【正文】 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院 2023年 9月 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 《半導(dǎo)體器件電子學(xué)》課程大綱 第一章 現(xiàn)代半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和特性（ 10學(xué)時(shí)） 167。 167。 新型寬帶半導(dǎo)體材料的特性 167。 Si材料的 SOI結(jié)構(gòu)特性 167。 第二章 載流子輸運(yùn)特性及非平衡態(tài)（ 14學(xué)時(shí)） 167。 體材料半導(dǎo)體載流子的性質(zhì)及電流密度 167。 小尺寸下半導(dǎo)體材料中遷移率退化和速度飽和 167。 器件的小尺寸帶來的熱問題 167。 小尺寸下的量子效應(yīng) 167。 小尺寸器件中的量子力學(xué)機(jī)理 167。 二維電子氣的輸運(yùn) 167。 調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 167。 強(qiáng)磁場(chǎng)中的二維電子氣 167。 摻雜對(duì)輸運(yùn)特性的影響 第三章 半導(dǎo)體結(jié)特性的電子學(xué)分析（ 6學(xué)時(shí)） 167。 PN結(jié)的模型 167。 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 167。 一、半導(dǎo)體的基本特性 電阻率：介于 ， 金屬： 10－ 絕緣體 : 純凈半導(dǎo)體負(fù)溫度系數(shù) 摻雜半導(dǎo)體在一定溫度區(qū)域出現(xiàn)正溫度系數(shù) 不同摻雜類型的半導(dǎo)體做成 pn結(jié) ,或金 半接觸后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，可以有整流效應(yīng) 具有光敏性，用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射后，材料的電阻率會(huì)變化，即產(chǎn)生所謂光電導(dǎo) 半導(dǎo)體中存在著電子與空穴兩種載流子 第一章 現(xiàn)代半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)和特性 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 二、常見的半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 構(gòu)成半導(dǎo)體材料的主要元素及其在元素周期表中的位置 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 元素半導(dǎo)體 Si： 是常用的元素半導(dǎo)體材料，是目前最為成熟的材料，廣泛用于 VLSI。 Ge：早期使用的半導(dǎo)體材料。 化合物半導(dǎo)體 Ⅲ Ⅴ 族化合物（ AIIIBV） Ⅲ Ⅴ ： Al， Ga， In —— P， As， N， Sb（碲） GaAs、 InP、 GaP、 InAs、 GaN等。 Ⅱ Ⅵ 族化合物（ AIIBVI） Ⅱ － Ⅵ ： Zn， Cd， Hg —— S， Se， Te ZnO、 ZnS、 TeCdHg等 Ⅵ Ⅵ 化合物（ AIVBiV） SiGe、 SiC。 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 混合晶體構(gòu)成的半導(dǎo)體材料 ◆兩種族化合物按一比例組成，如 xAⅢ CⅤ +(1x)BⅢ CⅤ ， xAⅡ CⅥ +(1x)BⅡ CⅥ ， SixGe1x， 能帶工程 ：由于可能通過選取不同比例的 x，而改變混晶的物理參數(shù) (禁帶寬度， 折射率等 )，這樣人們可以根據(jù)光學(xué)或電學(xué)的需要來調(diào)節(jié)配比 x。 通過調(diào)節(jié)不同元素的組分，才能實(shí)現(xiàn)禁帶寬度的變化。在光電子、微電子方面有很重要的作用。 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 三、常見半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)類型 ◆ 金剛石結(jié)構(gòu)： Si、 Ge ◆ 閃鋅礦結(jié)構(gòu)： GaAs、 InP、 InAs、 InSb、 AlP、 AlSb、 CdTe ◆ 纖鋅礦結(jié)構(gòu)： GaN、 AlN、 SiC 金剛石結(jié)構(gòu)： 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 ◆ 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 ◆ 纖鋅礦結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 167。 新型寬帶半導(dǎo)體材料的特性 1。 GaN半導(dǎo)體材料的特性 由三族元素 Ga和五族元素 N， IIIV族化合物半導(dǎo)體。 晶體結(jié)構(gòu)分為 : 閃鋅礦結(jié)構(gòu) (Zinc Blende crystal structure)立方晶 纖鋅礦結(jié)構(gòu) (Wurtzite crystal structure )六角 GaN在 1932年人工合成。 （參考書： Nitride Semiconductors and Device Hadis Morkoc） III族的氮化物有三種晶體結(jié)構(gòu)： 閃鋅礦結(jié)構(gòu)、纖鋅礦結(jié)構(gòu)、鹽石巖結(jié)構(gòu)（ NaCl） 對(duì)于 AlN、 GaN和 InN，室溫下：熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 GaN、 InN通過薄膜外延生長(zhǎng)在立方晶的（ 110）晶面上，如 Si，MgO， GaAs，才能生長(zhǎng)出 閃鋅礦結(jié)構(gòu)。 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 纖鋅礦結(jié)構(gòu) 六角的，有兩個(gè)晶格常數(shù) c和 a，是復(fù)式格子。沿 c軸方向移動(dòng) 5/8c形成。 閃鋅礦結(jié)構(gòu) (Zinc Blende crystal structure)立方晶 單胞中含有 4個(gè)基元（ 4個(gè) III族原子和 4個(gè) V族原子） 復(fù)式格子。 GaN材料的外延生長(zhǎng)： 其結(jié)構(gòu)取決于使用的襯底類型 六角晶體襯底長(zhǎng)出纖鋅礦結(jié)構(gòu) 立方晶體襯底長(zhǎng)出閃鋅礦結(jié)構(gòu) 目前常用的襯底： sapphire Al2O3，藍(lán)寶石 缺點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)不好，與氮化物的熱匹配不好 優(yōu)點(diǎn) : 來源廣，六角結(jié)構(gòu)，容易處理，高溫穩(wěn)定。 由于熱匹配不好，緩沖層要厚。 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 SiC作為襯底，熱匹配和晶格匹配比較好。 缺點(diǎn)： SiC常規(guī)工藝很難處理， SiC的結(jié)構(gòu)變數(shù)太大。 GaN體材料是最理想的。但目前還不能生長(zhǎng)出大尺寸的材料。 摻雜： nGaN: Si， Ge， Sn（ Selenium） pGaN： Mg，（ 1989） Zn， Be， Hg， C Basic Parameters : Zinc Blende crystal structure Energy gaps, Eg eV 0 K Energy gaps, Eg eV 300 K Electron affinity ? eV 300K 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 Conduction band Energy separation between Γ valley and X valleys EΓ 300K Energy separation between Γ valley and L valleys EL ~ 300K Effective conduction band density of states ： x 1018 cm3 300K Valence band Energy of spinorbital splitting Eso 300K Effective valence band density of states x 1019 cm3 300K 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 立方晶第一布里淵區(qū)－－截角八面體 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 Wurtzite crystal structure Energy gaps, Eg eV 0 K eV 300 K Energy gaps, Eg, dir (2) eV K。 photoluminescence, from excitonic gap adding the exciton binding energy (5) eV K。 Aexciton (transition from Γ9v) (10) eV K。 Bexciton (transition from upperΓ7v) (5) eV K。 Cexciton (transition from lower Γ7v) eV 300K。 temperature dependence below 295 K given by: Eg(T) Eg(0) = x 104 T2/(996 T), (T in K) . Electron affinity eV 300 K 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 Conduction band Energy separation between Γ valley and ML valleys ~ eV 300 K Energy separation between MLvalleys degeneracy 6 eV 300 K Energy separation between Γ valley and A valleys ~ eV 300 K Energy separation between Avalley degeneracy 1 eV300 K also The energy separations between the Γ9 state and the two Γ7 states can be calculated from the energy separations of the A, B, Cexcitons. Effective conduction band density of states x 1018 cm3 300 K 半導(dǎo)體器件電子學(xué) 北工大電控學(xué)院 Valence band Energy of spinorbital splitting Eso eV 300 K Energy of spinorbital splitting Eso 11(+5,2) meV 300 K。 Energy of crystalfield splitting Ecr eV300 K