半导体物理 绪论 物理基础

1、半导体物理学SEMICONDUCTOR PHYSICS 课程简介特点系统性容量大仍在飞速发展的学科学习方法了解概念掌握基本原理具体问题的简单数学处理 参考书目：1.施敏. 半导体器件物理与工艺. 苏州大学出版社2.Donald A.Neamen 半导体物理与器件基本原理（ 影 印版）清华大学出版社3.田敬民. 半导体物理问题与习题. 国防工业出版社1.半导体物质的出现过程17世纪，惠更斯（C.Huygens）以椭球堆集模型解释方解石的双折射性质和解理面18世纪，阿羽衣(R.J.Hauy)认为方解石晶体由坚实的、相同的、平行六面形的小“基石”有规则的重复堆集而成19世纪中叶，布喇菲(Bravai

2、s)发展了空间点阵说，概括了晶格周期性的特征19世纪末，费多洛夫、熊夫利、巴罗等独立的发展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研究晶体结构的规律提供了理论依据1912年，劳厄(M.von laue)首先指出晶体可以作为X射线的衍射光栅20世纪初，量子理论的发现使人们能够更加深入和比较正确地描述晶体内部微观粒子的运动过程，如爱因斯坦（A.Enstein）引入量子化概念研究晶格振动；在特鲁得和洛伦兹的金属自由电子论的基础上，索末菲(A.Aommerfeld)发展了固体理论，为研究晶体中电子运动过程指出了方向20世纪30年代，建立固体电子态理论（能带论）和晶格动力学，固体的能带论提出了导电的微

3、观机理，指出了导体与绝缘体的区别，找到了半导体物质20世纪四十年代末五十年代初，以硅、锗为代表的半导体单晶出现并制成了晶体三极管2. 半导体学科发展二十世纪上半页半导体性能和基础器件的深入认识和发展1907年Round发现电致发光现象：发光二极管（LED）1938年Schottky提出金属-半导体势垒模型1947年贝尔实验室发明晶体管1947年Shockley提出p-n结型晶体管，1952年提出第一个场效应管, Ebers发明晶闸管，1958年发明隧道二极管1962年激光二极管（LD）半导体材料发展是半导体和电子工业发展基础 1917年提出CZ(坩锅直拉法)生长法，1950年用于硅 单晶的生长

4、。 50年代发展的扩散技术和合金技术大幅度提高器 件的性能半导体材料应用广泛微电子学：集成电路、量子器件等光电子学：光伏太阳能电池、半导体激光器、探测 器、 光通讯等3.物质结构 固体材料类型：晶体和非晶体 晶体：固定熔点凝结过程结晶（有序化）长程有序（至少在微米量级范围有序排列）非晶体： 无序 无固定熔点单晶体： 长程有序晶体特征：规则的多面体晶体的解理性：沿一定的晶 面劈裂晶面间夹角守恒：相同结构晶 体晶面或晶棱夹角恒定各向异性晶体分为：单晶体和多晶体 晶体的晶面组合成晶带 晶面的交线是晶棱 相互平行 方向OO为晶带的带轴 重要的带轴称为晶轴不同生长条件下NaCl晶体的外形:b, c, d

5、多晶体：由许多单晶体组 成，无各向异性特点 纳米材料有序长度 在100nm范围内。SC4. 晶体结构简立方 BCC 结构体心立方FCC 面心立方金刚石 （diamond ） 和闪锌矿（zincblende)结构Diamond structureZincblende structure六方结构hcp 5. 晶体结构的表征晶体结构的周期性：空间点阵：空间规则周期性分布的点阵 - 布喇菲点阵学说 空间周期性单元固体物理学原胞（最小重复单元）结晶学晶胞：晶体学对称单元 晶格(正格子)表示：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, a1、a2 和a3为原胞 单元边长矢量。 晶体结构参数晶系三斜单斜正

6、交四方立方三角六方 晶体结构的表征原胞体积： 原胞体积：a1.a2 a3晶面，晶向和指数:面指数：在基矢坐标轴上的截距倒数比 具体的面：(100） 相同的晶面簇表示为单形符号：100晶向指数：晶面的法向指数 具体方向: 100 相同的晶向单形符号: 晶体结构的研究方法倒易空间: 为建立晶体X射线和电子衍射得到的斑点和晶体结构（晶面）的对应关系 倒易空间中的点与正格空间中的一个晶面族相对应倒格子： Kh(r)=h1b1+h2b2+h3b3, b1、b2 和b3为原胞单元边长矢量正倒空间关系： ai.bj=2ij *(2)3， *b1.b2 b3 Rl(r) Kh(r)=2n, n为整数 正格子和

7、倒格子的线度关系除2因子外，互为倒数，正格子线度的量纲为【米】，倒格子为【米】16. 倒易空间及物理意义（1）利用倒易点阵的概念可以比较方便地导出晶体几何学中各种重要关系式；（2）利用倒易点阵可以方便而形象地表示晶体的衍射几何学。例如：单晶的电子衍射图相当于一个二维倒易点阵平面的投影，每一个衍射斑点与一个倒易阵点对应。因此，倒易点阵已经成为晶体衍射工作中不可缺少的分析工具。（3）倒易矢量也可以理解为波矢k，通常用波矢来描述电子在晶体中的运动状态或晶体的振动状态。由倒易点阵基矢所张的空间称为倒易空间，可理解为状态空间（k空间）。正格子所组成的空间是位置空间或称为坐标空间倒易空间的由来X射线衍射方

8、程： Laue 方程：Rl(r) (S-S0)=n, 波矢 k=2/S Rl(r) (k-k0)= 2n, n为整数 倒格矢和X射线波矢等价 7. 晶体结构缺陷:点缺陷：空位、间隙、替位、杂质 线缺陷：位错晶体缺陷的TEM 像：位错 面缺陷 反相结构（反位，反相畴界） 晶界其它缺陷 夹杂 沉淀第二相 8. 常见的半导体材料半导体元素常见的半导体材料Element semiconductors: Si, Ge9. 量子化概念与经典物理相悖的试验现象 光电效应和入射光的频率相关，和入射光强度无关。物质的波粒二相性 微观粒子表现出波的特性德布罗意波（de broglie） 能量分立（Plank能量子

9、概念） 10. 量子统计概念量子力学中全同粒子体系自然界中的粒子：电子，质子，中子，光子，介子等量子力学中把相同的粒子称为全同粒子,粒子间不可区分全同粒子体系的基本特征：可观测量的交换对称性，即对任何两个粒子交换，表征量子态不变对称性和反对称性量子统计概念与规律Maxwell-Boltzmann 统计规律：认为粒子间可 区分，同一能量上粒子数不限定。对称性粒子遵守Bose-Einstein统计（玻色系统中粒 子的最概然分布）：光子、介子等玻色子（粒子不可分 辨），同一状态上粒子数不限定。反对称粒子遵守FermiDirac统计：电子、质子、 中子等费米子（粒子不可分 辨），同一状态上只能有 一个

10、粒子存在。11.半导体材料的制备体材料直拉单晶（CZ,切可劳斯基生长法，Czochralski method)区熔法（Zone refining), 悬浮区熔法（Float-Zone Tech.) 膜材料: 外延生长（Epitaxial growth) 在衬底（体材料）材料上生长薄层单晶体VPE(气相外延，Vapour phase epitaxy, CVD, PVD)LPE（液相外延, Liquid phase epitaxy)MOCVD（金属有机化学气相沉积, Metallic organic CVD)MBE（分子束外延, Molecular beam epitaxy) 1947年12月16

11、日：威廉邵克雷(William Shockley)、约翰巴顿(John Bardeen)和沃特布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。 1950年：威廉邵克雷开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这是现在通行的标准的晶体管。 1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备

12、要求规格更小的晶体管，即集成电路。1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登摩尔(Gordon Moore)预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。晶体管的发展历史及其重要里程碑 1968年7月：罗伯特诺伊斯和戈登摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅

13、栅电极。 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名，财富(Forture)杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。 1982年：

14、286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。 1985年：英特尔386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。 1993年：英特尔奔腾处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。 1999年2月：英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生

15、产。 2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D

16、处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。 2006年7月27日：英特尔酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔酷睿微体系架构派生而出。 2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65

17、纳米制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。/cpu/49/3060049_1.shtml45纳米到底如何小而强大? 1纳米=10亿分之一米;或者说 1纳米=0.0000000001米1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英特尔制造的全新45纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面即可容纳数百个。如果一所房子缩小为一个晶体管大小，不借助显微镜你根本无法看到这所房子。要看到45纳米大小的晶体管，你需要借助非常先进的显微镜。英特尔即将推出的下一代45纳米处理器(研发代码：Penryn)中，一个晶体管的价格仅相当于1968年时一个晶体管平均价格的百万分之一。如果汽车价格以同样的速度下滑，今天一部新车的价格将仅为1美分。你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳 米晶体管。你可以在一个针头上摆放3