半导体物理绪论

半导体物理Semiconductor

Physics主讲人：杨少林材料科学与工程学院13课程简介教材：《半导体物理学》(第七版)刘恩科，电子工业出版社作业:作业在指定的日期之前上交。迟交的作业扣分。成绩：平时成绩（50%）+期末考试（50%）出席：不得无故缺课SemiconductorPhysics

2011课程简介2参考书1. Charles

Kittel,《固体物理导论》，化学工业出版社（2005）2. 刘恩科，朱秉升，《半导体物理学》，国防工业出版社（2003）.3. 《固体物理学》，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社4. 叶良修，《半导体物理学》（第二版），高等教育出版社（2007）.K.

Seeger，《Physics

ofSemiconductor:

AnIntroduction》，4thEd.Springer-Verlag (2004).R.

M.

Warner,B.

L.Grung，《Semiconductor-DeviceElectronics》，电子工业出版社（2002）.7. 茹国平，《半导体物理讲义》（2010）课程简介3固体物理量子力学统计物理半导体物理半导体材料半导体器件半导体工艺半导体集成电路课程特点内容广、概念多、注重实际问题的解决课程要求着重物理概念及物理模型基本的计算公式SemiconductorPhysics

20115绪论一.

什么是半导体？

二.

半导体的主要性质

三.

半导体的种类四.

半导体科学发展史五.

半导体物理的研究内容一、什么是半导体(semiconductor)导体(conductor)10-6~10-4半导体绝缘体(dielectrics)>

1010

(cm)10-4~1010Copper:

GoodConductorSilicon:moderateConductorGlass:

noconductionSemiconductorPhysics

20116问题1：固体按导电性分，有哪几类，并举例。SemiconductorPhysics

20117二、半导体的主要性质纯

Si

~2105

cm300

K掺入

10-6

（原子比）

B

硼

~0.4

cm在半导体内掺入

百万分之一或千万分之一的杂质就可以使半导体的电导率发生极其明显的变化。掺入不同类型的杂质使半导体有不同的导电类型应用：通过不同的掺杂工艺，把半导体制成各种电子元件，如晶体管电阻率的杂质敏感性log()T

k

T

E

exp

a

B SemiconductorPhysics

20118T半导体：负温度系数金属：正温度系数

温度敏感性纯Si：温度每升高8K，本征载流子载流子浓度增加约1倍，电阻率下降。

光照敏感性CdS(硫化镉)光敏电阻光电导：光照引起半导体电导率增加。光生伏特效应：用适当波长的光照射p-n结，由于内建场的作用，半导体内部产生电动势。－太阳能电池半导体光电子学：探测器，太阳能电池，发光二极管，半导体激光器SemiconductorPhysics

201110SemiconductorPhysics

201110热电效应磁阻效应压阻效应…..三.

半导体的种类元素半导体：Si,Ge（IV族),

CNT，

Graphene化合物半导体III-V

族半导体：GaAs,

InP,Ga1-xAlxAsSemiconductorPhysics

201111II-VI族半导体：ZnS,ZnTeIV-IV

族半导体：SiC非晶半导体:非晶硅，多孔硅有机半导体：高聚物半导体晶体SemiconductorPhysics

201112Poly-SiSiGate

OxideSemiconductorPhysics

201113SemiconductorPhysics

201114四、半导体的发展历史

第一阶段：现象观察

1833年：M.Faraday发现ZnS半导体具有负电阻温度系数

1873年：W.Smith 首次发现Se半导体的光电导效应

1874年：F.Braun 首次发现PbS半导体的整流效应

1879年：Hall首次发现

Hall效应（半导体

RH>0,RH<0)

1897年：T.J.

Thomson发现电子

1931年：H.Dember 首次发现了光电池效应SemiconductorPhysics

201115

第二阶段：理论指导

1930年：开始用量子力学解释半导体现象

1931年：A.H.Wilson

通过解薛定谔方程发展了能带理论

1932年：固体的量子理论提出。

1940年：Russel

Ohl

发明PN结性能。

1942年前后，多位科学家提出了基本类似的整流理论

第三阶段：晶体管诞生1948年：Bardeen,

Brattain,

Shockley

制造了第一个晶体管：锗点接触三极管

(1956年，获NobelPrize)

1949年：提出了PN结晶体管的理论

1951年：W.Shockely用扩散技术制造了结型晶体管

1950年：Bell实验室用直拉法生长出锗单晶

1952年：用直拉法生长出硅单晶，用区熔技术生长锗单晶SemiconductorPhysics

201116SemiconductorPhysics

2011171947年

J.Bardeen,

W.

Brattain,

W.Shockley

(Bell

Lab.)

发明晶体管（点接触Ge晶体管）Point-contact

transistorJ.Bardeen,

W.

Shockley,

and

W.

Brattain(1956Nobel

prize

Laureaet)SemiconductorPhysics

201118SemiconductorPhysics

2011201958年

J.

Kilby（TI）研制成功第一个集成电路J.

KilbySemiconductorPhysics

2011211959年

R.

Noyce（Fairchild）首次利用平面工艺制成集成电路SemiconductorPhysics

20112223“

Turning

potential

intorealities:

theinventionofthe

integratedcircuit”,J.S.Kilby,

2000

Nobel

LectureSemiconductorPhysics

2011SemiconductorPhysics

201124课外参考文献/physics/educational/semiconductors/intro.html“Transistor

technology

evokes

newphysics”,

ShockleyNobel

lecture,

1956“Semiconductor

research

leading

to

the

point

contacttransistor”,

Bardeen

Nobel

lecture,

1956“Surface

properties

ofsemiconductors”,

BrattainNobellecture,

1956SemiconductorPhysics

201125第四阶段：集成电路出现1960年：第一块集成电路问世，集成4个元件1966年：形成大规模集成电路.1971年:

英特尔公司研制出第一块CPU集成电路4004(4位)1973年:

8008(8位)；1978年:

8086(16位)；……晶体管的发明对人类社会的贡献课外读物:

IntelTimline.

PdfSemiconductorPhysics

201126SemiconductorPhysics

2011271958

以后：高技术IC发展，SSIMSILSIVLSI

ULSI

半导体微电子学半导体激光器的发明

半导体光电子学1958以后的几个里程碑1958年

L.

Esaki研制出隧道二极管1950’年代

P.

W.Anderson,

N.

F.

Mott

创立非晶态半导体理论1962~63年

N.

G.Basov

研制出半导体激光器1963年

H.

Kroemer，

Z.

Alferov提出异质结激光器1969~70年

L.

Esaki&R.

Tsu

提出半导体超晶格1980年

K.VonKlitzing

发现量子霍耳效应1982年

D.C.Tsui

发现分数化量子霍耳效应1993年

S.Nakamura

研制出高亮度GaN蓝光发光二极管2004

英国曼彻斯特大学Andre

Geim和Konstantin

Novoselov发现石墨烯，2010年获得Nobel物理学奖集成电路发展的

Moore定律（1965年）:晶体管数目（集成度）每十八个月增长一倍（即每三年增至四倍）80808086802868038680486PentiumPentiumPro中国半导体的发展

1956年，我国把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。在五所大学――北

京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。

1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。复旦大学阮刚教授参与了锗晶体管的研制并得到聂荣臻元帅的接见。

1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。

1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。

1965年12月-1966年，，河北半导体研究所‘上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。

1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）SemiconductorPhysics

201129今天及明天微米

纳米（纳米电子学）

同质结

异质结（能带工程）三维

低维（二维、一维、零维）

普通禁带

宽禁带单晶

多晶（非晶）无机

有机平面三维Thesmallest

Fudan

LogoSemiconductorPhysics

201130SemiconductorPhysics

201130SemiconductorPhysics

201131微电子->

纳电子SemiconductorPhysics

201133Aswe’ve

seen,the

path

to

the

present

was

anythingbut

linear.Even

if

onewere

to

arguethat

the

endpoint

–

planar

silicon

technology

–

was

allbut

inevitable,

there

were

somanyforks

inthe

road

along

the

way

that

the

pathto

the

present

was

by

no

means

unique.Givenhow

the

pastunfolded,

itis

likely

that

the

future

will

evolve

in

a

similarly

randomwalk.Over

the

short

term,

the

future

will

look

like

a

sensible

extensionof

the

present.Over

a

longer

period,

however,

there

will

be

nonlinear

changes

of

a

type

that

are

hard

topredict.

Buteven

ifwecan’tsay

whatthose

changeswill

be,

we

canassert

withconfidence

that

they’ll

happen.Every

generation

seems

to

worry

that

“all

the

good

stuff

has

alreadybeen

invented.”

Asanantidote

to

that

sort

of

thinking,

considerthat

technologyhas

by

no

means

wrung

outall

that

nature

has

to

offer.

Leading-edge

micro-processors

today

consume

onthe

orderof100watts,

but

haveyetto

composeanythingas

sublimeas,say,

theBrahms

pianotrio,Op.

8,

no.1.

The

human

brain

consumes

about

20-25

watts,

and

is

capable

of

the

richarray

of

creative(and

destructive)

behaviors

characteristic

of

our

species.

Thegap

inperformance

between

carbon

andsilicon

is

made

all

the

more

stark

when

we

comparethe

picosecond-level

switching

speeds

of

electronics

to

the

microsecondspeedsofbiology.

Yet,

despitetheapparent

performance

deficit

at

the

device

level,

biology

winsbyanenormous

marginat

a

great

many

tasks.

Nature

has

thus

provided

ampleevidencethat

we

haveonly

scratched

the

surfac