沈阳工业大学《半导体物理》教学PPT第0章.ppt

1、半导体物理学,任课教师,揣荣岩 靳晓诗,课程内容： 在能带理论的基础上，讲述电子在半导体中的分布和运动规律；介绍解决半导体在电学、光学和磁学等方面问题的基本方法；为后续课程奠定理论基础。,掌握：基本概念 基本原理 基本方法（计算）,微电子器件原理,微电子工艺基础,集成电路,微波器件,MEMS,传感器,光电器件,课程地位和知识应用领域,固体物理,半导体物理学,量子力学,1、 半导体物理学 刘恩科 国防工业出版社 2、 半导体物理学 刘文明 吉林大学出版社 3、 半导体器件物理 王家骅 南开大学出版社 4、 半导体器件物理 施敏 （Sze. S.M美） 5、现代半导体器件物理施敏 （Sze. S.

2、M美）,主要参考书,绪论 半导体科技的发展历程,点石成金的的过程，也是近代科学的奇迹！,自从有人类以来，已经过了上百万年的岁月。社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表，从远古的石器时代、到铜器，再进步到铁器时代。现今，以硅为原料的电子组件产值，则超过了以钢为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新的时代，也就是硅的时代。硅所代表的正是半导体组件，包括存储元件、微处理机、逻辑组件、光电组件与侦测器等等在内，举凡电视、电话、计算机、电冰箱、汽车，这些半导体组件无时无刻都在为我们服务。 硅是地壳中最常见的元素，许多石头的主要成分都是二氧化硅，然而，经过数百道工艺做出的硅器件，其价值无与伦比；把石

3、头变成硅芯片是一项点石成金的的过程，也是近代科学的奇迹！,半导体科技发展的三个阶段,1 萌芽阶段 1834年Faraday提出半导体的判定条件（半导体技术进入萌芽阶段） 半导体电阻率界于10-3cm到106cm之间，具有负的电阻温度系数 （金属电阻率小于10-6cm；绝缘体电阻率大于1012 cm；） 1949年W. Shockley提出双极晶体管理论，标志现代半导体理论形成。之后半导体科技进入快速发展阶段。 2 发展阶段 1950-1990年是半导体科技迅速发展时期，是理论完善、新器件层出不穷的阶段。 3 成熟阶段 进入1990年代之后，半导体技术，作为信息产业的基础，逐渐成为世界经济的支柱

4、。,1874年 F.Braun 半导体器件的第1项研究 金属半导体接触,1939年 Schottky 肖特基势垒 理论,1906年pickard 固态点接触整流器,1947年 Shockley ，Bardeen, Brattain 晶体管 (transistor) 点接触式 诺贝尔奖,1949年 Shockley 设想做p-n结 双极晶体管（BJT,萌芽期,第一个点接触式的晶体管 (transistor),成为电子现代工业的基础,Ge 晶体管,获1956年诺贝尔物理奖,1957年 Kroemer 异质结双极晶体管 HBT 诺贝尔奖,1952年 Schockley 结型场效应晶体管JFET 第1

5、个半导体场效应器件,1954年德州仪器做出硅晶体管 Chapin, Fuller, Pearson 做出 硅太阳电池，6,1952年Ebers 闸流管模型 thyristor,1958 1958年Esaki 隧道二极管 诺贝尔奖 快捷公司诺宜 斯平面工艺,进入成长期,1960年 Kahng,Atalla 增强型MOSFET,1962年 Hall, Nathan, Quist 半导体激光器,1963年Gunn 渡越电子二极管 Gunn二极管,1967年 Kahng, Sze 非挥发存储器,1966年 Mead MESFET,1965年Johnston, DeLoach, Cohen IMPATT

6、二极管,1962年 Wanlass、C. T. Sah CMOS技术,1968年 Dennard 单晶体管 DRAM,第一个增强型 MOSFET,利用硅和热氧化生长的二氧化硅，其上为铝栅 沟道长度：25微米 栅氧化层：1000埃,1970年通用微电子(General Microelectronics)与通用仪器公司 (General Instruments)，解决了硅与二氧化硅界面间大量表面态的问题，开发出金氧半晶体管 (metal-oxide-semiconductor， MOS)；,1970年 Boyle, Smith CCD器件,1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二

7、极管,1980年 Mimura, Hiyamizu, Fujii, Nanbu MODFET 调制掺杂场效应晶体管,分水岭： 1970年前发明的器件全部实现商业化,1971年 Intel公司 微处理器,1980年后出 现了大量的 异质结构器件 和量子效应器件,1984年 Luryi, Katalskys, Gossard, Hendel 电荷注入晶体管 CHINT,1984年 Capasso, Kiehl 共振隧穿双极晶体管 RTBT,1985年 Yokoyama, Imamura, Muto, Hiyamizu , Nishi RHET 共振隧穿热电子晶体管,集成电路就是把许多分立组件制作在

8、同一个半导体芯片上所形成的电路。早在1952年，英国的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提出集成电路的构想。1958年9月12日，德州仪器公司(Texas Instruments)的基尔比 (Jack Kilby， 1923 )，细心地切了一块锗作为电阻，再用一块pn结面做为电容，制造出一个震荡器的电路，并在1964年获得专利，首度证明了可以在同一块半导体芯片上能包含不同的组件。1964年，快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺宜斯(Robert Noyce，19271990)，则使用平面工艺方法，即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成电路

9、中，不同组件间导线连结的问题。,集 成 电 路 的 发 展,第一块集成电路，1958， Kilby,Ge 衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743,第一块单片集成电路，1964，快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺宜斯(Robert Noyce，19271990),1958年9月12日，德州仪器公司(Texas Instruments)的基尔比 (Jack Kilby， 1923,1947年：贝尔实验室肖克莱等人发明了晶体管， 1950年：结型晶体管诞生； 1950年： R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺； 1951年：场效应晶体管发明； 1956年：C S

10、 Fuller发明了扩散工艺； 1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别 发明集成电路，开创了世界微电子学的历史； 1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺； 1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管； 1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术， 今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺； 1964年：Intel摩尔提出摩尔定律， 预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍； 1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路， 并研制出第一块门阵列（50门）； 1967年：应用材料公司（A

11、pplied Materials）成立， 现已成为全球最大的半导体设备制造公司；,1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模 集成电路出现； 全球第一个微处理器4004由Intel公司推出， 采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明； 1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802； 1976年：16kb DRAM和4kb SRAM问世； 1978年：64kb DRAM诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路时代来临； 1979年：5MHz微处理器 （Intel 8088, IBM基于8088推出全球第一台PC；）

12、 1981年：256kb DRAM和64kb SRAM； 1984年：1Mb DRAM和256kb SRAM 由日本宣布推出； 1985年：20MHz微处理器80386； 1988年：16Mb DRAM，1平方厘米大小的硅片上集成有3500 万个晶体管 1989年：1Mb DRAM； 1989年：25MHz微处理器 1m工艺， (Intel 486) 50MHz微处理器 0.8m工艺,1992年： 64Mb=8MB DRAM； 1993年：66MHz微处理器0.6工艺(Intel Pentium) 1995年: 133MHz微处理器 0.6-0.35工艺 (Pentium Pro) 1997年

13、：300MHz微处理器0.25工艺 (Pentium II)1999年：1999年：450MHz微处理器 0.25-0.18m工艺 （Pentium III） 2000年: 1Gb=1024Mb=128MB DRAM ； 1.5GHz 微处理器 0.18工艺； （Pentium IV） 2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13工艺。 2003年：Intel Pentium 4 E系列推出，采用90nm工艺。 2005年：Intel 酷睿2系列上市，采用65nm工艺。 2007年: Intel酷睿2 E7/E8/E9上市, 基于全新45nm High-K工艺的。 2009年：Int

14、el酷睿i系列全新推出， 采用了领先的32nm工艺， 并且下一代 22nm工艺正在研发。,在1970年代，决定半导体工业发展方向的，有两个最重要的因素，那就是微处理器 (micro processor)与半导体内存 (semiconductor memory) 。 在微处理器方面： 1968年，诺宜斯和摩尔成立了英特尔 (Intel) 公司，不久，葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了。 1969年，一个日本计算器公司比吉康 (Busicom) 和英特尔接触，希望英特尔生产一系列计算器芯片，但当时任职于英特尔的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出一个单一可程序化芯片，,19

15、71年11月15日，世界上第一个微处理器4004诞生了，它包括一个四位的平行加法器、十六个四位的缓存器、一个储存器 (accumulator) 与一个下推堆栈 (push-down stack)，共计约二千三百个晶体管；4004与其它只读存储器、移位缓存器与随机取内存，结合成MCS-4微电脑系统；从此之后，各种集成度更高、功能更强的微处理器开始快速发展，对电子业产生巨大影响。二十多年后，英特尔的Pentium III已经包含了一千万个以上的晶体管。,在 内存芯片方面：1965年，快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用金氧半技术做成实验性的随机存取内存。1969年，英特尔公司推出

16、第一个商业性产品，这是一 使用硅栅极、p型沟道的256位随机存取内存。,发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元；由于结构简单，密度又高，现今半导体工艺的发展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。,大致而言， 1970年有1K的产品； 1974年进步到4K (栅极线宽10微米)； 1976年16K （5微米）； 1979年64K (3微米)； 1983年256K （1.5微米）； 1986年1M （1.2微米）； 1989年4M (0.8微米)； 1992年16M (0.5微米)； 199

17、5年64M (0.3微米)； 1998年到256M (0.2微米)， 大约每三年进步一个世代，2001年就迈入千兆位大关。,60年代发展出来的平面工艺，可以把越来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上，从1960年的不到十个组件，倍数成长到1980年的十万个，以及1990年约一千万个，这个微芯片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称为摩尔定律 (Moores law)，是Intel创始人摩尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提出的，后来竟成了事实。,2005年左右，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集成的晶体管数目已经超过10亿。,如NEC公司用0.15mCMOS工艺生产的4GB DRAM, 芯片中含44亿个晶体管，芯片面积985.6mm2。英特尔公司用0.25 m工艺生产的333MHz的 奔腾处理器，在一个芯片中集成了750万个晶体管。 集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济效益。工业发达国家竞相投资。我国在“九五” 期间投资100个亿组建了集成电路“909”专项工程。2002年推出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的CPU-龙芯1号，它采用0.18 m工艺生产，主频最高达266MHz。2006年研制的龙芯2号通过使用SPEC CPU2000对龙芯2号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII的性能，是龙芯1号的3-5倍,预见