课程大纲及进度表.docx
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课程大纲及进度表
課程大綱及進度表
開課系所
光電所(□碩□博 █碩博)
開課學年、學期
九十七學年度第一學期
課程名稱(中文)
半導體元件物理
(一)
課程名稱(英文)
SemiconductordevicesphysicsI
課程碼、分班碼
L781710
先修科目或先備能力
具備近代物理觀念
學分數
3
開課教師、連絡電話
許進恭06-2757575ext65287
jksheu@mail.ncku.edu.tw
OfficeHours
THUAM10:
00~12:
00
課程概述
本課程之目的除了基本固態物理之傳授外,還包括各種近代半導體材料物理及元件之基本原理,設計概念及應用實例介紹。
教學目標
本課程之目的除了近代半導體元件之基本原理傳授外,還包括各種半導體之基本光電特性介紹,使學生對半導體材料物理及元件之基本原理有所了解。
授課課程大綱明細
第一章、簡介
節次
授課大綱
1.1半導體簡介
-各類典型的絕緣體、半導體及導體的導電率範圍
1.2元件基礎結構
-金半接面
-p-n接面
-異質接面
-金氧半結構
第二章、固體的結晶結構
節次
授課大綱
2.1半導體材料
-常見半導體材料介紹(元素、化合物、合金)
-化合物半導體能隙和晶格常數的對應關係
2.2固體的種類
-非晶(原子無序排列)
-多晶(原子短程有序排列)
-單晶(原子長程有序排列)
-個類矽晶的用途
節次
授課大綱
2.3空間晶格
-晶格相關專有名詞定義(conventionalunitcell,
primitiveunitcell,Wigner-Seitzunitcell)
-Conceptofcrystalstructureaslatticeplusbasis
-三種立方晶格結構(簡單立方、體心立方、面心立方)
及鑽石和閃鋅結構
-計算晶體原子體積密度
-如何定義晶格面與MillerIndices(密勒指數)
2.4原子鍵結
-共價鍵
-離子鍵
-固體中的缺陷(空穴、插入物、差排、錯位)
與雜質(替代性雜質、插入型雜質)
2.5能帶的形成
-氫原子模型
-由包利不相容原理到簡併能態分裂進而形成能帶
-Freeelectronmodel
-在kspace和在realspace中的能量分佈圖
-金屬和半導體以及絕緣體的能帶圖
-由bandmodel與bondmodel去了解溫度對晶格常數
及其與能隙大小的變化關係
2.6有效質量的概念
-電子和電洞在導帶和價帶中移動時受到不同的內力影
響,進而引入有效質量的概念。
2.7直接能隙
與
間接能隙
-直接能隙與間接能隙及其對發光元件的影響
-外加電場大小對電子速率的影響
2.8狀態密度函數
-利用能量狀態密度函數來計算電子和電洞濃度
-Fermi-DiracProbabilityfunction
2.9費米能階
-當溫度等於0K或大於0K時Fermi-DiracProbability
function的變化
-當溫度大於0K時會使用的Boltzmannapproximation
第三章、熱平衡下的半導體
節次
授課大綱
3.1半導體中的載子
-熱平衡下電子和電洞的分佈
-本質半導體的載子濃度分佈圖
-本質載子濃度
3.2摻雜原子與能階
-由摻雜(施體、受體)產生外質半導體
-外質半導體的能帶圖
-溫度對施體與受體的影響
-游離能的概念
-摻雜濃度對自由載子濃度的影響
3.3外質半導體
-藉由densityofstates和Fermi-Diracdistributionfunction
的乘積對能量積分,進而得到載子濃度分佈。
3.4Mass-actionLaw
-在熱平衡下才能成立的Mass-actionLaw(
)
3.5電中性原理
-在熱平衡下半導體晶體會呈現電中性狀態
3.6熱平衡下的載子
濃度
-推導假設在完全游離狀態下的載子濃度
3.7費米能階的位置
-了解費米能階的位置與摻雜濃度和溫度的關係
-探討電子密度對溫度的關係圖
-藉由摻雜可改變半導體的內建電場
3.8簡併態半導體
和
非簡併態半導體
-簡併態半導體
3.9高摻雜效應
-TheMotttransition
-TheBurstein-Mosseffect
-Impuritybands
-Bandgapnarrowingeffects
第四章、載子傳輸現象
節次
授課大綱
4.1載子漂移
-受到外加電場的影響會產生載子漂移的現象
-載子的漂移速率與漂移率(Mobility,μ)之間的關係
-Mobility受到晶格散射及雜質散射的影響及其對溫度
的關係
-不同摻雜濃度對Mobility的影響
-霍爾效應及其量測(傳輸載子電性、多數載子濃度、
多數載子漂移率)
-其他雜質量測方法(SIMS,C-V)
4.2載子擴散
-載子會從高濃度區擴散到低濃度區
-擴散係數與載子濃度梯度產生擴散電流
4.3漸變雜質分佈
-藉著載子的擴散使非均勻摻雜的半導體達到熱平衡
-非均勻摻雜會在半導體內產生內建電場
4.4愛因斯坦關係式
-愛因斯坦關係式的推導
-愛因斯坦關係式
4.5載子的產生
與複合
-在熱平衡狀態下,產生和複合的速率相等。
-各種類型的複合過程(Band-to-Bandrecombination,
R-Gcenterrecombination,RecombinationviaShallow
Levels,RecombinationinvolvingExcitons,
AugerRecombination)
-各種類型的產生過程(Band-to-Bandgeneration,
R-Gcentergeneration,Photoemissionfrom
bandgapcenters,Impact-Ionization)
-High-fieldeffects(雪崩過程)
-直接產生和間接產生
-直接複合和間接複合
-表面複合(由懸鍵所造成的間接複合效果)
4.6連續方程式
-Poissonequation
-由邊界條件解出連續方程式
4.7表面效應
-由於介面缺陷而有表面狀態能階進而產生表面複合的效應
-藉由passivationlayer(如:
SiO2)與半導體表面的懸鍵
結合,可移除經由表面複合電流所造成的暗電流
-熱游離過程(Thermionicemissionprocess)
-穿隧過程(Tunnelingprocess)
第五章、p-n接面
節次
授課大綱
5.1基本製程步驟
-BasicfabricationstepsofSiDiodes:
Thewaferafterthedevelopment
ThewaferafterSiO2removal
Thefinalresultafteracompletelithographyprocess
Ap-njunctionisformedinthediffusionorimplantation
process
Thewaferaftermetallization
Ap-njunctionafterthecompete
-TypicalGaAsPp-njunctiondiode
5.2熱平衡狀態
-p-n二極體的操作機制
-ChargeDistribution,ElectricFieldandElectrostatic
Potentialofap-njunction
-DepletionRegionofap-njunction
-Thebuilt-inpotentialatthermalequilibrium
-Abruptjunction
-One-sidedabruptjunction
-Linearlygradedjunctioninthermalequilibrium
5.3接面(空乏)電容
-推導在空乏區中產生接面電容的大小
-變容器(Varactor)
5.4電流-電壓特性
-考慮在一些理想假設下的電流-電壓特性
-在熱平衡狀態及低階注入下還有高階注入下雙極性
元件的少數載子行為
-觀察在反偏情況下藉由產生電流來達到熱平衡,及
在順偏情況下藉由複合電流來達到熱平衡的機制
-分析量測在Logscale下的I-Vcurve及其與非理想
因子(η)之間的關係、AtypicalI-Vcharacteristicof
GaNp-i-ndiode
5.5接面崩潰
-齊納效應與Tunnelingeffect及其對溫度與能隙的關係
-齊納二極體與穩壓器
-Avalanchemultiplication
-藉由改變空乏層寬度及濃度來改變崩潰電壓(VB)大小
5.6異質接面
-比較同直接面與異質接面的差異
-利用異質接面結構可做高速或高功率元件(如:
High
ElectronMobilityTransistor,HEMT)
-異質接面半導體能帶圖
-材料本身決定能隙大小,再影響本質濃度大小,
進而影響turnonvoltage大小
-發光元件與收光元件需要不同的異質接面結構,
使傳輸載子能達到較好的傳輸效果
第六章、金半接面
節次
授課大綱
6.1金半接面
-歐姆接觸和蕭基接觸的差異
-形成歐姆接觸和蕭基接觸的條件與金屬的功函數
以及半導體電性的關係
-藉由lowenergybarrierISL和highlydopedISL兩種
方法來做歐姆接觸
6.2兩種製備歐姆
接觸方法的比較
-第一種方法是in-situtechnique種類的選擇2.不需高溫退火3.可以控制ISL的厚度,
缺點:
1.需要複雜的製程2.poorreproducibility)
-第二種方法是DAtechnique
-Atransferlengthmethodteststructureandaplotoftotal
resistanceasafunctionofcontactspacing(Rc:
contact
resistance,ρc:
specificcontactresistance,LT:
transfer
length)
6.3利用各種方法
量測接面特性
-用RBSspectra去看在n-GaN上的Ti/Al接觸特性,
並比較non-alloyed,500℃-alloyed,theoretical的光譜
-SIMSdepthprofilesofTi/Alcontactonn-GaN
-AESsurfacescansfromtheas-grownandas-etched
n-GaNfilms
-TheXRDspectraofNi/Aucontactsonp-GaN
-用I-V和C-V還有光電流特性量測求得
Schottkybarrierheight
6.4製作氮化鎵LED
透明導電層的方法
-用ITO當作透明導電層
-用Ni/Au當作透明導電層
6.5四種產生漏電流
的機制
-thermionicemissionovertheSchottkybarrier
-thermionicfield-emission
-field-emissiontunneling
-trap-assistedtunnelingthroughtheSchottkybarrier
(在材料品質不佳時特別易見)
6.6利用各種方法
量測sample表面
-AFM
-SEM
-TEM
補充講義:
介紹發光二極體、光偵測器以及太陽能電池三種元件的製程及其操作的原理與應用。
參考書目
1.SemiconductordevicesPhysicsandtechnology(secondedition)
byS.M.Sze.
2.SemiconductorPhysicsandDevices(thirdedition)
byDonaldA.Neamen.
課程要求
評量方式
1.期中考一次(35%)
2.期末考一次(35%)
3.Homework(30%)
課程網址
助教資訊
備註
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