半导体物理教学课件

半导体物理教学课件第一章半导体基础概述半导体是指在常温下电导率介于导体与绝缘体之间的材料按纯净程度可分为本征半导体纯净的半导体材料，如高纯硅•掺杂半导体通过引入特定杂质改变电学特性的半导体•半导体技术是现代电子工业的基石，从智能手机到超级计算机，无处不在半导体材料的晶体结构硅Si的钻石结构砷化镓GaAs的闪锌矿结构晶格常数与原子排列硅原子以共价键形式排列成钻石结构，每由Ga和As原子交替排列形成的立方晶格，晶格常数决定了材料的基本物理特性，影个原子与周围四个原子形成四面体构型晶格常数a=

0.565nm作为化合物半导响载流子的运动和能带结构晶格缺陷会晶格常数a=

0.543nm，原子间距离为体，其能带结构与元素半导体不同导致电学性能变化，是半导体物理中的关

0.235nm键问题硅晶体结构三维模型上图展示了硅晶体的钻石立方结构黄色球体代表硅原子，连线表示共价键标注了主要晶向、和，这些方向上的物理特性各不相同在晶向上，原

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[111]子排列最为紧密，是晶体切割的优先方向能带理论基础能带形成的物理机制当原子聚集成晶体时，原子的分立能级分裂成能带根据泡利不相容原理和量子力学，大量原子的能级重叠形成连续的能带结构价带与导带价带被电子填满或部分填充的较低能量带导带能量较高，可供电子自由移动的能带禁带宽度的影响禁带宽度是价带顶与导带底之间的能量差Eg大禁带宽度绝缘体•3eV中等禁带宽度半导体~1eV典型半导体材料的能带宽度硅Si锗Ge砷化镓GaAs禁带宽度禁带宽度禁带宽度

1.12eV

0.66eV

1.42eV特点间接带隙半导体，能带在不同k值处特点间接带隙，热稳定性较硅差特点直接带隙，电子迁移率高达到极值应用高频晶体管、红外探测器应用高速集成电路、光电子器件、LED应用集成电路、太阳能电池、晶体管直接带隙半导体（如）电子从导带跃迁到价带可直接释放光子，适合光电器件GaAs载流子及费米能级电子与空穴的产生与复合费米能级位置热激发或光激发可使价带电子跃迁至导带，形成电子-空穴对费米能级EF电子占据概率为1/2的能级•电子导带中带负电荷的自由粒子•本征半导体EF位于禁带中央•空穴价带中表现为带正电荷的粒子•N型半导体EF接近导带底•P型半导体EF接近价带顶复合过程电子回到价带与空穴结合，释放能量载流子浓度与温度关系∝ni T3/2exp-Eg/2kBT掺杂半导体物理N型掺杂P型掺杂掺入五价元素（如、、）掺入三价元素（如、、）P AsSb BAl Ga四个价电子形成共价键，第五个电子成为自由电子三个价电子不足以形成四个共价键，产生电子空位形成施主能级，位于导带底部以下约形成受主能级，位于价带顶部以上约Ed

0.05eV Ea

0.05eV主要载流子电子主要载流子空穴掺杂过程示意图杂质原子替代晶格原子N型掺杂（磷原子）P型掺杂（硼原子）图中黄色球体代表硅原子，红色球体代图中黄色球体代表硅原子，绿色球体代表磷原子磷原子具有个价电子，表硼原子硼原子只有个价电子，P54B3个参与共价键形成，剩余个成为自由电形成共价键时缺少个电子，产生空穴11子（蓝色标识），提供导电性（白色标识），能接受电子载流子输运现象漂移机制扩散机制霍尔效应在电场作用下，载流子沿电场方向定向运动载流子从浓度高区域向浓度低区域自发扩散载流子在垂直磁场中运动产生垂直电场漂移电流密度J漂移=qnμE扩散电流密度J扩散=qDdn/dx通过测量霍尔电压可确定其中q为电荷，n为载流子浓度，μ为迁移率，E为其中D为扩散系数，dn/dx为浓度梯度•载流子类型（电子或空穴）电场强度•载流子浓度•载流子迁移率载流子迁移率与寿命迁移率μ描述载流子在电场作用下的移动能力，单位cm2/V·s结的形成与特性PNPN结形成当P型半导体与N型半导体接触，形成PN结•扩散作用空穴从P区扩散到N区，电子从N区扩散到P区形成空间电荷区（耗尽区）•建立内建电场，阻止进一步扩散能带结构变化PN结处费米能级保持一致，导致能带弯曲内建电势Vbi=kT/qlnNAND/ni2典型值硅PN结约

0.7V，锗约

0.3VPN结的电流-电压特性二极管工作原理与应用正向偏置外加电压方向区正，区负P N降低势垒高度，大量载流子注入，形成导通状态电流随电压指数增长∝I expqV/kT反向偏置外加电压方向区负，区正P N应用实例增加势垒高度，仅少量少子电流，形成截止状态电流接近饱和值Is，很小•信号整流电压稳定（齐纳二极管）•实际二极管与理想模型的偏差开关电路•串联电阻导致高电流下的压降•复合电流导致理想因子•n1高反向电压下的击穿现象•晶体管基础双极型晶体管BJTBJT结构与工作原理由三个区域组成发射极E、基极B、集电极C两种类型NPN型N型发射极，P型基极，N型集电极PNP型P型发射极，N型基极，P型集电极工作原理基极电流控制集电极电流，实现电流放大器件物理MOSFETMOS结构基础金属-氧化物-半导体结构是MOSFET的核心氧化层（通常为SiO2）厚度决定了阈值电压和栅漏电流栅极材料从多晶硅发展到金属栅沟道形成机制N沟道MOSFET正栅压使P型衬底表面形成N型反型层P沟道MOSFET负栅压使N型衬底表面形成P型反型层阈值电压VT决定了沟道形成所需的最小栅压长短沟道效应器件尺寸缩小带来的物理效应•沟道长度调制•漏致势垒降低•热载流子效应•亚阈值漏电流增加横截面结构示意图MOSFET上图展示了沟道增强型的横截面结构主要组成部分N MOSFET栅极控制沟道的形成，早期使用多晶硅，现代工艺使用金属栅Gate源极和漏极高掺杂区域，提供和接收载流子Source DrainN+栅氧化层提供栅极绝缘，现代工艺厚度可小至几个纳米Gate Oxide沟道在栅压作用下形成的反型层，连接源极和漏极Channel衬底型硅，提供器件的物理支持Substrate P半导体器件制造工艺概述晶圆制备与掺杂光刻与刻蚀晶圆制备直拉法、区熔法生长单晶硅光刻转移图形的关键工艺锭，切片、抛光形成晶圆光刻胶涂敷、曝光、显影•掺杂技术从紫外光源发展到极紫外•EUV离子注入精确控制掺杂深度和浓•刻蚀湿法刻蚀、干法刻蚀、反RIE度应离子刻蚀热扩散高温环境下杂质原子扩散•薄膜沉积与CMOS工艺薄膜沉积氧化热氧化、氧化•CVD、•CVD LPCVDPECVD溅射、蒸发•PVD先进CMOS技术发展趋势7nm及以下工艺挑战摩尔定律面临的物理极限•量子隧穿效应导致漏电流增加•光刻分辨率限制（衍射极限）•器件变异性增加•功耗密度问题（功耗墙）解决方案EUV光刻、多重曝光、设计-工艺协同优化多栅晶体管FinFET结构从平面结构到3D立体结构的演进•更好的栅控制能力，抑制短沟道效应•更低的漏电流，提高能效•更高的驱动电流，提升性能未来发展纳米线/纳米片晶体管GAAFET半导体器件的可靠性问题123热失效机制电迁移与应力迁移界面陷阱与可靠性测试温度是影响器件可靠性的关键因素电迁移高电流密度导致金属原子定向移动界面陷阱（特别是栅氧化层/Si界面）热循环导致的应力积累和金属疲劳形成空洞和堆积，最终导致开路或短路导致阈值电压漂移•••热失控与热闪变（电流集中）关键参数电流密度、温度、金属材料降低沟道迁移率•••特性•结温升高导致漏电流指数增加•增加1/f噪声应力迁移机械应力驱动的原子迁移，与温阿伦尼乌斯模型失效率与温度的指数关系可靠性测试方法度循环相关高温操作寿命测试•HTOL温度循环测试•半导体物理中的量子效应量子约束结构当半导体尺寸接近或小于载流子德布罗意波长时，量子效应变得显著量子阱一维约束，载流子在平面内自由运动量子线二维约束，载流子在一维方向自由运动量子点三维约束，载流子完全局域化能级量子化能级离散化En=n2π2ħ2/2m*L2其中n为量子数，m*为有效质量，L为约束尺寸能级间隔随约束尺寸减小而增大ΔE∝1/L2光电子半导体器件简介发光二极管LED原理电子-空穴复合释放光子，光子能量≈禁带宽度材料选择•GaAs、AlGaAs红外、红光•GaP、InGaN绿光、蓝光特点直接带隙半导体效率高，光谱宽度窄激光二极管原理通过受激辐射放大，产生相干光结构•增益介质量子阱或量子点•光学谐振腔通过解理面或分布反馈实现应用光纤通信、光存储、激光打印光电探测器与太阳能电池光电探测器入射光子产生电子-空穴对，形成光电流太阳能电池•硅基效率15-22%，成本低•III-V族效率可达30%以上，用于航天半导体材料的表面与界面物理表面态与界面陷阱表面态形成机制•周期性中断导致悬挂键•外来原子的吸附•晶格应变产生的缺陷表面态的影响•费米能级钉扎，影响肖特基势垒高度•表面复合增强，降低少子寿命•表面漏电流增加，影响器件性能界面工程的重要性高质量界面对器件性能至关重要氧化层技术•界面陷阱密度控制在1010cm-2eV-1量级Si/SiO2界面是CMOS技术的基础•界面应力管理，减少位错和缺陷•界面层工程，改善载流子输运•热氧化工艺优化•后氧化退火POA•氢气退火钝化界面高k栅介质技术•HfO

2、ZrO2等半导体物理实验与测量技术12霍尔效应测量发光测试测量原理载流子在垂直磁场中偏转产生霍尔电压光致发光PL可获得参数•用激光激发样品，测量发射光谱•载流子类型（正/负霍尔系数）•可确定禁带宽度、杂质能级、材料质量•载流子浓度n=IB/qVd电致发光EL•霍尔迁移率μH=RHσ•通过电注入产生发光测量设备霍尔测量系统，包括恒流源、高斯计、纳伏计•评估LED、激光器等发光器件性能34电学特性测量载流子寿命测定电容-电压C-V测量微波光电导衰减μ-PCD•确定掺杂浓度分布•非接触测量少子寿命•测量界面陷阱密度•监测硅片质量•评估氧化层质量时间分辨光致发光电流-电压I-V测量•测量发光衰减时间•提取器件参数（阈值电压、漏电流等）•分析传输机制实验室半导体测试设备照片探针台系统测量功能图中显示的是高精度半导体参数分析系该设备可完成多种半导体测量统，包括晶体管特性曲线测量•微型探针台用于直接接触晶圆上的器漏电流和击穿电压测定•件进行测试接触电阻测量•半导体参数分析仪进行、特性I-V C-V可靠性测试如热载流子注入•HCI测量显微镜系统精确定位探针位置半导体物理的应用案例分析微处理器芯片结构现代CPU包含•晶体管层数十亿CMOS晶体管•多层互连10+层铜互连实现信号传输•缓存使用SRAM存储单元•时钟分配网络确保同步操作物理挑战功耗控制、信号延迟、漏电流管理存储器芯片物理基础DRAM•单晶体管-单电容结构•存储原理电容充放电半导体产业现状与未来展望全球半导体市场新兴技术方向量子计算基于量子效应的新型计算架构柔性电子可弯曲、可穿戴电子设备神经形态计算模拟人脑结构的计算单元三维集成垂直堆叠多层芯片技术碳基电子石墨烯、碳纳米管器件中国半导体发展战略国家集成电路产业投资基金促进本土设计、制造能力强化人才培养建设一流半导体学科体系课程总结与学习建议实践与项目建议学习资源推荐实验练习重点知识回顾教材资源结特性测量•PN能带理论是理解半导体物理的基础•《半导体物理》（邓文基，高等教育出•参数提取•MOSFET掌握载流子的产生、复合与输运机制•版社）霍尔效应测量•结是各类半导体器件的基础单元•PN《半导体物理学》（刘恩科，国防工业•模拟练习晶体管的工作原理与特性曲线出版社）•使用工具模拟器件特性•量子效应在现代器件中的作用•《Fundamentals of•TCADSemiconductor Physics》•SPICE电路仿真（）Chihiro Hamaguchi在线资源半导体课程•MIT OpenCourseWare半导体模拟工具•nanoHUB.org参考教材与资料核心教材在线资源《半导体物理与器件》（半导体基础•Donald A.•Micron EducatorHubNeaman著，电子工业出版社）资料库•《半导体物理学》（刘恩科著，国防•IEEE Electron Devices Society工业出版社）资源中心•《Semiconductor Physicsand•课程配套电子讲义和习题》（著，Devices S.M.Sze John期刊推荐出版）Wiley《•IEEE Transactionson参考资料》ElectronDevices《现代半导体器件物理》（胡正明•《•Semiconductor Scienceand著，电子工业出版社）》Technology《集成电路工艺原理》（周润德著，•电子工业出版社）互动问答环节123常见问题解答疑难概念澄清前沿技术讨论问为什么要学习半导体物理？问直接带隙与间接带隙半导体的区别？热点1后摩尔时代的芯片技术路线答半导体物理是理解现代电子技术的基答直接带隙半导体的导带最小值与价带最讨论摩尔定律放缓后的发展方向三维集础，是电子信息、微电子、通信等专业的核大值在k空间中对应同一点，电子-空穴复成、新型器件结构、异质集成等心课程合可直接发射光子；间接带隙则需要声子参热点半导体材料的多样化2与问量子力学在半导体中的应用？探讨硅基之外的新材料、、氧化GaN SiC问与的区别？MOS MOSFET答能带理论、隧穿效应、量子约束效应等物半导体等在特定应用领域的优势都是量子力学在半导体中的直接应用答MOS是金属-氧化物-半导体结构，是的核心组成部分；还包MOSFET MOSFET括源极和漏极区域微观世界的奇迹上图展示了现代半导体芯片的显微照片精密的线条代表互连层的金属导线，连接着数以亿计的晶体管这些微小的电子元件按照精确的设计排列，共同完成复杂的计算和信息处理任务从单个原子的排列到复杂的集成电路，半导体物理学让我们得以在微观尺度上操控物质，创造出改变世界的技术每一个芯片都是人类智慧的结晶，是物理学、材料科学、电子工程等多学科融合的杰作致谢与联系方式感谢各位同学完成本学期的半导体物理课程学习！希望这门课程能为你打开半导体科学的大门，激发你对微电子技术的兴趣与热情半导体技术正在经历前所未有的变革，期待你们成为这一领域的开拓者与创新者，共同探索半导体物理的奥秘联系方式课程邮箱semiconductor@university.edu.cn课程网站https://learn.university.edu.cn/semiconductor办公时间每周

二、四下午•14:00-16:00。