
常用的电学特性表征技术有电导率测试、霍尔效应测试、电容测试等。
2.1.1 电导率测试电导率是衡量半导体材料导电能力的参数，是半导体材料电学特性的最基本参数之一。
常用的电导率测试仪器有四探针仪和霍尔测试仪。
四探针仪主要用于测量电性能参数一般值比较小的半导体材料。
而霍尔测试仪的主要功能是通过电模型和半导体功率件的电性能参数推算出材料的导电性能。
2.1.2 霍尔效应测试霍尔效应测试利用卡斯特威德-費西爾电场分析法，测量半导体材料的电流和电压之间的关系，得到材料的导电性能参数。
霍尔效应测试主要适用于导电性能非常强的半导体材料，如红外材料和高电子迁移率材料。
2.1.3 电容测试电容测试是用于测量半导体材料中电荷储存量和电荷响应时间的技术。
利用逆变电容仪器测量材料的电容值，可以得到半导体材料的这些参数，从而了解其电学特性。
2.2 光学特性表征技术半导体材料同时也具备光学特性。
表征半导体材料光学特性的技术主要有荧光光谱测试、吸收光谱测试、拉曼光谱测试、发光光谱测试、椭圆偏振测试和反射光谱测试。
2.2.1 荧光光谱测试荧光光谱测试是通过激发半导体材料分子电子所产生的发射荧光进行表征。
根据荧光光谱图可以了解半导体材料分子内部运动状态、分子结构和材料表面对附近环境的响应。
2.2.2 吸收光谱测试吸收光谱测试是一种通过测量半导体材料在吸收光谱范围内的光发射的强度来表征材料光学特性的技术。
归一化吸收谱是半导体材料光学特性中的一个重要参数，它的大小和材料的吸收系数和材料表面的性质密切相关。
第二章半导体中杂质和缺陷能级
四.杂质浅能级电离能的简单计算
五. 杂质补偿作用
在同一块半导体材料中如果同时存在有两种类 型的杂质，则该半导体的导电类型主要取决于掺杂 浓度高的杂质。例如：若 Si 中的 P 浓度高于 B 浓度， 则该块 Si 材料是 n 型半导体。但是，与同样掺 P 浓 度的单一掺杂情况比较，由于有受主的存在，被激 发到导带的电子数将会减少（因为此时有一部分施 主能级上的电子将会落入受主能级），这种现象称 为杂质补偿。如果掺杂情况相反，则该块材料为 p 型半导体。
个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅略小于禁带宽度 Eg，所以
施主能级ED很接近Ev。
中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受
三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电
子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带
＝ 再激发一个电子给 Au- 使之成为二重电受主离化态 Au，所需能量为
§2.2 III-V族化合物中的杂质能级
等电子陷阱：在某些化合物半导体中，例如磷化 镓中掺入V族元素氮或铋，氮或铋将取代磷并在禁带 中产生能级。这个能级称为等离子陷阱。这种效应称 为等离子杂质效应。 等离子杂质:所谓等离子杂质是与基质晶体原子具 有同数量价电子的杂质原子，它们替代了格点上的同 族原子后，基本上仍是电中性的。但是由于原子序数 不同，这些原子的共价半径和电负性有差别，因而它 们能俘获某种载流子而成为带电中心。这个带电中心 就称为等离子陷阱。
元素 P 在 Si 中成为替位式杂质且电离时，能够 释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们 为施主杂质或n型杂质
2．施主能级
由于共价键是一种很强的化学键，结合非常牢固，共价 键上的电子是几乎不可能在晶体中运动的。但P 原子的那个 “多余”的价电子被离子实 P+ 束缚得相当微弱，这个电子 在不大的外场力作用下就可以脱离 P+ 的束缚而在 Si晶体中 自由运动。 从能带的角度来看，处于共价键上的电子就是处在价带 中的电子，而那个“多余”的电子并不处在价带中，它只要 得到一个很小的能量（只要室温就足够了）就会被激发到导 带，成为导带中的传导电子。这就相当于在Si禁带中，在距 导带底下方很近的地方有一个能级，在未激发的情况下（例 如0K时），那个“多余”电子就处在这个能级上，杂质此时 是电中性的。但是稍稍给它一点能量，那个“多余”的电子 就将跃迁到导带。杂质 P 原子也因这个价电子的离开而带正 电，此时就称施主杂质电离了。因掺入施主杂质而在禁带中 引入的这个能级称为施主能级。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
半导体材料的基本性质
N型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心，称为施主杂质。
施主电离能和施主能级
2.3 半导体中的杂质和缺陷
2.3.1 本征半导体 2.3.2 n型半导体 2.3.3 p型半导体
2.3.1 本征半导体
完全纯净、结构完整的 半导体晶体称为本征半 导体。
本征半导体也存在电子 和空穴两种载流子
但电子数目n和空穴数目 p一一对应，数量相等， n＝p。
•传导电子
•导带
•空穴
电流密度
•V •E
•L
电流密度是指通过垂直于电流方向的单位 面积的电流
均匀导体，电流密度 电场强度 欧姆定律的微分形式
迁移率
假设电子平均速度为vd，电子浓度为n，电流密度为
平均速度和电场强度成正比 电流密度 电导率
称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移 速度
2.4.2 电导率
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原 子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周 期与晶格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。 因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一
个平均场后的电子状态
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表 示为：
•E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案第一章、半导体产业介绍1 .什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？（15分）集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数 无集成1 小规模（SSI ）2到50 中规模（MSI ）50到5000 大规模（LSI ）5000到10万 超大规模（VLSI ） 10万至U100万 甚大规模（ULSI ） 大于100万 产业周期1960年前 20世纪60年代前期 20世纪60年代到70年代前期 20世纪70年代前期到后期 20世纪70年代后期到80年代后期 20世纪90年代后期到现在2 .写出IC 制造的5个步骤？（15分）Wafer preparation （硅片准备）Wafer fabrication （硅片制造）Wafer test/sort （硅片测试和拣选）Assembly and packaging （装配和封装）Final test （终测）3 .写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？（15分）发展方向：提高芯片性能一提升速度（关键尺寸降低，集成度提高，研发采用新材料），降低功耗。
提高芯片可靠性一严格控制污染。
降低成本——线宽降低、晶片直径增加。
摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。
1975年被修改为：IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
4 .什么是特征尺寸CD ？ （10分）最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension, CD ） CD 常用于衡量工艺难易的标志。
5.什么是 More moore 定律和 More than Moore 定律？（10 分）“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小。
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。
半导体物理第二章(1)
速度饱和效应的物理解释 在强电场作用下，载流子直接从电场获取能量，并传给晶格。 此过程稳定后，载流子平均动能高于晶格的平均动能，也高 于另电场作用下的动能。即成为 热载流子。
根据运动电子速度与温度的关系
（2.1.23） 及其速度与迁移率的关系 （2.1.24）
可将电子迁移率表示为电子温度的函数，即
j q ( pn 0 DP /τ
p
n p 0 Dn /τ n )(e qu / kt 1)
式中，pn0和np0分别代表pn结n区和p区的热平衡少数载流 子密度，Dp、Dn和Ʈp、Ʈn分别代表它们的扩散系数和寿 命。上式表明，双极器件的电流控制能力受制于少数载流 子的扩散系数，而载流子的扩散系数与迁移率之间通过爱 因斯坦关系D=µkt/q相联系。在确定温度下，扩散系数的 大小由迁移率唯一决定。
式中，Wb为n基区的宽度。
由于晶体管的截止频率正比于渡越时间，渡越时间与 迁移率正比。 则：晶体管的截止频率与其基区材料的载流子的迁移 率成正比。
载流子迁移率大小的影响因素 众所周知，在非零温度和零电场条件下，半导体中 的自由载流子作着无规热运动，尽管其热速度可能 很高，但其宏观位移为零；当外加一非零电场于半 导体之上时，其中的载流子将从电场获得沿电场方 向或反电场方向的加速度，但其漂移速度并不会随 着时间的推移而无限累积，而是保持在一个与电场 大小有关的定值。 这里，散射对载流子的运动方 式起着重要作用。在电场不是很强的情况下，裁流 子的平均漂移速度与电场大小成正比。其比例常数 即迁移率。显然，迁移率的大少与散射机构有关。
在实际应用中，萨支唐等曾提出过一个比较简单的模型来描述 仅考虑电离杂质散射时硅中载流子的迁移牢同温度和电离杂质 浓度的关系，其形如：
在实际应用中，可以使用如下具有普遍适用性的经验公式来 计算不同温度T和不同掺杂浓度(ND十NA)条件下的半导体材 料中载流于迁移率:
半导体器件物理 第二章总结
其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极 管的JsD或JsT要比P-N结的反向饱和电流Js大 得多。换言之，对于同样的使用电流，肖 特基二极管将有较低的正向导通电压，一 般为0.3V左右。
22
肖特基二极管的应用
因为有以上的特点，肖特基二极管在高速 集成电路，微波技术等许多领域都有很多 重要应用。 例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应， 因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基 极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体 管的存贮时间。
9
接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即
∂I Rc = ∂V V =0
4π * Rc ∝ exp mnε r ε 0 h
−1
（1）
运用量子力学的运算，最后得到
(
)
1/ 2
VD 1/ 2 N D
（2）
由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻 Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可 得到欧姆接触。
16
图3
实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接
17
为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保 护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来 降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简 单，通常在集成电路中采用它更为合适。
18
图4
实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管
19
肖特基二极管的特点
肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似 的电流-电压关系，即它们都有单向导电性； 但前者又有区别于后者的以下显著特点。 首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正 向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区 注入P区的电子，都是少数载流子，它们先 形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电 流。
20
半导体物理学第二章
2.1 硅、锗中的杂质能级
当杂质进入半导体以后， Q： 当杂质进入半导体以后，分布在什 么位置？ 么位置？
以硅为例，在一个晶胞中包含8个硅原子，若 以硅为例，在一个晶胞中包含8个硅原子， 近似把原子看成半径是r的圆球，那么这8 近似把原子看成半径是r的圆球，那么这8个原子 占据晶胞的百分数为： 占据晶胞的百分数为：
金在锗中的能级
2.2 三－五族化合物中的杂质能级
和硅、锗一样，当杂质进入三－ 和硅、锗一样，当杂质进入三－五族 化合物中， 化合物中，仍然是间隙式杂质和替位 式杂质，不过具体情况更为复杂些。 式杂质，不过具体情况更为复杂些。
杂质既可以取代三族元素， 杂质既可以取代三族元素，也可以取 代五族元素。
间隙原子和空位一方面不断地产生同时两 者又不断地复合，最后确立一平衡浓度值。 者又不断地复合，最后确立一平衡浓度值。 以上两种由温度决定的点缺陷又称为热 缺陷，总是同时存在的。 缺陷，总是同时存在的。 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙 位置，以及它迁移时激活能很小， 位置，以及它迁移时激活能很小，所以晶体 中空位比间隙原于多得多， 中空位比间隙原于多得多，因而空位是常见 的点缺陷。 的点缺陷。
半导体物理学
理学院物理科学与技术系
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1 2.2 2.3 硅、锗中的杂质能级 三－五族化合物中的杂质能级 缺陷、位错能级 缺陷、
在实际应用的半导体材料中， 在实际应用的半导体材料中，总是存在 偏离理想的情况。 偏离理想的情况。
1）原子并不是静止的； 原子并不是静止的； 原子并不是静止的 2）半导体材料并不是纯净的 半导体材料并不是纯净的； 半导体材料并不是纯净的 3）晶格结构存在缺陷。 晶格结构存在缺陷。 晶格结构存在缺陷
半导体物理第二章
反键态
3p
导带
sp3
3s 成键态 价带
半导体物理第二章
晶体中的电子与孤立原子中的电子不同，也和自由运动 的电子不同。孤立原子中的电子是在该原子的核和其他 电子的势场中运动，自由电子是在一恒定为零的势场中 运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子 间运动。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由 电子的运动十分相似。下面先简单介绍一个自由电子的 运动。
➢ 组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子 相似，常称为准自由电子。而内层电子的共有化运动较弱，其行 为与孤立原子中的电子相似。
半导体物理第二章
E-k关系
对于无限晶体，波失 k 可以连续取值；对于某一确定的 k值，
薛定谔方程存在一系列分立的能量本征值Enk和相应的本征函数
nk (r) ，能量本征值En随ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ矢 k 是连续变化的。可以用 k
• 随着原子与原子愈来愈近，电子轨道交叠愈多，电子不 再完全局限于一定的原子，而可以在整个晶体中运动 （电子共有化）。电子兼有原子运动和共有化运动。只 有在最外层电子的共有化特征才是显著的。
半导体物理第二章
原子能级与能带的对应
❖ 对于原子的内层电子，其电子
E
轨道很小，因而形成的能带较
窄。这时，原子能级与能带之
半导体物理第二章
多电子问题 单电子问题
为了计算具体晶体中的本征态和相应的能量本征值，必须得 到包括和原子核以及和其它电子的相互作用在内的周期势场 U(x), 并对单个电子求解薛定谔方程。
2 [
2U(x) ](x)E(x)
2m
这是一个自洽问题，因为势场U(x)依赖于晶体中电子所处的 具体状态，称为自洽势。
化合物半导体材料与器件基础教材
我们还需要更多！
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。 特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。 二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、 InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1-YAsXSb1-X
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices 微电子学院
戴显英
2013.8
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
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化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
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化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
纤维锌矿 III-V族和II-VI族，铅盐（IV-VI族），IV族元素
Dai Xian-ying
注： W=纤锌矿，R=岩盐，D=金刚石，i=间接能隙， d=直接能隙 化合物半导体器件
哈工大--课件半导体物理(第二章)模板
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.1213.6 0.00637eV 162
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
பைடு நூலகம்
0.26 13.6 122
0.025eV
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.4 深能级杂质
深能级的形成
Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚， 类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中 心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所 以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、 碲。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级
浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。
所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主 能级靠近价带顶。
室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂 质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、 锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元 素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In） 在硅、锗中为浅受主杂质。
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受 主杂质时，它们的共同作用会使载流子 减少，这种作用称为杂质补偿。在制造 半导体器件的过程中，通过采用杂质补 偿的方法来改变半导体某个区域的导电 类型或电阻率。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
1）ND NA ： 受主能级低于施主能级，剩余杂质 ND NA
2-半导体材料特性(自学为主)
Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon
55 132.90 561137.34 57 138.91 72 178.49 73 180.95 74 183.85 75 186.2 76 190.2 77 192.2 78 195.09 79196.96780 200.59 81 204.37 82 207.19 83 208.98 84 210 85 210 86 222
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Cesium Barium Lanthanum Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon
87 223 88 226 89 227 104
105
106
107
108
109
110
Fr Ra Ac Rf Ha Sg Uns Uno Une Uun
Nonmetals
Francium Radium Actinium
Metalloids (semimetals)
镧系元素 锕系元素
58 140.12 59 140.91 60 144.24 61 147 62 150.35 63 151.96 64 157.25 65 158.92 66 162.50 67 164.93 68 167.26 69 168.93 70 173.04 71 174.97
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
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2014-10-14
集成电路工艺
17
第二章半导体材料特性
半导体
半导体材料有较小的禁带宽度 硅Eg=1.11eV 电子在获得能量时从价带跃迁到导带。如加 热时导电性随着温度增加而提高
2014-10-14
集成电路工艺
18
第二章半导体材料特性
2.3 最常见半导体材料－硅
最重要的半导体材料－
第二章半导体材料特性
GaAs的优点
比硅更高的电子迁移率 减少寄生电容和信号损耗 集成电路的速度比硅制成的电路更快 材料电阻率更大，在GaAs衬底上制造的半导 体器件之间很容易实现隔离，不会产生电学 性能的损失 比硅有更高的抗辐射性能
2014-10-14 集成电路工艺 24
第二章半导体材料特性
2014-10-14
集成电路工艺
30
第二章半导体材料特性
作业
复习题5，11，15，18 准备报告
2014-10-14
集成电路工艺
31
第二章半导体材料特性
谢谢听讲！
2014-10-14
集成电路工艺
32
掺杂
掺杂——加入某种元素到纯硅中以明显增加 半导体导电性的过程 施主杂质——磷、砷——自由电子——n型硅 受主杂质——硼——空穴——p型硅
2014-10-14
集成电路工艺
21
第二章半导体材料特性
硅的电阻率随掺杂浓度的变化
2014-10-14
集成电路工艺
22
第二章半导体材料特性
2.4 其他半导体材料
13
第二章半导体材料特性
2.2 导体、半导体与绝缘体
2014-10-14
集成电路工艺
14
第二章半导体材料特性
导体
铝——器件之间的互连线 钨——金属层之间的互连材料 铜——优质金属导体，可取代铝充当不同器 件之间的互连材料 Cu 29个电子(2,8,18,1)
2014-10-14性
导带、价带、禁带
2014-10-14
集成电路工艺
4
第二章半导体材料特性
2014-10-14
集成电路工艺
5
第二章半导体材料特性
IA族特性
1个价电子，容易失去；低负电性 高度不稳定 非常活泼；爆炸性 形成离子键 由于污染问题不推荐使用
2014-10-14
8
第二章半导体材料特性
IVA族特性
4个价电子 半导体材料 形成共价键
2014-10-14
集成电路工艺
9
第二章半导体材料特性
VA族特性
5个价电子 加入到 半导体材料中的掺杂元素（主要是P 和As）
2014-10-14
集成电路工艺
10
第二章半导体材料特性
VIIA族特性
7个价电子；容易接受电子；高负电性 腐蚀性 非常活泼 形成离子键 作为刻蚀和清洗化合物用
III－V族化合物半导体材料——砷化镓 （GaAs），氮化镓（GaN），用于无线和高 速数字通信、空间应用、汽车工业、发光二 级管（LED）、半导体激光器等 II－VI族化合物半导体材料——碲化铬 （CdTe），硒化锌（ZnSe），分别用于红 外（IR）探测系统和蓝色发光二极管
2014-10-14 集成电路工艺 23
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第二章半导体材料特性
电导率与电阻率
电导率和电阻率只依赖于材料本身，与几何 形状无关 电阻同时依赖于材料的电阻率和几何尺寸 更小的尺寸引起互连线的电阻增加，从而增 加热损耗。
2014-10-14
集成电路工艺
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第二章半导体材料特性
绝缘体
电介质 去离子水（DI water) 电容(C=kA/S) 介电常数k 当电流流经芯片上连接器件的相邻金属导线 （布线）时，要使用低k介质来减少电容损耗
2014-10-14
集成电路工艺
11
第二章半导体材料特性
VIIIA族特性
8个价电子 稳定；不活泼 惰性气体 应用在半导体制造中比较安全
2014-10-14
集成电路工艺
12
第二章半导体材料特性
IB族特性
最好的金属导体 Cu正在取代Al的互连导体材料的位置
2014-10-14
集成电路工艺
硅
硅用来制造器件并发挥 半导体的作用源于其独 特的材料性质 硅来源——硅土和其他 硅酸盐
2014-10-14
集成电路工艺
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第二章半导体材料特性
为何选择硅
硅的丰裕度 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 更宽的工作温度范围 氧化硅的自然生成
2014-10-14
集成电路工艺
20
第二章半导体材料特性
2014-10-14 集成电路工艺 29
第二章半导体材料特性
关于举办2011’中国常州国际石墨烯 产业发展高层论坛的通知
常州市人民政府拟于2011年9月28日在常州 举办2011’中国常州国际石墨烯产业发展高层 论坛，以共同交流石墨烯材料科学研究的最 新成果，分析石墨烯产业化方向和趋势，探 讨推进石墨烯技术发展的政策措施，展望石 墨烯应用前景以及对相关产业发展的重要影 响。
集成电路工艺
6
第二章半导体材料特性
IIA族特性
2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属
2014-10-14
集成电路工艺
7
第二章半导体材料特性
IIIA族特性
3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要是B） 普通的互连导电材料（Al）
2014-10-14
集成电路工艺
2014-10-14 集成电路工艺 28
第二章半导体材料特性
石墨烯
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼 彻斯特大学的两位科学家安德烈· 杰姆和克斯特 亚· 诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得 到越来越 薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘 在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一 分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄， 最 后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就 是石墨烯。 获得2010年诺贝尔物理学奖。
GaAs的缺点
缺乏天然氧化物 材料的脆性 由于镓的相对匮乏和提纯工艺中的能量消耗， GaAs的成本相当于硅的10倍。 砷的剧毒性需要在设备、工艺和废物清除设 施中特别控制。
2014-10-14
集成电路工艺
25
第二章半导体材料特性
石墨纳米带有望取代硅成为 半导体新材料
美国斯坦福大学化学系教授戴宏杰领导研究团队，发现石墨 纳米带(graphemenanoribbon)可作为半导体晶体材料，在未 来可能整合于高表现计算机芯片，增加芯片速度与效能、降 低耗热量，取代现今大部分由硅做成的芯片。 碳到处都有，将石墨纳米带做得很小很窄，促使它具有半导 体性能。因为体积大块的碳，性质与金属比较像，做小则能 具有半导体材料特性。此研究是化学材料与电子应用的结合。 石墨纳米带比硅有优势，速度要快、耗热 量少、能加快计算 机运作，将是未来的半导体候选材料，电子器件材料选择。
集成电路工艺
第二章 半导体材料特性
第二章半导体材料特性
本章要点
2.1 原子结构与元素 2.2 导体、绝缘体与半导体 2.3 最常见半导体材料－硅 2.4 其他半导体材料
2014-10-14
集成电路工艺
2
第二章半导体材料特性
2.1 原子结构与元素
价电子层 固体能带理论
2014-10-14
2014-10-14
集成电路工艺
26
第二章半导体材料特性
石墨烯
石墨烯不仅是已知材料 中最薄的一种，还非常 牢固坚硬；作为单质， 它在室温下传递电子的 速度比已知导体都快。
2014-10-14
集成电路工艺
27
第二章半导体材料特性
石墨烯
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中 电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超 过了电子在一般导体中的运动速度。 常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的 平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用 力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨 片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一 个碳原子厚度的单层就是石墨烯。