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

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

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

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

CMOS device

CMOS Technology for 25 nm Channel Length

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

Quantum computer device

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

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

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

First generation单晶硅棒

First Generation硅单晶片

Second Generation GaAs晶圆片

Third Generation：SiC，GaN

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？

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

Question Continue

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+0.0227x x称为百分含量

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：

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：

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。

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

Q3 注意界面和表面的区别！

能带图 能带跃迁

“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。

在技术上，摩尔定律依然勇往直前

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

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。

Derivation of Density-of-State → →

Derivation of Density-of-State ↓

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）:

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

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）

Carrier Concentration

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

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

n-Si: 掺杂浓度越高，EF便越高 p-Si:掺杂浓度越高，EF便越低

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。

Q6