微纳制造技术 （上课）
2022.9.16
Chapter 2: Materials Used in Microelectronics
and Optoelectronic Integration
电子材料的分类：Metals,insulators,Semiconductors
但是还有很多新奇的材料介于三个分类中间
键能的强度做一个分类：离子键，共价键，金属件，范德瓦尔斯键
2.2 晶体结构
晶体的边界称为晶界，载流子在到达晶界的时候，会进行散射，不能很好的通过晶界（有一定的概率会进行散射），会有Defects（缺陷）
对于非晶来说，晶格完全是无序的，处处均有可能会发生散射，传输效果会非常差
第一性原理计算：来预测材料的性质
从原子考试，从波函数，接量子力学的方程，通过模拟，给出材料和晶体结构，来预测电学性能还有光学性能
第一性原理思考方式：回到事情的本质
2.3 固体能带
氢光谱本来是分立的，但是很多个作用在一起，会形成非常多的子能带
几种材料能带结构的区别：
绝缘体：价带全满，导带全空，会有很大的 Band Gap
半导体：Band Gap 不会特别小。也不会特别大
导体：价带导带存在交叠，故而载流子可以自由进入导带，有很好的导电性
但是范围也不是绝对的，要看在什么情况下
BandGap 0.1 在常温下可以导电，但是降温后或许就不导电了
半导体优势：可以在大范围进行调制Conductivity
能带图来表示能量分布 Eg 即为BandGap
半导体物理最关心的就是导带（CB）还有价带（VB）
直接带隙半导体：导带底和价带顶处于同一K值
间接带隙半导体：导带底和价带顶处于不同K值
为什么直接带隙半导体在光吸收上较强？
光吸收和光发射的本质：
光吸收; 从半导体的角度，上面的电子，光子进来以后，能量会转移给电子，从而使得电子激发，从价带跃迁到导带，导带和价带之间的差值是固定的，导带和价带之间没有任何载流子可以存在，所以存在一个最低值，即Band Gap，集体的公式 (hv>=Eg)
光发射将光吸收过程反过来，所以通过光吸收和光发射我们可以测出Band Gap
对于直接带隙半导体，就像坐电梯一样，直上直下，对于间接带隙半导体，它会偏离方向（永远都是从价带顶到导带底），动量发生了变化，光子不存在质量，不存在动量，也就是光子被电子吸收以后，不会改变电子的动量，但是在间接带隙中，没有带来新的动量，理论上只会往上走，不会斜着走，所以晶格必须给它传递一个动量的来源，声子，声子也就是代表晶格的热运动（只要高于绝对零度，就会有振动，用声子来描述），在间接带隙吸收光的时候，一定要有声子的参与，所以跃迁效率会大大降低，所以对间接带隙半岛体来说吸收的性能会变差。
对于光发射，
别人的解释：
从能带图来解释，能带图是E~K关系，间接带隙的半导体，从导带底向价带顶之间的跃迁k会发生变化，也就是运动速度，方向需要改变，需要有声子参与，因此一方面，跃迁的能量差大概率转化成声子，不会形成光子，另一方面，跃迁过程必须有声子参与，降低了跃迁的发生概率，效率不高。 对于直接带隙，跃迁不需要声子参与，前后的k不变，能量大概率变成光子。
将原理概念想象成是画面
半导体可以分为 本征半导体，N型半导体，P型半导体
本征半导体：导带上没有多余的载流子，此时费米能级处在Band Gap的中间，载流子从价带跃迁到导带全靠热激发
对于N型半导体，通过掺杂，引入杂志（半导体并不是越纯越好），此时费米能级靠近导带，此时N型导电，它通过N型的掺杂，使得导带电子数量极大的增加，使得电子数量远大于空穴的数量
N-typr doping 是半导体中最重要的概念，引入一些杂质原子，杂质原子能够极大的改变半导体的性能
对于P型半导体，电子的数量小于空穴的数量，
2.4 半导体电输运性质
载流子在半导体中的运动包括扩散和漂移
Diffusion 扩散 ： F=Dn 单位时间，单位界面载流子通量
Drifting 漂移：
根据能带理论，在底下存在空穴，电子是在上面，在电场作用下，电子运动，空穴朝反方向运动，都对电流产生贡献
载流子浓度=本征激发（靠温度产生的热量激发）+杂质浓度（
有一个doping的概念，doping 会在导带底下形成杂质能级，杂质能级是分立能级，在分立能级上每个都有个电子，室温下可以跃迁到导带能级（因为杂质能级非常靠近导带能级，并不会停留在杂质能级），导带上的电子浓度极大的增加，但是空穴没有改变，所以此时载流子浓度要加上杂质浓度，这个就是典型的N型掺杂，如果反过来，P型掺杂引入空的能级，能够让价带电子跑上去，价带会产生更多的空穴，这就是典型的P型掺杂。
）
随着温度的升高，载流子的浓度逐渐上升，杂质浓度取决于doping的数量
Drift Current：
载流子的迁移率，形象的理解：迁移率其实就代表了电子和空穴跑的数目，迁移率越高，代表跑的越快，载流子做布朗运动，由于电场的存在，电场方向上会存在分量，（运动速度=迁移率*电场）
迁移率越高，导电性越好，平均自由时间越长，迁移率就越高，有效质量越小，迁移率也越高
平均自由时间很重要？
平均自由时间很短，导致碰撞次数上升，导致速度发生损失（
Phonon Scatter 声子散射, 声子代表晶格的热运动对他的散射
Impurity Ion Scattering 杂质离子散射
散射的存在影响平均自由时间
）
电流的密度=qpv
Diffusion Current：
从高浓度往低浓度的一个扩散，这个电流可以用扩散电流来描述
很重要的是扩散系数，还有浓度梯度
扩散系数代表扩散的难易程度 ，越大越容易进行扩散
随着杂质浓度提高，电子和空穴的迁移率是降低的
2.5 半导体材料的分类
元素半导体和化合物半导体
Si称为第四族半导体，N称为第五族半导体，GaAs称为三五族半导体
二元半导体，三元半导体.......
化合物半导体有更高的性能调控空间
二元三元半导体的好处：能带工程
Band Gap 决定了它的性质，如果我想调整Band Gap，通过二元三元的方式，图中的线条代表能带结构的变化，底下代表晶格常数，纵坐标代表能带
通过这种方式我们就可以实现能带结构的调控，不同的应用需要不同的能带结构和电学特性
目前不存在一种能满足所有的要求
比如Si CPU中使用，激光笔中用的三五半导体材料
每一种半导体材料后面都代表了一种产业
2.5.1 Silicon
Si 的储量非常多
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