GaAs化合物半导体及高速集成电路(2)

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

第一代(1974-1977)集成规模增大期 第二代(1977-1980)技术集成的适应期

第三代(1980-1984)逻辑和存储器LSI的实现期 第四代(1984-现在)GaAs IC的实用期

图1-13 GaAs IC 集成规模的增大和各时代技术特征

图 1-14 GaAs微波单片集成电路

本章小结：

化合物半导体材料与硅材料相比有那些特点

了解典型化合物半导体器件的中文全称、英文全称及英文简写

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

第2章 半导体的能带结构及二维电子气 2.1 砷化镓的晶格结构 2.2 半导体的能带结构 2.3 二维电子气

2.1 砷化镓的晶格结构

GaAs材料为闪锌矿结构，与金刚石结构类似，所区别的是前者由两类不同的原子组成。它是由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线套构而成，每个原子被异族原子所包围。

特点：

每个原子周围都有四个最紧邻的原子，组成一个正四面体结构 GaAs材料为极性半导体。化合物晶体结合的性质除共价键外还具有不同程度的离子性，但共价键占优势闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金刚石型结构一样，都是由两个立方晶格套构而成，这种晶格称为双原子复式格子。每个元胞中只包含两个原子，一个是Ⅲ族原子，另一个是Ⅴ族原子。

2.2 半导体的能带结构

2.2.1 孤立原子的能级

原子根据原子轨道能级的相对高低，可划分为n个电子层，K、L、M….同一电子层又可以划分为若干个电子亚层，如s、p、d、f等。n为主量子数， ?轨道量子数。Si: 1s22s22p63s23p2 E1s＜E2s＜E2p＜E3s＜E3p＜E4s＜…

表2-1

l：0～n-1

每一能级上有2（2 ? ＋1）个量子态 每层最多容纳的电子数为2n2

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2.2.2 电子共有化运动

原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动；共有化运动的电子应在相似的轨道(壳层)之间转移；共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠；轨道共有化反映了能级的共有化。

图2-1 电子轨道共有化示意图

2.2.3 能级分裂

设存在2个相距很远的孤立原子，根据量子力学原理，每个能级均有两个态，为二度简并(不计原子本身的简并)； 当原子相互靠近时，每个原子中的电子除受本身原子的势场作用外，又受到另一原子的势场作用；

结果：二度简并的能级分裂为彼此相距很近的能级，原子靠的越近，分裂越厉害。则原来在某一能级上的电子就处在分裂的二个能级上，为二个原子所共有

图2-2 电子能级分裂

由N个原子组成晶体时：

允带------每一个N度简并的能级都分裂成彼此相距

很近的N个能级，这N个能级组成一个能带。 禁带------允带之间没有能级的带。 绝对零度时：

完全被电子填充的较低能带，称为价带(valence band)，记为Ev价带顶；

在价带上层为完全空的状态的能带，称为导带(conduction band)，记为Ec导带底;

在价带和导带之间的部分称为禁带(band gap)，Eg；Eg=Ec-Ev。

图2-3 能带结构示意

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

能带的特点：

允带的宽窄由晶体的晶格常数决定(原子间距)

1. 外层能带宽，内层能带窄。晶格常数越小，能级分裂程度越大，共有化运动显著。 2. 带宽与原子数目N无关，N只决定了能级的密集程度。

3. 原子能级与能带不全是一一对应的。若能级分裂程度较大，能带有可能交叠，且发生轨道杂化。

以金刚石结构的Si为例，硅最外层有4个电子，称4个价电子，是4度简并(或4N简并)。由于发生轨道杂化，s1p3代替了s2p2,随距离缩小(原子间距)，能级变宽，最终分为2个允带。

2.2.4 半导体中的电子状态

（1）描述自由粒子运动的波粒二象性 粒子性：

?1PP?m0V E?

2m0??2波动性：

?P?hK

E?h?

由能量守恒定律结合波粒二相性得到：

h2k2E?2m0V??

hkm0?即波矢k完全决定粒子状态,v为频率，h为普朗克常量。

（2）能带论 一维情况

微观粒子的运动状态随时间改变的规律——微观粒子的运动规律。解出薛定谔方程便能得出电子的波函数及能量。电子在晶体中与晶格同周期的周期性势场中遵守的薛定谔方程为：

?2d?(x)2?.?V(x)?(x)?E?(x) （式2-1）

22m0dx其中V(x)=V(x+Sa) S为整数。V(x)是晶格位置为X的势能，反映了周期性势场的特性。Φ(x)为电子波函数，是一个几率波，它在空间某一点的强度表示在该点找到电子的几率。 布里渊区与能带

禁带出现在k=nπ/a处，即在布里渊区边界上； 允带出现在以下几个区：

第一布里渊区:-π/a

E(k)也是k的周期函数，周期为2π/a,即E( k )=E( k+2nπ/a )，能带愈宽，共有化运动就更强烈。

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图2-4 半导体布里渊区与能带关系

2.3 二维电子气

2.3.1 二维电子气概念

半导体表面反型层中的电子因处于如同被封闭于势箱中的自由电子一样，电子的德布罗意波长与势阱的宽度相当，发生―量子尺寸效应‖。即在垂直方向的运动丧失了自由度，只存在有在表面内两个方向的自由度，它的散射几率比三维电子气小得多，因此迁移率高。典型的二维电子气（2－DEG）存在于以下结构中：半导体表面反型层、 异质结的势阱、超薄层异质结（量子阱结构）。 （1）半导体表面反型层

P型半导体外加一个与半导体纵深相同的电场表面处能带进一步向下弯曲，越接近表面，表面处费米能级可能高于禁带中央能量，即，费米能级离导带底比离价带顶更近一些，表面电子浓度超过空穴浓度，形成了与原来半导体导电类型相反的一层。 （2）异质结势阱中的2－DEG

窄禁带材料GaAs和宽禁带材料AlGaAs接触形成异质结时，接触面的能带形成三角形势阱。 （3）量子阱结构中的2－DEG

如果量子阱材料中阱层厚度小于20nm，而势垒层较厚，则电子基本上被封闭在GaAs内成为2－DEG。

2.3.2 二维电子气的能量状态

半导体表面反型层中2－DEG，耗尽层引起的电势分布呈线性变化，构成三角形势阱。其德布罗意波在Z方向将形成驻波状态。若德布罗意波长为λz ，

?z

Zn?n?,n?0,1,2...2

图2-5 二维电子气能量状态

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