第1章+半导体、物理与工艺概要

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1、微电子器件原理第1章半导体、物理与工艺概要哈尔滨工业大学（威海）微电子中心罗敏cn.minLuo@gmail.comTEL：5687574-80411.1晶体结构和能带结构一，半导体单晶晶体主要的物理性质特征：固定的熔点、规则的几何外形、各向异性等固体晶体（金属、半导体及石英、宝石等部分绝缘体）非晶体（非晶硅、玻璃、松香、石蜡、橡胶、塑料等）单晶体多晶体（很多常见金属）23最重要的三种半导体硅：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，得到了广泛的应用。锗：最早被研究的半导体材料。砷化镓：具有与Si和Ge不同的性质，主要用于微波和

2、光电器件中。4二，能带理论什么是能带结构？描述电子能量与电子在晶体中作共有化运动的波矢k之间的关系E（k）称为能带结构，它表明电子在晶体中，其能量可能具有哪些值。5绝热近似、静态近似和单电子近似采用适当势函数解薛定谔方程能带论第一布里渊区（简约布里渊区）K和E的关系67三，晶格振动和杂质原子对半导体性质的影响晶格振动：热激发（对杂质或晶格上半导体原子作用）和散射（对自由载流子）杂质原子：在晶体中产生附加能级和对自由载流子产生散射81.2半导体中的载流子一，平衡载流子的统计本征激发、杂质电离自由电子返回价带、自由载流子返回杂质束缚位置单位体积内自由载流子数目

3、称为其浓度或密度，自由电子和自由空穴的浓度分别用n0、p0表示。9二，自由电子和自由空穴浓度的基本公式？？？1011关于F（E）的值对于是费米子的电子的统计规律研究应该使用费米-狄拉克（F-D）统计，因此可得一个能量为E的量子态被一个电子所占据的几率为同样对于空穴有在非简并半导体中，EF位于禁带之内，低于EC几个kT时，（1-5）退化为经典的玻尔兹曼统计12将上述结果代入（1-1）和（1-2），有？13a，本征半导体中的EF14比较ni和n0，pi和p0的形式可以得到15b，杂质半导体中的EF分析比较复杂，但需要知道的一个结论：因为热平衡状态下，多子和少子

4、浓度乘积只是温度的函数，见式(1-20)，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。16三，半导体中的非平衡载流子非平衡载流子的注入：光学方法（本征激发）和电学方法（破坏pn结平衡）；大小注入；注入和抽取的判据（np与ni2的大小关系）；热平衡态的判据（np=ni2成立？）17非平衡载流子的复合与寿命18A，直接复合（砷化镓）但在高浓度掺杂的双极晶体管中的发射区，非辐射的俄歇复合也会变得很显著，因为该复合率正比于载流子浓度。B，间接复合（锗、硅）C，表面复

5、合所以载流子寿命可表示为191.3载流子的运动PN结的形成：一个PN结形成的假想试验2021PN结形成：载流子的扩散与漂移运动22一，漂移运动低电场下，漂移速度正比于电场强度，表示式为：？？23影响的因素1，非极性半导体（Si、Ge）中主要是声学声子和电离杂质两种散射机构起主要影响。242，极性半导体（GaAs）中主要是光学声子和电离杂质散射，并且前者较显著。25小结：常温、较低杂质浓度下，声子（晶格）散射机构其主要作用，迁移率较大；随着杂质浓度增加（室温下大部分杂质已电离），电离杂质散射变得越来越显著，迁移率逐渐减小。总的说来，低温下杂质散射起决定作用。

6、对于给定杂质浓度，由于半导体电子有效质量小于空穴，因此电子迁移率大于空穴迁移率。高温下，晶格（声子）散射起决定作用，而杂质浓度对影响减弱。杂质浓度较低时，无论高温低温，迁移率主要由声学声子散射决定。强电场下，漂移速度增加变得缓慢，并最终达到饱和速度，不再随E而增加。26漂移电流与电导率27二，扩散运动扩散流密度（每秒钟通过单位截面的载流子数）由菲克（Fick）定律描述28在均匀半导体中，平衡载流子浓度p0和n0时不随位置x变化的，因此扩散流密度完全由非平衡载流子引起，所以有291.4半导体中的基本控制方程组描述载流子在电磁场中运动的基本方程构成了半导体中的

7、基本控制方程组，其同时也是各种半导体器件理论的基础。这些基本方程一般分为三组：电流密度方程连续性方程电磁场方程（半导体中常用泊松方程）301，电流密度方程漂移电流扩散电流312，连续性方程描述在漂移、扩散、产生于复合同时存在的情况下，自由载流子浓度（n和p）随这些过程而改变的关系式。32333，电磁场方程（半导体中常用泊松方程）PN结的一维泊松方程↓←↙34泊松-玻尔兹曼方程由（X1-10）可得其中，双曲函数，而称为本征德拜长度。35解泊松-玻尔兹曼方程所得到的结论：根据净空间电荷的空间分布，PN结可划分为三个区域：远离冶金结的电中性区，这里净空间电荷密度

8、近似为零。N型区nn=ND，P型区pp=NA。边界区，这个区域里可