半导体物理与工艺概要.ppt

单晶：原子排列的规则周期性在整个晶体中出 现。用提拉法、区熔法和外延生长的半 导体晶体都是单晶。 多晶体：原子排列的规则性只在每个被称为晶粒 的小区域出现，晶粒之间由晶界分开。 常见的金属多为多晶，烧结的陶瓷半导 体也是多晶。一般不用多晶材料制作半 导体器件。 最重要的三种半导体材料比较： 硅：禁带宽度为1.12eV，本征载流子浓度比锗小三个数 量级，因此Si器件的参数比Ge器件好很多，得到广泛 应用。 锗：禁带宽度为0.66eV，最早被研究的半导体材料。 砷化镓：禁带宽度为1.42eV，具有与Si和Ge不同的性质， 主要用于微波和光电器件中。 二、Si、Ge、GaAs的晶体结构 1.晶体结构的描述方式 2. Si和Ge的晶体结构——金刚石结构 3. GaAs的晶体结构——闪锌矿结构 注意： 无论Si、Ge、GaAs哪一种晶体，其配位数都是4，即每个原子（或离子）都有4个最近邻的原子（或离子）。以任意一个原子为中心，它的4个最近邻原子分别位于一个四面体的四个顶角上，如下图。 三、Si、Ge、GaAs的晶体结合力 1. Si、Ge的晶体结合力——共价键 1.1.2 理想晶体的能带结构 一、能带理论 1.电子的共有化运动 二、Si、Ge、GaAs的能带结构 1.1.3 晶格振动和杂质原子对半导体性质的影响 一、晶格振动的影响： ①热激发使杂质电离或使本证激发，产生自由电子和自由空穴； ②以声子的形式对自由载流子（运动的电子和空穴）散射。 二、杂质原子的影响： ①在禁带中产生附加能级（如施主能级、受主能级、深能级等）； ②对自由载流子产生散射。 §1.2 半导体中的载流子 1.2.1 平衡载流子的统计 无外界作用时，半导体自由载流子的产生率和复合率是相等的，此时半导体达到平衡状态。在一定温度下，单位体积内自由载流子数目称为其浓度或密度，如自由电子和自由空穴的浓度分别用n0、p0表示。 一、平衡时自由电子和自由空穴浓度公式 半导体中电子占据能级的概率用费米-狄拉克（F-D）统计分布表示，即： 在更多的情况下，我们遇到的都是非简并半导体，即EF位于禁带中且远离导带底或价带顶的情况，此时分布函数简化为波尔兹曼分布： 注意：导电类型不同半导体中费米能级位置有所区别。 自由电子和自由空穴浓度基本公式 二、本征半导体（本征载流子浓度ni） 比较ni和n0，pi和p0的形式可以得到第二套公式： 三、杂质半导体 因为热平衡状态下，多子和少子浓度乘积只是温度的函数，所以掺杂半导体中多子浓度越大，少子浓度就越小。但是少数载流子仍然是很重要的，因为其浓度小易于改变和控制，从而可以用来控制半导体中的许多电学过程。 正常求解杂质半导体中载流子浓度问题时，先由电中性条件定出EF，再把EF带入前面的计算公式中求出浓度。由于半导体器件的工作温度范围是处于半导体材料的饱和区，下面我们只给出饱和区时计算公式，其他温度时参考《半导体物理》。 N型半导体电子浓度随温度的变化： 1.只含有施主（或受主）的N型杂质半导体 当半导体处于饱和区时，电中性条件为： 相反，若半导体是只含一种受主的P型半导体，处于饱和区时电中性条件为： 2.同时含有施主和受主（少量）的N型杂质半导体 当半导体处于饱和区时，由于杂质补偿作用，电中性条件为： 相反，若半导体中主要是受主杂质，只有少量的施主杂质，那么这个P型半导体中： 1.2.2 半导体中的非平衡载流子 一、非平衡载流子的注入 注意几个问题： ⑴光注入和电注入； ⑵Δn和Δp是否相等的问题； ⑶大注入和小注入问题； ⑷通常意义上的非平衡载流子（少数载流子）； ⑸非平衡载流子的注入和抽取。 二、复合与寿命 我们来看看处于非平衡状态的半导体突然失去外界作用时，非平衡载流子的变化情况： 当外界作用撤去后，非平衡载流子将逐渐减少直至最后消失，载流子浓度又恢复到平衡值。非平衡载流子复合的快慢用复合率U表征，即单位体积单位时间内非平衡载流子减小的数量。 以P型半导体为例，恢复过程中Δn随时间的变化规律为： 在小注入时 A 直接复合过程 B 间接复合过程（SRH理论） C 表面复合 §1.3 载流