半 导 体 物 理 与器件
Semiconductor Physics and Devices
微电子学研究所
许军
2009.2.25
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许军 清华大学微电子学研究所 固体器件与集成技术研究室 电话：62789276（O） Email：junxu@
方华军 清华大学微电子学研究所 微纳器件与系统研究室 电话：62789151（或62789147）转312 Email：hjfang@
Technology
R&D
CAD
IC Design
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本课程的知识结构
Quantum mechanics
Solid state physics
Statistical mechanics
Energy band structure
Distribution function
Equilibrium carrier
•纳电子器件和物理（微电子发展的限制；普适电导 涨落；单电子效应和库仑阻塞；低维系统的电子结 构和输运理论：电导量子化；单电子器件介绍）：2 学时
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半导体物理研究、器件研发、材料制备，三者始终 紧密结合、互相促进。
• 1874年，Braun发现Cu、Fe等和PbS接触有非对称 I-V 特性；
• 1935年， Se（硒）整流器和Si点接触二极管。用 于无线电信号的检波；
硅微针结构
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二、 半导体（材料）的基本特性：从表现界定 半导体、金属、绝缘体之间往往并不存在严格的界限 1. 室温电阻率（纯净半导体）:
金 属 < 10−6 (Ω·cm) 半导体 10−3 ∼ 106 (Ω·cm) 绝缘体 > 1012 (Ω·cm) 2. 纯净半导体有负的电阻温度系数
金 属： T ↑，ρ ↑ 半导体： T ↑，ρ ↓ （σ ↑ ）
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主要内容和学时安排
• 引言（课程介绍；半导体基本特性）：2学时 • 半导体中的电子态：（电子状态；能带结构的两种 表示方法；杂质的概念；有效质量；电子和空穴的 概念）：4学时 • 平衡态半导体的载流子统计（态密度；分布函数； 杂质能级；费米能级的概念、物理意义；平衡载流 子浓度）：4学时 • 载流子输运（迁移率，散射机制，影响迁移率的因 素，霍尔效应）：4学时
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引言
• 微电子学的知识体系和本课程的结构 • 什么是半导体器件？ • 本课程的特点和学习方法 • 主要内容和学时安排 • 微电子技术发展的历史回顾
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微电子的知识体系
量子力学 固体物理 统计力学 半导体物理
半导体器件
半导体 新型器 器件模型 电路与
工艺
件 与验证
系统
Process
New device
成绩评定 作业30%，期中考试30％，期末考试40%。
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教材: 1. 《半导体物理学》 顾祖毅、田立林、富力文，电子工业出版社
2. ‘Fundamentals of semiconductor devices’ Betty Lise Anderson & Richard L. Anderson 中译本《半导体器件基础》，清华大学出版社
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1959: 1st Planar Integrated Circuit， Robert N. Noyce
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Industry: SIA roadmap 24
第一章 半导体的晶体结构和缺陷
内容纲要： • 半导体材料的应用领域 • 半导体材料（纯净）的基本特性 • 常用半导体材料介绍 • 半导体晶体结构的基本了解 • 半导体中的杂质和缺陷
• 有机半导体：Polymer（有机聚合物）
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1. 元素半导体
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IV族元素半导体 Si: 是目前应用最为广泛的半导体材料
原料丰富； 禁带宽度适中； 器件能在较高温度下使用； 高质量的氧化膜（SiO2）与界面特性； 已可生产12”高纯单晶。SMIC北京12” Fab. Ge: 最早被提纯，最早被研究的半导体材料之一. （熔点937℃ ，比硅的1412℃低） 已能制备同位素纯的晶体（天然Ge有5种同位素） 高的空穴迁移率（Ge-pMOSFET） Ge/Si异质结、GexSi1-x 、GOI、……
position
Electromagnetics
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Non-equilibrium carrier
concentration
Current formula
Continuity equation
Poisson equation
Current
at given time and position
pn junction and diodes
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3. 高的温差电动势率α 半导体: α为 几百 µV / K 可正可负 金 属: α为 0∼10 µV / K 通常为负
温差电效应
T1
T2
当T1 ≠ T2时，半导体 两端有电势差
4. 半导体-金属接触或半导体 PN结具有整流特性
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5. 半导体具有光敏性（光电导） 合适频率的光照射半导体，半导体σ ↑
MOS结构 半导体器件的演化和发展本质上是结本身的变化和 组合方式的变化，以实现对载流子输运更有效地控 制（结技术- Junction Technology）。
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本课程的特点和学习方法
特点： • 以量子力学、固体物理、统计力学为基础。 • Science &Technology的结合。 • 技术发展迅猛，理论和实践紧密结合 学习方法：1、理论结合实践（how），善于思考；
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一 、半导体材料的应用领域
• 微电子：半导体存储器、微处理器等集成电路 • 光电子：光探测器、太阳能电池、显示等器件 • 微电子与微机械系统：敏感元件（传感器）、
执行器等（纳星）
* 非半导体材料在上述领域的应用渗透也不容忽视
0.18μm embedded SONOS cell & 4Mb SONOS IP core chip
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Milestones 1947年第一只晶体管 – W. Shockley，J. Bardeen，W.
Brattain of Bell Telephone Lab. poly-Ge Nobel prize in 1956
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Jack Kilby及其发明的第一块集成电路
2000年 Nobel Prize
Bipolar transistors
Field effect transistors
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如何理解各种半导体器件的工作原理？
• 功能: （电子电荷）信息传输、处理和存储 • 实现方式：控制其中载流子的存储、输运等 • 结构：由几种基本的单元（Junction）结构组成
PN结（同质结、异质结） 金属－半导体接触（肖特基结）
载流子浓度 n ∼ 5×1016/cm3 ，电阻率ρ ∼ 0.1Ω·cm
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三、常见的半导体材料 按成分 元素半导体 化合物半导体
按结构 晶态半导体 非晶态半导体
• 元素半导体：Si、Ge • 化合物半导体：GaAs、InP • 非晶半导体： α－Si • 磁性半导体：InSb等，以及其它含磁性元素(如 Eu、Mn)的半导体材料
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思考题
1、一个硅n+n结，n+区的掺杂浓度为 ND1 = 5 ×1018 cm−3 , n区的掺杂浓度为 N D2 = 1014 cm−3。求二者的接触电势差。
2、电子具有波粒二象性，为什么我们在分析半导体 器件时可以把电子当作粒子来考虑？
3、能否将半导体材料看成是导电性能不太好的导体 材料？或者将其看成是绝缘性能不太好的绝缘体材 料呢？
6. 半导体中有两种导电的载流子——电子和空穴 金属只有一种导电的载流子——电子
7. 杂质可改变半导体的导电类型和电阻率 例如：半导体Si的原子密度为5×1022/cm3， 室温下纯净Si为本征半导体，
载流子浓度 ni ∼ 1010/cm3 ，电阻率ρ ∼ 2.3×105 Ω·cm
掺入5×1016/cm3砷杂质的Si为n型半导体：
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切克劳斯基（Czochralski ）法
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混合晶体
结构相同的两种（或多种）半导体，人为地按一 定比例混合形成的新的半导体（Gap Engineering）
例如： Ge 和 Si 按一定比例混合而形成的
GexSi(1-x)（0<x<1） Ⅲ－Ⅴ族化合物按一定比例混合而成的
GaAs(1-x)Px ，AlxGa(1-x)As （0<x<1） 混合晶体的特点： 通过人为控制组分x，得到禁带宽 度和能带结构连续变化的新的半导体材料。（一类重 要又很有前途的半导体材料）（满足Vegard's law）
concentration
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EquiliLeabharlann rium carrierconcentration
Theory of generation and recombination
Non-equilibrium carrier
concentration
Transport mechanisms
carrier concentration at given time and
2、基本概念要吃透（从不同角度）； 3、先有物理图像，然后定量分析； 4、结合学科发展历史（总结经验）。
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例：电子的速度为107cm/s，其德布罗意波长是多 少？ 解：电子的动量：
p = mv = 9.11×1026 kg ⋅ m / s
电子的德布罗意波长：
λ = h / p = 7.27nm
量的概念：什么时候必须考虑电子的波动性质
• 同时期，开展高纯Ge、Si的提纯方法研究；
• 1942年Bethe的半导体向金属的热电子发射理论；