中国科学技术大学物理系微电子专业课件

2019/4/9,1,Semiconductor Physics,半导体物理 Semiconductor Physics,Semiconductor Physics,2019/4/9,2,绪 论,这门课在学科群中的地位(位置)? -课程定位 半导体物理的发展简介 -历史与趋势 一些具体问题的说明 -教材,习题,考试,Semiconductor Physics,2019/4/9,3,本课是一门重要的专业基础课 了解半导体物理的基础理论，物理概念和主要性质。 探讨半导体在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及相关应用。 掌握研究半导体基本原理和测量技术的基本方法，为从事光电子技术、半导体器件、传感器及应用、集成电路等方面的工作打下必备的基础。 讨论VLSI技术相关的半导体材料和器件中的基本物理问题，在基础物理和微电子专业技术之间建立联系的桥梁。,绪 论,Semiconductor Physics,2019/4/9,4, 课程定位: 从固体物理到半导体物理 半导体物理及其相关领域,从普通物理四大力学 -基础课 物理学是实验科学 物理学的理论体系: 宏观和低速领域牛顿力学和麦克斯韦方程组 微观和高速领域相对论和量子力学 前者为经典物理,后者为近代物理.,Semiconductor Physics,2019/4/9,5,固体物理学: 讨论固体物理领域中最基本的一些问题固体中的各种运动状态(重点是固体中电子的运动状态): 晶体结构; 固体的结合; 晶格振动; 能带理论; 晶体中电子的运动;金属电子论； 半导体; 磁性; 固体光学; 超导;,Semiconductor Physics,2019/4/9,6,半导体物理学: 与固体物理学同为专业基础课-应用已有的固体物理基础,讨论半导体中最基本的一些问题; 所讨论的物理问题有强烈的应用背景 -半导体材料,器件,电路的物理基础 物理基础为固体能带论 微电子技术的理论基础（半导体物理和器件物理）,Semiconductor Physics,2019/4/9,7,本课程讨论的主要对象 典型的半导体(Si,Ge,GaAs, ) 本课程讨论的基本问题 材料的基本物理性质: 晶体结构;能带结构;电子基本运动状态; (第一章) 半导体中的载流子(电子,空穴)及其运动状态: p型,n型半导体; 电场,磁场中的载流子; 非平衡载流子; (第二,三,四章) 器件物理基础: pn结; M/S接触;MOS结构; (第五,六章),Semiconductor Physics,2019/4/9,8,相关课程(领域) 物理 (对物理问题更深入,更专门的讨论): 高等半导体物理; 半导体理论; 半导体表面物理; 非晶态半导体物理; 半导体光学 材料 (材料性质,应用的物理模型,材料制备,新材料的研制): 体材料; 薄膜材料; 微结构材料; 人工设计材料;,Semiconductor Physics,2019/4/9,9, 器件 (器件物理; 器件原理; 器件工艺): 电子器件(双极型器件,MOS器件,各种特种器件); 光电子器件(激光器,发光管,光电转换器件); 其他各种效应的应用(热电,压电 ) 半导体集成电路 集成电路原理及其设计(线路设计,版图设计,工艺设计); 集成电路中的物理问题,材料问题,Semiconductor Physics,2019/4/9,10, 发展简介,Semiconductor Physics,2019/4/9,11,Semiconductor Physics,2019/4/9,12,Semiconductor Physics,2019/4/9,13,Semiconductor Physics,2019/4/9,14,Semiconductor Physics,2019/4/9,15,Semiconductor Physics,2019/4/9,16,Semiconductor Physics,2019/4/9,17,Semiconductor Physics,2019/4/9,18,Semiconductor Physics,2019/4/9,19,Semiconductor Physics,2019/4/9,20,Semiconductor Physics,2019/4/9,21,2019/4/9,22,Semiconductor Physics,2019/4/9,23,Semiconductor Physics,在技术上，摩尔定律依然勇往直前,2019/4/9,24,Semiconductor Physics,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,Semiconductor Physics,2019/4/9,25,Semiconductor Physics,2019/4/9,26,21世纪发展趋势,新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，-族复合半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、GaN），高K/金属栅，低K介质，SOI 新技术：光刻，EUV光刻技术 新结构器件 新互连方法：铜连线、低K，光互连等。 纳米技术 超大尺寸晶片的不断增大 亚100nm分辨率的光刻系统 超小尺寸的逻辑存贮器件 深亚微米尺度下物理理论和模型 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等,Semiconductor Physics,2019/4/9,27,Tri-Gate,Carbon Nanotube FET,SiGe S/D Strained Silicon,Future options subject to research & change,SiGe S/D Strained Silicon,90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 2003 2005 2007 2009 2011+,Technology Generation,Source: Intel,20 nm,10 nm,Transistor Research,Research Options: High-K & Metal Gate Non-planar Trigate III-V, CNT, NW,Semiconductor Physics,2019/4/9,28,Building Blocks for Nanoelectronics,Carbon Nanotubes,Nanowires,Quantum Dots,Advantages for one-dimensional nanostructures: Atomic precision available via chemical synthesis; Easy to wire up (compared to quantum dots); Rich and versatile properties.,Semiconductor Physics,2019/4/9,29,Carbon Nanotube,CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm. Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.,CNT exhibits: Carrier mobility 100,000 cm2/Vs Youngs modulus over 1 Tera Pascal, as stiff as diamond; 3. Tensile strength 200 GPa. CNT can be metallic or semiconducting, depending on chirality.,Semiconductor Physics,2019/4/9,30,CNT FETs,Delft : Tans, et al., Nature, 393, 49, 1998,Javey, et al., Nano Letters, 4, 1319, 2004,Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2005,Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2006,Semiconductor Physics,2019/4/9,31,Traditional approach: On-Site Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes,H. Dai, et al, Nature 395, 878 (1998).,Semiconductor Physics,2019/4/9,32,Infrastructure: Nanotube CVD Generation I,High-quality nanotubes can be grown at specific positions,Nanotube transistor can be easily produced.,Semiconductor Physics,2019/4/9,33,Toward Integrated Nanotube Systems,Potassium doping: 1. Heat up a potassium source; 2. Electron transfer from K to the nanotube reverts the doping from p type to n type.,N-type Field Effect Transistor,Semiconductor Physics,2019/4/9,34,Integrated Nanotube Systems: Complementary Carbon Nanotube Inverter,“Carbon Nanotube Field-Effect Inverters“, X. Liu, R. Lee, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 79, 3329 (2001).,Semiconductor Physics,2019/4/9,35,Semiconductor Physics,2019/4/9,36,Biosensor Arrays,Semiconductor Physics,2019/4/9,37,Si Nanowires as DNA sensors,Microfluidic process,PNA-DNA duplex,PNA receptor,Lieber, 4, 51, 2004,Avidin-modified NW was linked with biotinylated PNA probes, and followed by DNA hybridization.,Semiconductor Physics,2019/4/9,38,Construction of DNA / Protein Chips,Automated Measurements,Array of Sensors with various Probe molecules,Key challenge: Selective functionalization of different nanowires?,Semiconductor Physics,2019/4/9,39, 教材,习题与考试,教材 半导体物理学,刘恩科等, 1994年版,1997年第四版,2002年版 上课 提倡记笔记.(看自己记的笔记有助于理解,思考) 习题 30% 做习题的目的是帮助理解课程内容,且应用之讨论问题,解决问题. 20% 每章会有一次课堂习题. 10%（代替点名） 考试 70% 范围在平时就会交代, 重点是应该自己找的.千万不要寄希望于考试前复印一大堆别人的笔记,作业.,Semiconductor Physics,2019/4/9,40,内容：课程章节,前 言 绪论 第一章 半导体中的电子状态 常见半导体的晶格结构和结合性质，能带论的主要结果，半导体中电子的运动及其描述，重要半导体的能带结构，半导体中的杂质能级。 第二章 半导体中载流子的平衡统计分布 状态密度，分布函数，载流子浓度，本征半导体和杂质半导体。 第三章 电磁场中的输运现象 载流子的漂移运动，半导体的主要散射机构，迁移率与 杂质浓度和温度的关系，霍尔效应。,Semiconductor Physics,2019/4/9,41,内容：课程章节,第四章 非平衡载流子 非平衡载流子的注入与复合，准费米能级，复合理论，载流子的扩散与漂移运动、连续性方程。 第五章 p-n结 pn结及其基本概念，pn结电流电压特性，pn结电容，pn结击穿，pn结隧道效应，pn结的光生伏特效应。 第六章 半导体界面问题概要 金属-半导体接触和肖特基势垒，半导体表面电场效应，MOS结构的C-V特性。,Semiconductor Physics,2019/4/9,42,教材及主要参考书,教材：半导体物理学刘恩科等编著 电子工业出版社（第四版）2002年 参考书： （1）Donald A.Neamen: Semiconductor Physics and Devices（U.S.A.） （2）Robert F.Pierret: Semiconductor Device Fundamentals(Part1) （3）Chih-Tang Sah： Fundamental of Solid-State Electronics（U.S.A.） （4）钱佑华，徐致中：半导体物理 （5）叶良修：半导体物理学 （6）李名復：半导体物理学 （7）夏建白：现代半导体物理,Semiconductor Physics,2019/4/9,43,半导体物理总评成绩(00级) 考试方式:开卷 参加考试人数:146人 (其中,0002为115人,零零班25人,其他6人.),95分以上 8人, 5.5% 85-94分 43人,29.5% (85-89 27人, 90-94 16人) 75-84分 55人,38% (75-79 30人, 80-84 25人) 65-74分 27人,18% (65-69 15人, 70-74 12人) 60-64分 10人, 7% 60分以下 3人, 2%,Semiconductor Physics,2019/4/9,44,半导体物理总评成绩(01级) 考试方式:开卷 参加考试人数:136人,95分以上 13人, 10% 85-94分 33人,24% (85-89 17人, 90-94 16人) 75-84分 59人,43% (75-79 26人, 80-84 33人) 65-74分 18人,13% (65