(完整PPT)半导体物理与器件物理课件.ppt

1、Semiconductor Physics and Device Physics半导体物理与器件物理半导体物理与器件物理Semiconductor Physics and Device Physics2019.4Semiconductor Physics and Device Physics 主要教材主要教材:半导体物理学半导体物理学，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业，刘恩科，朱秉升，罗晋生，电子工业出版社，出版社，2019年年11月第月第7版版 半导体器件物理与工艺半导体器件物理与工艺，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄，施敏著，赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译，苏州大学出版社，秋萍译，苏州大学出版社，2019

2、年年12月第月第1版版 主要参考书：主要参考书：半导体物理与器件半导体物理与器件（第三版），（第三版），Donald A.Neamen著，电子工业出版社著，电子工业出版社 现代半导体器件物理现代半导体器件物理，施敏，科学出版社，施敏，科学出版社，2019年年 集成电路器件电子学集成电路器件电子学，R.S.Muller,T.I.Kamins,M.Chan著，王燕等译，电子工业出版社，著，王燕等译，电子工业出版社，2019年第年第3版版Semiconductor Physics and Device Physics Part 1:半导体物理学半导体物理学 Part 2:半导体器件物理学半导体器件物

3、理学OutlineSemiconductor Physics and Device Physics 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性半导体的导电性 非平衡载流子非平衡载流子 pn结结 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1:半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体（主要是半导体材料上构成的微

4、小研究在固体（主要是半导体材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科型化器件、电路及系统的电子学分支学科微电子学微电子学半导体概要半导体概要在学科分类中，微电子学既可以属于理学（071202），也可以属于工学（080903 微电子学与固体电子学）Semiconductor Physics and Device Physics工学工学（08）0808 电气工程电气工程080801 电机与电气080802 电力系统及其自动化080803 高电压与绝缘技术080804 电力电子与电力传动080805 电力理论与新技术0809 电子科学与技术电子科学与技术（注：可授予工学、理学学位）0809

5、01 物理电子学080902 电路与系统080903 微电子学与固体电子学080904 电磁场与微波技术0810 信息与通信工程信息与通信工程081001 通信与信息系统081002 信号与信息处理0811 控制科学与工程控制科学与工程081101 控制理论与控制工程081102 检测技术与自动化装置081103 系统工程081104 模式识别与智能系统081105 导航、制导与控制0812 计算机科学与技术计算机科学与技术（注：可授予工学、理学学位）081201 计算机软件与理论081202 计算机系统结构081203 计算机应用技术 Semiconductor Physics and De

6、vice Physics微电子学研究领域微电子学研究领域半导体物理、材料、工艺半导体物理、材料、工艺半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微系统，系统微系统，系统微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、高性能、向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路低功耗、高可靠性电路方向发展方向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域：光光电集成、电集成、MEMS、生物、生物芯片芯片半导体概要半导体概要Semiconductor Physics and Device Physics固体材料：绝缘体、半导体、导体固

7、体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）（其它：半金属，超导体）什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics绪论：微电子、IC的发展历史早期历史发展Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemicondu

8、ctor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Dev

9、ice PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSolutionsNew,new,newwe got to find something newSemiconductor Physics and Device Physics10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002019存储器容量 60%/年 每三年，翻两番1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番Semicond

10、uctor Physics and Device Physics 1.E+91.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E+51.E+51.E+41.E+41.E+31.E+370 74 78 82 86 90 94 70 74 78 82 86 90 94 98 201998 2019芯片上的晶体管数目 微处理器性能 每三年翻两番Semiconductor Physics and Device Physics微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002019Semiconductor Physics

11、 and Device Physics集成电路技术是近集成电路技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics等比例缩小(Scaling-down)定律 1974;Dennard;基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数恒定电场定

12、律的问题 阈值电压不可能缩的太小 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 电源电压标准的改变会带来很大的不便Semiconductor Physics and Device Physics 恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律CE律和CV律的折中，实际采用的最多随器件尺寸进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小

13、的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍Semiconductor Physics and Device Physics参参数数 CE(恒恒场场)律律 CV(恒恒压压)律律 QCE(准准恒恒场场)律律 器器件件尺尺寸寸L,W,tox等等 1/1/1/电电源源电电压压 1/1 /掺掺杂杂浓浓度度 2 阈阈值值电电压压 1/1 /电电流流 1/2/负负载载电电容容 1/1/1/电电场场强强度度 1 门门延延迟迟时时间间 1/1/2 1/功功耗耗 1/2 3/2 功功耗耗密密

14、度度 1 3 3 功功耗耗延延迟迟积积 1/3 1/2/3 栅栅电电容容 面面积积 1/2 1/2 1/2 集集成成密密度度 2 2 2 Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device PhysicsA、特征尺寸继续等比例缩小，晶圆尺寸增大（主要影响集成度、产量和性价比）B、集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)（主要影响功能）C、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等（主要影响功能和新兴交叉增长点）硅微电子技术的三个发展方向Semiconductor

15、 Physics and Device Physics 第一个关键技术：微细加工目前0.25m、0.18 m、0.13 m、0.11 m、90nm等已相继开始进入大生产90nm以下到45nm关键技术和大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件，有的已经投产当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在45nm以下？极限在哪里？22 nm?Intel,IBM10nm?Atomic level?A、微电子器件的特征尺寸继续缩小Semiconductor Physics and Device Physics互连技术与器件特征尺寸的

16、缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（Solid state Technology Oct.,2019）第二个关键技术：互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但在0.13um后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用；在更小的特征尺寸阶段，可靠性问题还有待继续研究开发Semiconductor Physics and Device Physics 第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料Semiconductor Physics and Device Physics 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关系经验关系:L Tox Xj1/

17、3对对栅栅介介质质层层的的要要求求 年年 份份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 技技 术术 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 等等效效栅栅氧氧化化层层厚厚度度(nm)45 23 23 1.52 1.5 1nm+t栅介质层栅介质层 Tox t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 t栅介质层栅介质层 t量子效应量子效应 :t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 0.5nm t量子效应量子效应 0.5nm Semiconductor Physics and Device Physics隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高

18、高K介质介质?杂质涨落杂质涨落器件沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米L源源漏漏栅栅Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 栅介质层栅介质层新一代小尺寸器件问题带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量子化效应电源电压电源电压1V时，栅介质层中电场时，栅介质层中电场约为约为5MV/cm，硅中电场约，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应考虑量子化效应的器件模型的器件模型?.可靠性可靠性Semicon

19、ductor Physics and Device Physics0.1 m Sub 0.1 mSemiconductor Physics and Device Physics稳稳定定状状态态情情况况下下的的半半导导体体增增长长率率 1997 稳稳定定状状态态（2030）CMOS 技技术术 0.25m 0.035m 年年平平均均增增长长率率 16%7%(约约为为 GDP 增增长长率率的的 2 倍倍)半半导导体体产产业业/电电子子工工业业 17%35%半半导导体体产产业业/GDP 0.7%3%From Chemming Hu,(U.C.Berkely)2030年后，半导体加工技术走向成熟，类似于

20、现年后，半导体加工技术走向成熟，类似于现在汽车工业和航空工业的情况在汽车工业和航空工业的情况诞生基于新原理的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路Semiconductor Physics and Device Physics解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystem On A ChipB、集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device Physics分分立立元元件件集成集成电路电路 I C 系系 统统 芯芯 片片Syste

21、m On A Chip(简称简称SOC)将整个系统集成在将整个系统集成在一个一个微电子芯片上微电子芯片上在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下系统芯片系统芯片(SOC)与集成与集成电路电路(IC)的设计思想是的设计思想是不同的，它是微电子技不同的，它是微电子技术领域的一场革命。术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device Physics微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOutSemiconductor Physics and Device Physi

22、csPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片Semiconductor Physics and Device Physics深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复用主流主流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设计Semiconductor Physics and Device Physics SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构

23、、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计 SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向系统芯片Semiconductor Physics and Device Physics SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标采用界面综合(Interface Synthesis)技术和0.35m工

24、艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 0.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低集成电路走向系统芯片21世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代Semiconductor Physics and Device Physics SOC的三大支持技术软硬件协同设计：Co-DesignIP技术界面综合(Interface Synthesis)技术集成电路走向系统芯片1)软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论(Function Partition Th

25、eory)计算机通讯压缩解压缩加密与解密Semiconductor Physics and Device Physics2)IP技术软IP核：Soft IP(行为描述)固IP核：Firm IP(门级描述，网单)硬IP核：Hard IP(版图)通用模块CMOS DRAM数模混合：D/A、A/D深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上，对速度、功耗、可靠性等进行优化设计最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差Yesterdays chips are todays reusable IP blocks，and can be combined with other functions，like Video

26、，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）。）。Semiconductor Physics and Device Physics半导体产业的发展半导体产业的发展 Chipless 设计 与 制作 的分工 Fabless Foundry 系统设计师介入IC设计 IP设计 与 SoC 的分工 ChiplessSemiconductor Physics and Device PhysicsIP的特点的特点 复用率高 易于嵌入 实现优化 芯片面积最小 运行速度最高 功率消耗最低 工艺容差最大Sem

27、iconductor Physics and Device Physics3）Interface SynthesisIP+Glue Logic(胶连逻辑)面向IP综合的算法及其实现技术 SoC 设计示意设计示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicSemiconductor Physics and Device PhysicsC、MEMS技术和DNA芯片 微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合1）MEMS:目前的MEMS与

28、IC初期情况相似 集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主 集成电路技术的进步，加快了计算机更新换代的速度，对中央处理器（CPU）和随机存贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命 现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和RAM这样量大而广的产品Semiconductor Physics and Device PhysicsMEMS器件及应用器件及应用?汽车工业汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺安全气囊加速计、发动

29、机压力计、自动驾驶陀螺?武器装备武器装备制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化?生物医学生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器?信息和通讯信息和通讯光开关、波分复用器、集成化光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头组件、打印喷头?娱乐消费类娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具Semiconductor Physics and Device Physics大机器加工小大机器加工小机器，小机器机器，小机器加工微机器加工微机器微机械微机械用微电子加用微电子加工技术

30、工技术X光铸模光铸模+压塑压塑技术技术(LIGA)从顶层向下从顶层向下从底层向上从底层向上分子和原子级加工分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。监控、汽车都有广泛应用。2000年有年有120-140亿美元市场亿美元市场 相关市场达相关市场达1000亿美元亿美元市场将迅速成长市场将迅速成长MEMS微系统微系统MEMS系统系统Semiconductor Physics and Device Physics 从广义上讲，从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通

31、信系统及电源于一体的微型机电系统和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等生物医学、材料科学、能源科学等Semiconductor Physics and Device Physics MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的军事以及几

32、乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控、稳定控制和玩具制和玩具Semiconductor Physics and Device Physics2）DNA芯片 微电子与生物技术紧密结合的以微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)芯片等为代芯片等为代表的生物工程芯片将是表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经世纪微电子领域的另一个热

33、点和新的经济增长点济增长点 它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物相结合进行加工生产，是生命科学与技术科学相结合的产物 具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片芯片 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含

34、有采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达多达10万种万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用 Stanford和和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了或玻璃片上制作出了DNA芯片，包括芯片，包括6000余种余种DNA基因片

35、段基因片段Semiconductor Physics and Device Physics 一般意义上的系统集成芯片一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片电、光电、光、声、声、热、磁热、磁力 等 外力 等 外界 信 号界 信 号的 采 集的 采 集 各 种各 种传感器传感器执执行行器器、显显示示器器等等信 息 输信 息 输入与模入与模/数传输数传输信信息息处处理理信 息 输信 息 输出与数出与数/模转换模转换信息存储信息存储广义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片Semiconductor Physics and Device Physics张海霞“微纳大世界”演讲

36、视频Semiconductor Physics and Device Physics 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性半导体的导电性 非平衡载流子非平衡载流子 pn结结 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构Part 1:半导体物理学半导体物理学Semiconductor Physics and Device Physics半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构 纯度纯度极高，杂质1013cm-3 结构结构Semiconductor Physi

37、cs and Device Physics晶体结构晶体结构具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的Semiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics晶体结构晶体结构 单胞单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的Semiconductor P

38、hysics and Device Physics晶体结构晶体结构 三维立方单胞三维立方单胞 简立方、简立方、体心立方、体心立方、面立方面立方BCCFCCSemiconductor Physics and Device Physics金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics

39、Semiconductor Physics and Device PhysicsGraphite、C60 MovieSemiconductor Physics and Device Physics元元 素素 半半 导导 体体：Si、Ge 金刚石晶体结构金刚石晶体结构Semiconductor Physics and Device Physics例：如图所示为一晶格常数为例：如图所示为一晶格常数为a的的Si晶胞，求：晶胞，求：（a）Si原子半径原子半径 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比解：（解：（a）1 13(3)2 48raa（b）3348330.341

40、6raSemiconductor Physics and Device Physics化化 合合 物物 半半 导导 体体:GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 VS 闪锌矿型Semiconductor Physics and Device Physics金刚石结构（黑白原子同类）金刚石结构（黑白原子同类）硅硅;锗锗;灰锡（灰锡（-Sn）;人工合成立方氮化硼（人工合成立方氮化硼（c-BN）黑白原子不同类时，闪锌矿结构黑白原子不同类时，闪锌矿结构 -ZnS（闪锌矿）（闪锌矿）;-SiC;GaAs;AlP;InSb 750,1000,1000,1000,1000,100505

41、05050752525ABC晶胞图晶胞图投影图投影图Semiconductor Physics and Device Physics闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构750,1000,1000,1000,1000,10050505050752525Semiconductor Physics and Device PhysicsHCP movieSemiconductor Physics and Device PhysicsFCC vs HCPSemiconductor Physics and Device Physics纤锌矿晶体结构纤锌矿晶体结构复式格子复式格子六方晶系简单六方格子P63mc空间群

42、ao=0.382nm，co=0.625nmz=2与纤锌矿结构同类的晶体：BeO、ZnO、AlNS2-六方紧密堆积排列六方紧密堆积排列Zn2+填充在四面体空隙中，填充在四面体空隙中，只占据了只占据了1/2Semiconductor Physics and Device PhysicsNaCl MoviesSemiconductor Physics and Device PhysicsCO2,SiO2 MoviesSemiconductor Physics and Device Physics原子的能级原子的能级 电子壳层电子壳层 不同子壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化运动共有化

43、运动Semiconductor Physics and Device Physics+14 电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiHSi原子的能级原子的能级Semiconductor Physics and Device Physics原子能级的分裂原子能级的分裂 孤立原子的能级孤立原子的能级 4个原子能级的分裂个原子能级的分裂 Semiconductor Physics and Device Physics原子能级的分裂原子能级的分裂 原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带 Semiconductor Physics a

44、nd Device Physics能带形成简单示意Energy Band animation 2.swfEnergy Band animation 1.swfSemiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor,Insulator and ConductorSemiconductor Physics and Device PhysicsSi的能带的能带（价带、导带和带隙（价带、导带和带隙Semiconductor Physics and Device Physics价带：价带：0 K0 K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的

45、能带导带：导带：0 K0 K条件下未被电子填充的能量的能带条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构Semiconductor Physics and Device PhysicsSemiconductor Physics and Device Physics自由电子的运动自由电子的运动 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()(,)i K rtr tAe pKEhvSemiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的运动半导体中电子的运

46、动 薛定谔方程及其解的形式薛定谔方程及其解的形式 2220()()()()()()2V xV xsadxV xxExmdx()()()()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函数布洛赫波函数Semiconductor Physics and Device Physics导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带固体材料的能带图固体材料的能带图Semiconductor Physics and Device Physics半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体Semiconductor Physics and Device Physics半导体的能带半导体的能带 本征激发本征

47、激发 Semiconductor Physics and Device Physics半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系 在导带底部，波数在导带底部，波数 ，附近，附近 值很小，值很小，将将 在在 附近附近泰勒展开泰勒展开 220021()(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k()E k0k 22021()(0)()2kd EE kEkdkSemiconductor Physics and Device Physics半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系22021()(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd E

48、dkm22*()(0)2nkE kEmSemiconductor Physics and Device Physics自由电子的能量自由电子的能量 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()(,)i K rtr tAe pKEhv2202kEmRecall对比晶体中的电子：对比晶体中的电子：m的差异的差异Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的平均速度半导体中电子的平均速度 在周期性势场内，电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示可表示为波包的群速度为波包的群速度 dvudk1 dEudk22*()

49、(0)2nh kE kEm*nkumEhv代入代入求导求导Semiconductor Physics and Device Physics自由电子的速度自由电子的速度 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()(,)i K rtr tAe pKEhv0kumRecall对比晶体中的电子：对比晶体中的电子：m的差异的差异Semiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度 半导体中电子在一强度为半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化下，外力对电子做功

50、为电子能量的变化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtdkdkfdt 2222211()duddEd E dkf d Eadtdt dkdkdtdkSemiconductor Physics and Device Physics半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度令令 即即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk而经典力学中牛顿运动定律:a=f/m0Semiconductor Physics and Device Physics有效质量有效质量m*的意义的意义 自由电子只受外力作用；半导体中的电子自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅不仅受到外力的作用，受到外