Principle of Semiconductor Device

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1 Principle of Semiconductor Device
教材：北京大学出版社,曾树荣，《半导体器件物理基础》 教材分为两部分：第一部分半导体基本知识和pn结理论；第二部分阐述主要半导体器件的基本原理和特性

2 Principle of Semiconductor Device
回去预习:半导体物理 该课程可被应用于:集成电路制造和后端设计

3 RoadMap of Technology Semiconductor technology Parameter extraction
Device fab. Device modelling Integrated circuit Semiconductor physics Device physics Device simulation Physical model Electrical model

4 器件分类 以晶体管为基础的微电子学器件 以激光器和光探测器为主体的光电子学器件

5 CMOS device

6 CMOS Technology for 25 nm Channel Length

7 新器件 HBT（异质结双极晶体管） HEMT（高电子迁移率晶体管） 量子电子学器件等

8 Quantum computer device

9 Contents p-n junction Bipolar Junction Transistor
JFET&MESFET (includes M-S junction) Metal-Oxide-Semiconductor Transistor Other Semiconductor Device

10 Ch1 Semiconductor Introduction
Semiconductor material & Carrier model Lattice Vibration Carrier Transport Phenomena Optical Properties of Semiconductor

11 1.1 半导体材料和载流子模型 Crystalline,Polycrystalline,Amorphous Solids
Metal,Semiconductor,Insulator Semiconductor Material — three generations

12 First generation单晶硅棒

13 First Generation硅单晶片

14 Second Generation GaAs晶圆片

15 Third Generation：SiC，GaN

16 question Question 1: Si的原子序数?Ge的原子序数？ 核外价电子均为4个，称为IV族半导体
Q2:Now在硅单晶衬底上Deposit 2微米厚硅锗化合物单晶材料，情况会怎样？假定横纵方向晶体性能一致，请计算大约有多少层硅锗化合物材料原子？

17 1.1.1Crystal Structure介绍 Unit Cell（元胞） Three Dimensional：
Diamond: Ge, Si Zincblende: GaAs Lattice Constant：原子平衡间距 Miller Indices和晶向，晶面：比如（100） 晶面，与之垂直的称为[100]晶向

18 Question Continue

19 Question continue Si晶格常数aSi：5.431Å Ge晶格常数aGe：5.658Å>Si晶格常数
Si1-xGex晶格常数aSiGe计算公式： aSiGe=aSi+(aGe-aSi)x=aSi x x称为百分含量

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21 1.1.2 Energy Band Energy Band的计算：
1.半导体中的粒子是满足波粒二象性的，所以晶格中电子的性质可以用波函数来描述它 2.认为电子间是相互独立的，满足薛定谔方程，称为单电子近似：

22 Energy Band的计算 3.量子力学分析表明：在周期性势场中，波函数具有如下形式：

23 能带图 Q3：请画出Q2中结构的能带图。假定Ge百分含量为15%。各方向材料一致。

24 Strained: Eg(x)=1.12-0.74x(x为Ge百分含量) Eg=0.74x
测量结果 Strained: Eg(x)= x(x为Ge百分含量) Eg=0.74x

25 Q3 注意界面和表面的区别！

26 能带图 能带跃迁

27 “摩尔定律”：处理器(CPU)的功能和复杂性每年(其后期减慢为18个月)会增加一倍，而成本却成比例地递减。

28 在技术上，摩尔定律依然勇往直前

29 1985年到2003年英特尔近20年股票走势，如今与摩尔定律开始背离

30 Homework 1 Q4：一旦Ge含量在纵向不均匀，线性分布0%~40%, 请再考虑能带图。

31 Derivation of Density-of-State
→ →

32 Derivation of Density-of-State
↓

33 1.1.3 Carrier Concentration
Density-of-State function gc(E) Distribution function f(E) Electron Concentration（单位体积的电子数）:

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35 Si、Ge、GaAs的有效质量、有效状态密度及禁带宽度（300K)
mn*/m0 mp*/m0 NC(cm-3) NV(cm-3) Eg(eV) Si 0.23 0.12 2.81019 1.01019 1.12 Ge 0.03 0.08 1.01018 6.01018 0.67 GaAs 0.07 0.09 4.71018 7.01018 1.43

36 Carrier Concentration
Q5：对于自由电子浓度分别为n1,n2的两块同样半导体，其费米能级位置之间有何关系？（EC，T一样）

37 Carrier Concentration

38 Carrier Concentration
将np,得  Intrinsic carrier density is ni~T

39 Carrier Concentration
—intrinsic Si n=p=ni —n-Si electrons are “donated” to the conduction band(“donor”) —p-Si: “hole”s are created in the valence band

40 n-Si: 掺杂浓度越高，EF便越高 p-Si:掺杂浓度越高，EF便越低

41 Carrier Concentration
Q6：已知：Si，ni，ND，全电离，Eg，T 请计算EF与Ei，EC，EV的能量差。

42 Q6