半导体物理-0

1、半导体物理学,主讲教师: 兰胜 Mobile phone:Email: Website: 办公室: 理4栋511室（Tel: 39190378）,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,2,个人简介,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,3,光电学院超净光学实验室（大学城华师理4栋4楼）,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,4,纳米光子学实验平台 可以开展纳米光子学、非线性光学、超快（瞬态）光学、激光加工/改性、激光光谱学、太赫兹波等领域的实验研究。,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,5,液相外延生长半导体多层材料：InGaP/GaAs,半

2、导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,6,分子束外延生长低维半导体材料：InGaAs/GaAs量子点,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,7,自组织生长InGaAs/GaAs量子点,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,8,ZnO、Si纳米材料、InGaN/GaN量子阱,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,9,半导体产业,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,10,半导体器件的应用,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,11,半导体照明产业（电-光）,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,12,半导体光伏产业（光-电）,半导体物理学 0.绪论 SCN

3、U 光电学院,13,半导体器件的应用,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,14,2000年诺贝尔物理学奖,俄罗斯艾尔菲物理技术学院的阿法洛夫 (Z. I. Alferov)、 美国加州圣塔巴巴拉大学的克洛姆 (H. Kroemer)、 以及美国德州仪器公司的基尔比 (J. S. Kilby)。 得奖理由：研究成果奠定了现代信息科技的基石， 尤其是有关于快速晶体管、激光二极管和集成电路的发明。,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,15,第0章 绪论,一、什么是半导体 (semiconductor) 二、半导体的主要特征 三、半导体的发展历史和现状 四、半导体的明天,半导体物理学

4、0.绪论 SCNU 光电学院,16,一、什么是半导体 (semiconductor)？,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,17,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,18,晶体能带结构示意图,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,19,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,20,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,21,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,22,二、半导体的主要特征: 电阻率可在很大范围内变化,例子：杂质对半导体电阻率的影响 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯

5、度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,23,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,24,三、半导体的发展历史和现状,第一阶段：现象观察(1833-1931年) 1833年：M.Faraday发现半导体所具有的负电阻温度系数 1873年：W.Smith 首次发现半导体的光电导效应,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,25,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,26,第二阶段：理论指导,1931年：A.H.Wilson 通过解薛定谔方程发展了能带理论 1942年前后，多位科学家提出了基

6、本类似的整流理论,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,27,第三阶段：晶体管诞生,1947年：Bardeen等人制造了第一个晶体管,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,28,第四阶段：集成电路出现,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,29,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,30,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,31,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,32,莫尔定律,每过18个月，器件的集成度提高一倍， 而特征线宽则降低一半（指数增加或减小）,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,33,现在集成电路的规模，正在以平均12年翻一番的速度

7、在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小规模 中规模 大规模 超大规模 超超大规模 超亿规模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 理论集成度 10-100 1001000 100010万 10万100万 100万1亿 1亿 商业集成度 1 10 1001000 10002万 2万5万 50万 1000万 触发器 计数器 单片机 16位和32位 图象 SRAM 加法器 ROM 微处理器 处理器 128位CPU,（1）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线 （2）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条） （生产环境：超净车间） （3）芯片面积增

8、大，从15 mm2到现在的1cm2,1967年在一块晶片上完成1000个晶体管的研制成功。,集成电路集成度的提高主要依靠三个因素,由于现在这三方面都有所突破，所以集成规模发展很快.这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？,77年美国30mm2制作13万个晶体管，即64K位DRAM。,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,34,目前使用的16兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.5 微米， 64兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.3 微米，继续发展可望达到0.01微米；目前正在研发阶段。 0.01微米的概念 0.01微米=0.01mm=10nm=100 相当于30个原子排成一列的长度。,集

9、成电路的技术发展是否有极限？,在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？,如果“有”，它的极限是多少？还有没有新的方法以求得继续发展。,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,35,30个原子排成一列的长度。这一尺寸在半导体集成电路中，已经成为极限，再小PN结的理论就不存在了，或者说作为电子学范畴的集成电路已达极限，就会从电子学跃变到量子工学的范畴，由量变到质变，随之而来的一门新的工程学对量子现象加以工程应用的“量子工学”也就诞生了，由这一理论指导而将做成的量子器件，将延续集成电路的发展。 现在美国和日本正投入大量的人力和物力进行这方面的研究，并且在“原子级加工”方面取得了一定的成果。 我国在

10、这方面也有大的投入。,集成电路的技术发展是否有极限？,在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？,如果“有”，它的极限是多少？还有没有新的方法以求得继续发展。,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,36,第五阶段：能带工程提出,1970年：Esaki(江琦提出超晶格半导体的概念 1971年：生长出GaAs/AlGaAs超晶格材料,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,37,能带工程的应用例1,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,38,能带工程的应用例2,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,39,能带工程的应用例3,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,40,四、半

11、导体的明天,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 半导体：一个充满前途的领域！,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,41,课程特点：内容广、概念多 课程要求：着重物理概念及物理模型；基本的计算公式课程 考核：考勤（10%），作业（0%），期末（90%）,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,42,课程所涉及的知识结构,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,43,教材,半导体物理学刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社, 第 7 版 出版时间：2011-03 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 I S B N ：9787121129902,半导体物理学 0.绪论 SCNU 光电学院,44,参考书,固体物理导论， 美 C.基泰尔(Charles Kitte)著 化学工业出版社，2005年9月 第 1 版 固体物理学 基础教程，沈以赴 著 化学工业出版社，2005年5月 第 1 版 半导体物理基础黄昆、韩汝琦著 半导体物理学叶良修，高等教育出版社（1987） 半导体物理与器件-基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen著 半导体器件物理与工艺(美)A.S.格罗夫著，齐建译 半导体器件