半导体物理与器件第一章1

原Biblioteka Baidu价键


原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必 须达到最低。这个结合力就是原子价键提供。 原子间成键，倾向于形成满壳层，以使能量低。 原子类型不同，则原子价键类型不同，进而形成了不类型 的晶体。



离子键（Ionic bonding），例如NaCl晶体等； 共价键（Covalent bonding），例如 Si、Ge以及GaAs晶体等 金属键（Metallic bonding），例如 Li、Na、K、Fe、Cu、 Au、Ag等 范德华键（Van der Waals bonding），例如，HF分子之间在 低温下也通过范德华键形成分子晶体。


基矢

基矢：三个相互独立的边矢量，用于确定原胞 （晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周 期排列构成晶格，因此，基矢的大小又称为晶格 常数。
对左图，a，b，c为晶胞基矢； a1，a2，a3为原胞基矢。
基矢的坐标轴即为晶轴
基本的晶格结构

根据原胞或晶胞的结构，所有晶体的结构可归结为 14种晶格结构。主要的半导体材料晶格结构可归结 为三种基本结构：简单立方，体心立方，面心立方
第一章 固体晶格结构

1.1半导体材料

半导体基本特性 半导体分类 固体半导体类型 固体晶格 固体晶胞：晶胞与原胞、密勒指数、晶向指数 金刚石结构和闪锌矿结构：硅、砷化镓晶胞结构

1.2 固体类型


1.3 空间晶格


1.4 原子价键
1.1 半导体材料

半导体基本特征：



导电性介于金属和绝缘体之间,根据掺杂不同，电阻率 可在很大范围内变化，具有两种导电类型。 纯净半导体为负温度系数 具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率 会变化，即产生所谓光电导 气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影 响


晶体总是按某一个方向生长，而且晶体在不同的 方向上具有不同的生长和被腐蚀速度。 晶列：任意两个格点的连线称为晶列。 晶向指数：在坐标系中晶列的方向用晶向指数表 示，它们是该晶列对应的矢量的分量。用[hkl]表 述
晶向[100][110][111]垂直于晶面(100)(110)(111)
[1 1 1]

单晶材料（完美几何外观）
多晶硅与非晶硅 （片状，块状）
1.3晶体结构-空间晶格



一个典型的单元或原子团在三维的每一 个方向上按某种间隔规则重复排列就形 成了单晶体。 为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒 子（单元或原子团）（基元）抽象为一 个点，这个抽象出的点称为格点。 构成晶体的格点集合称为空间点阵。 由空间点阵构成的网络就是晶格。晶格 就是为了方便描述以及研究晶体结构而 抽象出来的一种几何结构模型。

Chenminghu (胡正明) 著 王燕等译 《现代集成电路半导体器件》 S.M.SZE (施敏）等著，耿丽等译 《半导体器件物理》（第三版） 田敬民《半导体物理问题与习题》

考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试 （闭卷）70%
课程学习内容
半导体物理部分（共约32课时） 第一章 固体的晶体结构（2学时） 第三章 固体量子理论初步 （7学时） 第四章 平衡状态下的半导体（8学时） 第五章载流子输运（6学时） 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子（9学时）

晶格

晶体=基元+晶格
晶体种类很多，但可以归纳为有限的晶格结构
晶胞与原胞


晶胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的一小部分晶体。 原胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的最小晶胞。
b4 D a4 A a1 b3 a3 C
A,B,C,D中为 原胞的是？ A和B
b1
b2 a2
B
二维晶格中的几种不同的晶胞选取
等效晶向
所有立方边方向等效
所有面对角线方向等效
所有体对角线方向等效
用< h k l >表示时，代表所有的等效晶向
例题

某一体心立方结构的晶格常数是5Å 。计算 (1 1 0)平面的原子面密度。
面密度
2个等效原子 5.66x1014 个原子 / cm2 a a 2
(1 1 0)平面
学术研究的热点

自1956年以来半 导体物理相关的诺 贝尔奖多达8项

每年发表在IEEE顶 级期刊的半导体理 论与技术论文达数 千篇

1947年由肖克利和他 的两助手布拉顿、巴丁 在贝尔实验室工作时发 明的点接触式晶体管该 晶体管用半导体锗制作。 1956年为此获诺贝尔 物理学奖

基尔比于1958年发 明了世界上第一块 集成电路，并于 2000年获得诺贝尔 物理学奖
导体： 10-6Ωcm< ρ＜10-4Ωcm ρCu:10-6Ωcm 半导体：10-4Ωcm＜ρ＜1010Ωcm ρGe=0.2Ωcm
电阻
绝缘体：ρ＞1010Ωcm
温度
二极管 晶体管等电子器件及 集成电路 图像传感器、激光器等光电子器件 气敏传感器 压力传感器 霍尔传感器 重力传感器
半导体分类



课程性质

半导体物理与器件物理是集成电路设计专业的专 业基础课，偏重材料物理特性、电子运动规律、 器件物理模型、器件工作原理的学习。
可编程系统、通信系统、嵌入式系统等系统级课程

半导体物理与器件物理必 备先学课程为 高等数学：微积分、 微分方程求解 大学普通物理：量子 力学，固体物理，统 计力学等 电子学：元器件在电 路中的功能、 元器件 外特性 电磁场与电磁波：电 磁波的传输特性
2个原子 22 3 体密度 1 . 6 x 10 个原子 / cm 3 （ 5x108）
例题

简立方的原子体密度是3x1022cm-3.假定原子是刚 球并与最近相邻原子相切。确定晶格常数和原子半 径。
a r
1个等效原子 3x10 a 3.22 A 3 a a 3.22 r 1.61 A 2 2 22
第三代：宽禁带半导体 最新研究热点
1.2 固体类型

固体分类： 按固体内部 原子 排列结构
非晶体： 基本无序
多晶体： 长程无序， 短程有序
单晶体：
长程有序
（a）非晶体：基本无序，仅在几个原子尺度（纳米级） 内有序 （b）多晶体：短程有序，长程无序，在多个原子尺度 （微米级）具有几何周期性形成晶粒，晶粒之间是无序的 （c）单晶体：长程有序，整体范围（毫米级）内具有几 何周期性，结构均匀对称，具有良好的电子特性 目前应用最广的、最成熟的半导体材料均为固体单晶。 如单晶硅。纳米非晶材料成为研究热门，如非晶硅。
集成电路 制造工艺
半导体集成电路设计…
半导体物理与器件
低频电子线路 高频电子线路 数字电子线路
电路理论基础 高等数学、大学物理、电磁场与电磁波
课程教材与考核

教科书： 教1：Donald A. Neamen 著，赵毅强等译《半导 体物理与器件》 教2:刘恩科等 《半导体物理学》
参考资料：

用于制造集成电路的晶圆模型
晶面和密勒指数



半导体器件总是做在半导体的某个表面上，我们可以用 晶格参数描述这些面。 晶面：通过格点做的平面。 密勒指数：某一晶面在晶格坐标轴上的截距的倒数可以 化为互质的整数hkl来表示晶面的取向，称为密勒指数。 用符号（hkl）来表述晶面。
2c 3b
1 1 1 ( , , ) (3,4,6) 4 3 2
Beyond Moore’S Law 2030？？？
晶圆焊接和布图转移
低K介质绝缘层
FD SOI CMOS
纳米级化学 纳米器件的连接与互连 机械抛光
2005
硅纳米技术
微电子
微纳电子
总结

一、半导体领域是一个充满活力而有广泛用 途领域，在学术界和工业界均大有可为。 二、集成电路技术和工具将不断革新，而半 导体物理与器件的基本理论将长期有效，它 是技术创新的源泉和学术研究的热点，在专 业学习中居于先导和基础位置。 三、各大研究生院微电子、集成电路设计、 固体电子专业、光电子专业的主要考研科目 之一
90nm 铜线 65nm 45nm 金属栅 高数值孔径的193nm光刻 193nm浸渍 氮氧化物栅氧化层 技术特征 (Add on’s) 3维晶体管 纳米管 三维异质整合 自组装 15nm 2 nm
BJT 1947
MOSFET 1960’s
体硅CMOS
高k介质栅 硅化物技术 高迁移率应变硅
空气桥
分子器件

尖端武器
微电子 半导体
现代网络通信设备 ，大型云计算服务 器，超级数据中心
移动互联网
各类集成电路
电话，电视，MP3，可穿戴 等电子消费品

物联网，工业控制，节能环保， 汽车电子
智能IC卡， 金融支付
硅等半导体材料是制造集成电路等新型产品的载体，晶体管等半导体器件是设计 集成电路的核心元器件。

事实上半导体产业是一个巨大的产业，除了集成电路产业 外，还包括电力电子器件、光电子器件、M/NEMS传感 器等，半导体物理与器件无疑是从事相关产业工作的基础 必备知识
原胞与晶胞的区别


原胞的格点在原胞的顶角上，内部 和面上不含其它格点。原胞的选择 只考虑晶体的周期性，原胞的边一 般是非正交的。 晶胞的格点可以在顶角上，也可在 其内部和面上，晶胞除了考虑晶体 的周期性外，还可根据晶胞的特殊 对称性来选取。晶胞的边可以选择 正交的边。 在固体物理学的研究中常采用原胞，称为固体物理学原胞。 仅考虑周期性。 在半导体物理学中常采用晶胞，考虑周期性和对称性
课程学习内容
半导体器件部分（共约32课时）
第七章 PN结 （4学时） 第八章 pn结二极管 （5学时） 第九章 金属半导体和半导体异质结 （4学时） 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础（10学时） 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入（3学时） 第十二章双极晶体管（6学时）
固体半导体分类：
按组分
无机半导体
有机半导体
元素半导体
化合物半导体
半导体定义与分类

无机半导体种类与应用：

半导体材料革新代系：
第一代：元素半导体 硅Si、锗Ge、
第二代：化合物半导体
砷化镓GaAs,磷化铟InP 氮化镓GaN、碳化硅SiC 纳米材料，低维材料等，如石墨烯 graphene 、碳纳米管CNT。

2010年诺贝尔物理奖授予英国曼彻斯特大学科 学家安德烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫，他们 发现了一种新型半导体材料：石墨烯
具预测可用 来发展出更薄、 导电速度更快的 新一代电子元件 或晶体管，具有 替代硅材料的可 能。

集成电路的革新有赖于半导体新材料、新器件、 新工艺的创新。 Moore’S Law
半导体物理与器件
电子设计自动化技术研究所 集成电路设计与集成系统专业 陈延湖
chenyanhu@sdu.edu.cn
课程学习意义重大
半导体集成电路 产业应用市场巨 电子计算机 大，产值超3000 互联网 亿美元，是信息 产业的基石，属 国家战略新兴产 业。已设立千亿 产业投资基金， 个人通信手机 助力产业发展。
a
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格 常数为a，具有立方对称性
例题

例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为 a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供 八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个 等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
课程特点与学习目标
课程特点 理论性强，涉及基础物理、高等数学、化学等 知识内容广，涉及半导体材料、器件、工艺的相关知 识 概念、术语多。如：晶格结构、电子有效质量、空穴、 费米能级、载流子浓度、迁移率等 理论与工程相结合、定性与定量相结合。需要一定的 数学公式推导与计算


学习目标、要求、建议 目标：掌握基本物理概念，基本物理理论，模 型，器件基本工作原理， 领会其中的物理意义， 物理过程，学会基本的推导和计算。 要求：独立完成课后作业习题，认真进行课后 自修与总结 建议：注重物理概念，物理原理，物理意义的 思考和学习，提倡问答式学习，讨论式学习； 关注学科背景及发展现状，理论联系实际，培 养钻究能力，激发专业学习兴趣。
4a
（a) (1 0 0)
(b) (1 1 0)
(c) (1 1 1)

立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶 格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统 称这些等效晶面时，写成{100}，同理等效对角面 {110}，等效顶对角面{111}。

任何平行的平面都是彼此等效的
晶列和晶向指数