集成电路设计第二讲.ppt

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1、第二章集成电路材料与器件物理基础2.2集成电路材料电导率(S/cm)导体>105半导体10-9~102绝缘体10-22~10-141．晶体所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。2．晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。3．阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。4．点阵在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）5．晶面点阵中的结点所构成的平面。6．晶向点阵中的结点所组成的直线。2.3半导体基础知识晶体的基本概念7．晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。8．晶胞构成晶格的最基本单

2、元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。9．晶格常数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A来表示（1A=10-8cm）若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。2.3.1固体的晶体结构简单立方体心立方面心立方金刚石结构••••••••2.3.1固体的晶体结构简单立方••••••••Cube体心立方•••••••••面心立方金刚石结构从STM得到的硅晶体表面的原子结构图题目练习假设我们将圆球放入一体心晶格中,并使

3、中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触,试算出这些圆球占此体心立方单胞的空间比率.硅在300K时的晶格常数为5.43Å,请计算每立方厘米的硅原子数和常温下的硅原子密度(每摩尔原子质量28.09g/cm3阿伏加德罗常数6.02×1023)量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。固体中的电子能级有什么特点？2.3.2固体的能带结构能带的宽度记作E，数量级为E～eV。若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，E越大。2.点阵间距越小，

4、能带越宽，E越大。3.两个能带有可能重叠。离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。排布原则：１.服从泡里不相容原理（费米子）２.服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2+1)个电子。这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳２Ｎ(2+1)个电子。导体和绝缘体（conductor．insulator）它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，是因为

5、其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约3～6eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg约0.1～2eV)。绝缘体半导体绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体半导体导体2.3.3本征半导体与杂质半导体一.本征半导体（semiconductor）本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体

6、之间。介绍两个概念：1.电子导电……半导体的载流子是电子2.空穴导电……半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。例.半导体CdS满带空带hEg=2.42eV这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),把电子抵消了。电子和空穴总是成对出现的。空带满带空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。Eg在外电场作用下,为什么半导体的电阻随温度升高而降低？二.杂质半导体１.n型半导体四价的本征半导体Si、Ｇｅ等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）

7、形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。n型半导体在n型半导体中电子……多数载流子空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少数载流子２.ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。该能级称受主（acceptor）