半导体物理绪论课件

1、半导体物理,Semiconductor Physics 主讲人：杨少林 材料科学与工程学院,1,3,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,Semiconductor Physics 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

2、等教育出版 社（2007）. K. Seeger，Physics of Semiconductor: An Introduction，4th Ed. Springer-Verlag(2004). R. M. Warner, B. L. Grung，Semiconductor-Device Electronics，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,S

3、emiconductor Physics 2011,5,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) 10-610-4,半导体,绝缘体 (dielectrics) 1010, (cm),10-41010,Copper: Good Conductor,Silicon:modera te Conductor,Glass: no conduction,Semiconductor Physics 2011,6,问题1：固体按导电性分，有哪几类，并举

4、例。,Semiconductor Physics 2011,7,二、半导体的主要性质,纯 Si 2105 cm,300 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 expa B,Semiconductor Physics 2011,8,T,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

5、 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,Semiconductor Physics 2011,10,Semiconductor Physics 2011,10,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-xAlxAs,Semiconduc

6、tor Physics 2011,11,II-VI 族半导体：ZnS,ZnTe,IV-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,Semiconductor Physics 2011,12,Poly-Si Si Gate Oxide,Semiconductor Physics 2011,13,Semiconductor Physics 2011,14,四、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

7、PbS半导体的整流效应 1879年：Hall首次发现 Hall效应（半导体 RH0, RH0) 1897年：T.J. Thomson发现电子 1931年：H.Dember首次发现了光电池效应,Semiconductor Physics 2011,15, 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, Shock

8、ley 制造了第一个晶体 管：锗点接触三极管 (1956年，获Nobel Prize) 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,Semiconductor Physics 2011,16,Semiconductor Physics 2011,17,1947年 J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley (Bell Lab.) 发明晶体管（点接触 Ge晶体管）,Point-contact transist

9、or,J. Bardeen, W. Shockley, and W. Brattain (1956 Nobel prize Laureaet),Semiconductor Physics 2011,18,Semiconductor Physics 2011,20,1958年 J. Kilby（TI）研制成功第一个集成电路,J. Kilby,Semiconductor Physics 2011,21,1959年 R. Noyce（Fairchild）首次利用平面工艺制成集成电路,Semiconductor Physics 2011,22,23,“ Turning potential into r

10、ealities: the invention of the integrated circuit”, J.S. Kilby, 2000 Nobel Lecture,Semiconductor Physics 2011,Semiconductor Physics 2011,24,课外参考文献,/physics/educational/semicond uctors/intro.html “Transistor technology evokes new physics”, Shockley Nobel lecture, 1956 “Semicon

11、ductor research leading to the point contact transistor”, Bardeen Nobel lecture, 1956 “Surface properties of semiconductors”, Brattain Nobel lecture, 1956,Semiconductor Physics 2011,25,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: 80

12、86(16位)；,晶体管的发明对人类社会的贡献,课外读物: Intel Timline. Pdf,Semiconductor Physics 2011,26,Semiconductor Physics 2011,27,1958 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 196263年 N. G. Basov 研制出半导体激光器 1963年H. Kroemer，

13、 Z. Alferov提出异质结激光器 196970年 L. Esaki & R. Tsu 提出半导体超晶格 1980年 K. Von Klitzing 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）,8080,8086,80286,80386,80486,

14、Pentium,PentiumPro,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

15、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）,Semiconductor Physics 2011,29,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,The small

16、est Fudan Logo,Semiconductor Physics 2011,30,Semiconductor Physics 2011,30,Semiconductor Physics 2011,31,微电子 -纳电子,Semiconductor Physics 2011,33,As weve seen, the path to the present was anything but linear. Even if one were to argue that the endpoint planar silicon technology was all but inevitable,

17、 there were so many forks in the road along the way that the path to the present was by no means unique. Given how the past unfolded, it is likely that the future will evolve in a similarly random walk. Over the short term, the future will look like a sensible extension of the present. Over a longer

18、 period, however, there will be nonlinear changes of a type that are hard to predict. But even if we cant say what those changes will be, we can assert with confidence that theyll happen. Every generation seems to worry that “all the good stuff has already been invented.” As an antidote to that sort of thinking, consider that technology has by no means wrung out all that nature has to offer. Leading- edge micro-processors today consume on the order of 100 watts, but