半导体物理学第一章

1、1半导体物理学半导体物理学 一一半导体中的电子状态半导体中的电子状态二二半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级三三半导体中载流子的统计分半导体中载流子的统计分布布四四半导体的导电性半导体的导电性五五非平衡载流子非平衡载流子六六pn结结七七金属和半导体的接触金属和半导体的接触八八半导体表面与半导体表面与MIS结构结构九九半导体异质结构半导体异质结构半导体物理学（前九章） 课程安排课程安排: 本课共本课共12周，周，48学时。学时。 采用采用闭卷笔试闭卷笔试的考核办法。的考核办法。 总评成绩构成比例为：平时成绩总评成绩构成比例为：平时成绩50%； 期期末考试末考试50%。半导体物理学半导体物

2、理是微电子学的基础半导体物理是微电子学的基础微电子学微电子学研究在固体（主要是半导体材料上构成研究在固体（主要是半导体材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科电子学电子学-电荷电荷电子学电子学-微电子学（亚微米尺度）微电子学（亚微米尺度）-纳电子学（纳米纳电子学（纳米尺度）尺度）半导体概要半导体概要微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展

3、向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域： 光电集成、光电集成、MEMS(微微机电系统机电系统)、生物芯片、生物芯片半导体概要半导体概要微纳电子学架构微纳电子学架构光荣与梦想50年来半导体物理8次获得诺贝尔物理学奖 1956年 Bell实验室的W. B. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain (肖克利, 巴丁, 布拉顿, 1948）因为发明半导体晶体管获得Nobel物理学奖 Shockley :硅谷之父；19581960年任肖克莱晶体管公司经理 八大金刚：诺伊斯， 创办仙童公司； 后来跳槽创办英特尔公司： 诺伊斯 摩尔

4、 巴丁：两次诺贝尔物理奖8Moores Law （摩尔定律）In 1965, Gordon Moore predicted exponential growth in the number of transistors per integrated circuit 建立在半导体集成电路基础上的CPU建立在半导体集成电路基础上的CPUCore:酷睿；Atom阿童木；Pentium奔腾 1973年 IBM公司的L. Easki（江崎玲玉奈）因为发现半导体量子隧道效应获得Nobel物理学奖 1978年 当时还在Bell实验室，后来在普林斯顿大学的P. W. Anderson（安德森）和英国剑桥大学卡

5、文迪许教授和物理系主任的N. F. Mott（莫特）因为发现金属和半导体中的无序效应及量子输运获得Nobel物理学奖光荣与梦想50年来半导体物理8次获得诺贝尔物理学奖光荣与梦想50年来半导体物理8次获得诺贝尔物理学奖 1985年 德国马普固体物理研究所所长K. von Klitzing（克林青）因为发现半导体二维结构中的整数量子霍尔效应获得Nobel物理学奖 1998年 当时还在Bell实验室，后来分别在哥伦比亚大学，普林斯顿大学和斯坦福大学的H. L. Strmer, D. C. Tsui(崔琦)，R. B. Laughlin因为发现半导体二维结构中的分数量子霍尔效应获得Nobel物理学奖

6、2000年 苏联科学院物理问题研究所Z. I. Alferov, 美国加州大学H. Kroemer,以及德州仪器公司的J. S. Kilby因为发明半导体异质结构奠定半导体微电子和光电子技术基础获得Nobel物理学奖硅集成电路（1958年美国工程师杰克基尔比成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想）。2000年诺贝尔物理学奖 2009年 Bell实验室的Willard S. Boyle，George E. Smith因为发明半导体成像技术(CCD)获得Nobel物理学奖2010年英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。 安德烈海姆和

7、康斯坦丁诺沃肖洛夫半导体物理的特点 半导体物理的研究不但可以揭示崭新的物理现象，而且为人类社会特别是信息社会的发展奠定了几乎全部的基础和支柱（从信息的接受，处理，发射到传输无一不是基于半导体器件）。光荣与梦想 两个例子：微处理器和闪存 微处理器：电脑的心脏戴尔笔记本：INTEL酷睿i7Window88G内存1T硬盘1024KB等于1MB 1024MB等于1GB 1024GB等于1TB 也就是说1TB等于1024GB 40048008808080858086286386486PentiumP211010010 001000019701980199020002010Power Density (W

8、/cm2)Hot PlateHot PlateNuclearReactorNuclearReactorNuclearReactorRocketNozzleRocketNozzleRocketNozzleSuns SurfacePentium ProP3P4P5P6 微电子学技术发展的一个主要限制 存储器之间的竞争 半导体闪存 磁硬盘：巨磁阻效应 光盘光荣与梦想：与电脑有关的故事 1976年，乔布斯成立苹果电脑公司。 光荣与梦想：与电脑有关的故事 1977年计算机界的龙头老大IBM决定开始电脑竞争 IMB三条措施：第一，集中精兵强将，秘密开发，突然推出。第二，与世界最著名公司采取最广泛的合作。第

9、三条措施是一反常态，大胆采用十分开放的政策 。 IBMPC，主流机和兼容机 异曲同工：1963年柯达的 策略-从傻瓜机到胶卷绿色光源：半导体（LED）照明灯 跟普通的白炽灯相比，同样亮度下，电能消耗仅为白炽灯的，而寿命则是白炽灯的倍。“倍是个什么概念呢？以一天点小时计算，一盏灯就可用年，你一辈子也用不了两盏灯。” 任重而道远：蓝光二极管：任重而道远：蓝光二极管：50年的梦想年的梦想中国的半导体？ 中国半导体业实际上起步很早，基本和先进国家同步。不知那时韩国人在做啥，台湾人在做啥。 黄昆、谢希德好像50年代就开始培养人才。北大、复旦、吉林大学1957年就拉出了单晶硅。1958年我们全面搞超声波。

10、 可现在我们医院的超声波检测设备基本都靠进口。 这些技术，中国起步并不晚，为什么我们就没跟上，甚至领先呢？劈开一系列政治运动的原因不谈，科技界创新氛围是一个大问题。我们太看重发表SCI的论文，而忽略把科技成果做出东西，形成产业。 一一半导体中的电子状态半导体中的电子状态二二半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级三三半导体中载流子的统计分半导体中载流子的统计分布布四四半导体的导电性半导体的导电性五五非平衡载流子非平衡载流子六六pn结结七七金属和半导体的接触金属和半导体的接触八八半导体表面与半导体表面与MIS结构结构九九半导体异质结构半导体异质结构半导体物理学 单晶材料中的电子状态及运动规律

11、 处于热电平衡时： 晶体材料的结构与能带- 第一章 电子运动状态- 第一章 杂质和缺陷- 第二章 运动规律- 第四章 非电学平衡- 第五章 器件工作机理- 第六章固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体导电条件（能带论）：存在部分填充的能带；如果没有需要小的导电条件（能带论）：存在部分填充的能带；如果没有需要小的禁带禁带什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性固体材料：超导体固体材料：超导体: 大于大于106( cm)-1 导导 体体: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体:

12、 小于小于10-10( cm)-1？什么是半导体？什么是半导体研究内容 半导体体材料的性质：晶体、非晶体、多晶 结：同质结和异质结（构） 掺杂：半导体工艺是控制掺杂的工艺一一半导体中的电子状态半导体中的电子状态二二半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级三三半导体中载流子的统计分半导体中载流子的统计分布布四四半导体的导电性半导体的导电性五五非平衡载流子非平衡载流子六六pn结结七七金属和半导体的接触金属和半导体的接触八八半导体表面与半导体表面与MIS结构结构九九半导体异质结构半导体异质结构半导体物理学第1章 半导体中的电子状态 1.1 半导体的晶格结构和结合性质1.2 半导体中的电子状态和能

13、带1.3 半导体中电子的运动 有效质量1.4 本征半导体的导电机构 空穴1.5 回旋共振1.6 硅和锗的能带结构1.7 -族化合物半导体的能带结构1.8 -族公合物半导体的能带结构1.9 SI1-xGex合金的能带1.10 宽禁带半导体材料 半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构 纯度纯度 极高，杂质0K (c) 简化能带图图半导体的能带 固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图固体材料的能带图半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体解解gEhch gEhc max半导体材料禁带宽半导体材料禁带宽2.42 eV ，用光激发其导，用光激发

14、其导电电, , 计算光波的最大波长。计算光波的最大波长。gEhc 19834106 . 142. 21031063. 6 m1014. 57 nm514 例题例题1.2 在晶体中的电子，存在着电子和电子之间的相互作用，也存在电子与离子的相互作用。为了理论计算的方便，必须作简化处理。 单电子近似：忽略电子之间的相互作用，仅考虑离子的周期性势场对电子的影响，同时认为原子核是固定不动的。这种近似也叫做“独立电子近似”。 自由电子的能量（色散关系）自由电子的能量（色散关系） 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 0pm v202pEm()( , )i k rtr tAe pkEhv2202kE

15、m1kk 由此可得到图Ek关系。随波矢k的连续变化自由电子能量是连续的。图 自由电子的E k关系Schrdinger方程方程22( , )( , )( , )2r tiU r tr tt 22( )( )( )2U rrEr 定态定态Schrdinger方程方程222( )( )( )2dU xxExdx一维定态一维定态Schrdinger方程方程1212m mmmx双原子分子，约化质量双原子分子，约化质量 单电子近似认为，电子与原子的作用相当于电子在原子的势场中运动。周期性的原子排列产生了周期性的势场。在一维晶格中，x处的势能为： )()(naxVxVn电子所满足的波函数为布洛赫波函数： k

16、xikexux2)()()()(naxuxukk为周期函数，反映电子在每个原子附近的运动情况。kxie2 平面波函数，空间各点出现的几率相同，共有化。半导体中电子的运动半导体中电子的运动 薛定谔方程及其解的形式薛定谔方程及其解的形式 2220( )()( )( )( )( )2V xV xsadxV xxExmdx( )( )( )()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函数布洛赫波函数 什么是电子的运动状态？运动状态由电子波矢k的大小和方向确定，求解(k)与k的关系，可以得到电子的能量，如图1-10.图110 能带能带及布里渊区布里渊区示意图允带允带允带允带禁带禁带禁带k0 1/2a

17、 2/2a3/2a-1/2a-2/2a-3/2aE第第一一区区 二二区区 三三区区二二区区三三区区1/2a0-1/2akEE1E2E3E4 图中虚线为自由电子的关系，实线为周期势场的关系曲线，在布里渊区边界出现了不连续，形成了允带和禁带。允带出现的条件是：第一布里渊区出现在中间，第二、第三分别在两边。将能量值(k)作布里渊区整数倍的平移，总可以将其他布里渊区的值平移到第一布里渊区。因倒空间的周期性，这种平移不改变能量的大小。因此，第一布里渊区有晶体能量的全部信息。常称此区域为简约布里渊区。根据周期性边界条件，三个波矢分量为,.)2,1,0(,.)2,1,0(,.)2,1,0(zzzyyyxxx

18、nLnknLnknLnk第1章 半导体中的电子状态 1.1 半导体的晶格结构和结合性质1.2 半导体中的电子状态和能带1.3 半导体中电子的运动 有效质量1.4 本征半导体的导电机构 空穴1.5 回旋共振1.6 硅和锗的能带结构1.7 -族化合物半导体的能带结构1.8 -族公合物半导体的能带结构1.9 SI1-xGex合金的能带1.10 宽禁带半导体材料 自由电子的能量自由电子的能量 微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 0pm v202pEm()( , )i k rtr tAe pkEhv2202kEm 由此可得到图Ek关系。随波矢k的连续变化自由电子能量是连续的。图 自由电子的E

19、k关系半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系 在导带底部，波数在导带底部，波数 附近附近 值很小，值很小，将将 在在 附近泰勒展开附近泰勒展开 220021( )(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k( )E k0k 能带顶部的底部的波矢均为k=0，同时dE/dk=0，其结果为22021( )(0)()2kd EE kEkdk半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEm2*2211nd Emdk电子的有效质量能带顶部和底部电子的有效质量分别为负和正。220d Edk下凹220d Edk下凹220K (c) 简化能带图图 半导体的能带 由上述激发过程不难看出： 受电子跃迁过程和能量最低原理制约，半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁后留下的空态(等效为空穴空穴)。 换言之，半导体中真正起作用的是那些能量状态位于能带极值附近的电子和空穴。例例. 半导体半导体 Cd S（硫化镉）（硫化镉）满满 带带空 带h