半導(dǎo)體物理緒論課件

1、半導(dǎo)體物理-緒論半導(dǎo)體物理聯(lián)想？定位 課程介紹法國(guó)科學(xué)家阿爾貝費(fèi)爾德國(guó)科學(xué)家彼得格林貝格爾巨磁電阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開(kāi)發(fā)的小型大容量計(jì)算機(jī)硬盤(pán)已得到廣泛應(yīng)用。（2007年）近年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)高錕、威拉德博伊爾和喬治史密斯（2009年） 高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，獲得物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬(wàn)瑞典克朗（約合70萬(wàn)美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享另一半獎(jiǎng)金。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫 （2010年）“研究

2、二維材料石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而共享。2004年制成的石墨烯已迅速成為物理學(xué)和材料學(xué)的熱門(mén)話題，現(xiàn)在是世界上最薄的材料，僅有一個(gè)原子厚。在改良后，石墨烯致力于塑造低功率電子元件，如晶體管。相比之下，銅線和半導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生電腦芯片75%的能量消耗，人們確定了石墨烯擁有取代硅留名史冊(cè)的本事。 科學(xué)：2009年十大科學(xué)突破石墨烯微觀結(jié)構(gòu)：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜貝爾實(shí)驗(yàn)室John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley三人于1947年發(fā)明了三極管，因此獲得1956年諾貝爾物理獎(jiǎng) 1947年 三極管 1958年 集成電路IC 1963年 CMOS IC半導(dǎo)體器

3、件的發(fā)展進(jìn)程1952年5月，英國(guó)科學(xué)家G. W. A. Dummer第一次提出了集成電路的設(shè)想。1958年以（德州儀器公司）TI的科學(xué)家基爾比(Clair Kilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果。Intel公司諾宜斯（Robert Noyce）同時(shí)間發(fā)明了IC的單晶制造概念。Robert Noyce(Intel)Clair Kilby (TI)集成電路的發(fā)明集成電路【Integrated Circuit：IC】 通過(guò)一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無(wú)源器件，按照一定的電路互連關(guān)系，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上，并封裝

4、在一個(gè)保護(hù)外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復(fù)雜電子系統(tǒng)。 公元半導(dǎo)體器件作者/發(fā)明者1874金屬半導(dǎo)體接觸Braun1970發(fā)光二極管（LED）Round1947雙極型晶體管（BJT）Bardeen、Brattain及Shochley1949p-n結(jié)Shockley1952可控硅器件（thyristor）Ebers1954太陽(yáng)能電池Chapin、Fuller及Pearson1957異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT) Kroemer1958隧道二極管（tunnel diode） Esaki1960金氧半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) Kahng及Atalla1962激光Hall, et al.1963異質(zhì)結(jié)激光

5、Kroemer、Alferov及 Kazarinov1963轉(zhuǎn)移電子二極管(TED)Gunn1965碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管（IMPATT diode）Johnston、Deloach及Cohen1966金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)Mead1967非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(NVSM)Kahng及施敏1970電荷耦合元件(CCD)Boyle及Smith1974共振隧道二權(quán)管張立綱、Esaki及Tsu1980調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET)Mimura,et al.1994室溫單電子存儲(chǔ)器(SEMC)Yano, et al.200115nm金氧半場(chǎng)效應(yīng)晶體管Yu, et a1.主要半導(dǎo)體器件

6、列表Semiconductor has become a non-separable part of our world半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體材料 / 半導(dǎo)體器件集成電路半導(dǎo)體工業(yè)的核心 微電子工藝固體物理學(xué)、量子力學(xué)地位 以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)；并以固體電子論和能帶理論為基礎(chǔ)，研究半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子過(guò)程。半導(dǎo)體物理學(xué)是固體物理學(xué)的一個(gè)分支，其發(fā)展不僅使人們對(duì)半導(dǎo)體有了深入的了解，而且由此而產(chǎn)生的各種半導(dǎo)體器件、集成電路和半導(dǎo)體激光器等已得到廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體物理學(xué)研究什么？ 身為一個(gè)電子、光電子、電子材料專業(yè)的學(xué)生，你可能會(huì)問(wèn):為什么要學(xué)

7、習(xí)這門(mén)課程？為什么要學(xué)習(xí)該課程？ 自1998年以來(lái)，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的工業(yè)，其全球銷(xiāo)售量超過(guò)一萬(wàn)億美元。而半導(dǎo)體工業(yè)正是此工業(yè)的基礎(chǔ)。要更深入地了解電子學(xué)的相關(guān)課程，擁有半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)是必要的，它也可以使你對(duì)現(xiàn)代這個(gè)由電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)的信息時(shí)代有所貢獻(xiàn)。19802000年的全球國(guó)民生產(chǎn)總值（WGP）及電子、汽車(chē)、半導(dǎo)體和鋼鐵工業(yè)的銷(xiāo)售量，并外插此曲線到2010年止 理由很簡(jiǎn)單 電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)超過(guò)傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)，成為21世紀(jì)的高附加值、高科技的產(chǎn)業(yè)。電子工業(yè)的高速發(fā)展依賴于半導(dǎo)體工業(yè)的快速提高，而在半導(dǎo)體工業(yè)中其核心是集成電路（電集成、光集成、光電集成），集成電

8、路在性能、集成度、速度等方面的快速發(fā)展是以半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件、微電子工藝的發(fā)展為基礎(chǔ)的。從上圖中可以得知：半導(dǎo)體物理學(xué)為其提供了基礎(chǔ)知識(shí)，是半導(dǎo)體工業(yè)的理論平臺(tái)。太陽(yáng)能電池、LED，半導(dǎo)體制冷、IC設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)需要1、學(xué)生考研需要：清華、北大、復(fù)旦、中科院及本校，特別是本校學(xué)生的面試。2009北大面試題： （1）假設(shè)有一nMOS結(jié)構(gòu)，其金屬功函數(shù)為m，半導(dǎo)體功函數(shù)為s，: 且m s，畫(huà)出其低頻C-V曲線，并說(shuō)明如何確定平帶電壓。 如果增大該MOS結(jié)構(gòu)的襯底摻雜濃度Na，其C-V曲線將發(fā)生怎樣的變化？ （2）解釋費(fèi)米能級(jí)。 （3）摻雜半導(dǎo)體電阻率、遷移率隨溫度的變化。 （4）什么是歐姆接觸，怎樣

9、實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，然后偏襯效應(yīng)的影響 （5）解釋歐姆接觸，產(chǎn)生歐姆接觸的方法，然后被追問(wèn)Al和硅會(huì)形成什么接觸，既然不能直接形成歐姆接觸，為什么集成電路中可以用Al做布線。支支吾吾了一分鐘，然后被提示是在硅中重?fù)诫s （6）柵控二極管的橫向和縱向能帶圖 （橫向就是畫(huà)柵和襯底的MIS能帶圖，縱向就是畫(huà)源漏和襯底的PN結(jié)能帶圖 ）2、了解最新發(fā)展?fàn)顩r：熟悉本專業(yè)特色，為今后學(xué)習(xí)、工作做好準(zhǔn)備（有關(guān)單位的筆試及面試,中芯國(guó)際、凹凸、富士康、華燦、宜昌硅片、天馬微電子等），特別是課外科研組、大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃、課程設(shè)計(jì)是有關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)。(美國(guó)常綠與中國(guó)珈偉，光谷500兆瓦太陽(yáng)能項(xiàng)目，投資4.5億美元)3、出

10、國(guó)，杜絕要分現(xiàn)象。4、其他：了解科技成果及應(yīng)用水立方多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu) 奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式舞臺(tái)和道具的技術(shù)應(yīng)用是一個(gè)較大的亮點(diǎn)。場(chǎng)地中央出現(xiàn)的LED屏幕長(zhǎng)147米、寬22米，是歷屆開(kāi)幕式科技含量最高的一個(gè)舞臺(tái)。該屏幕上共鋪設(shè)4.4萬(wàn)顆LED。LED制造的光影效果幻化出各種圖案，將觀眾引入夢(mèng)幻般的世界中。在大量的測(cè)試試驗(yàn)后，高科技材料的LED地面完全經(jīng)得住演員踩踏、水浸等考驗(yàn)。在視覺(jué)上，兩個(gè)卷軸在緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)著，實(shí)際它們沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，只是平移，像兩扇門(mén)一樣。為了造成旋轉(zhuǎn)的效果，技術(shù)人員通過(guò)不同線束在不同狀態(tài)下發(fā)光的原理，用LED燈漸次熄滅和點(diǎn)亮的原理，制造成旋轉(zhuǎn)的效果。2008年奧運(yùn)開(kāi)幕式的科技解讀量子點(diǎn)太

11、陽(yáng)能電池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁帶寬度可調(diào)；多激子產(chǎn)生 MEG效應(yīng)突破單 結(jié)電池31% 理論極限。低成本：溶液室溫成膜，可以與各種基底結(jié)合。1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)3載流子輸運(yùn)4非平衡載流子5pn結(jié)6半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)7金屬和半導(dǎo)體的接觸9半導(dǎo)體的光電性質(zhì)8異質(zhì)結(jié)2半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布本課程主要內(nèi)容主要涉及半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、半導(dǎo)體中的非平衡載流子、金屬-半導(dǎo)體接觸、半導(dǎo)體表面及MIS結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體的光電效應(yīng)等物理現(xiàn)象。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系的實(shí)際能力、科學(xué)研究的思想方法、創(chuàng)新

12、能力以及工程實(shí)踐能力等。為畢業(yè)生從事微電子、集成電路設(shè)計(jì)、光電子、電子材料及其相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)奠定扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。主要內(nèi)容 教學(xué)大綱四、先修課程: 高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、 固體電子學(xué)基礎(chǔ)() 五、課程教學(xué)目標(biāo): 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生熟悉半導(dǎo)體物理的基本概念、掌握半導(dǎo)體中微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律及半導(dǎo)體材料的基本性能,了解半導(dǎo)體器件的基本工作原理及其應(yīng)用,提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,能夠用相關(guān)理論分析和解決問(wèn)題,并為后續(xù)專業(yè)課程打下扎實(shí)理論基礎(chǔ)。專業(yè)基礎(chǔ)課六、適用學(xué)科專業(yè) ：集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)、材料七、基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排： 緒論 學(xué)時(shí)第1章 半導(dǎo)體中的電子

13、狀態(tài)（4學(xué)時(shí)）1、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)（1學(xué)時(shí)）2、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶（2學(xué)時(shí)）3、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí) （1學(xué)時(shí)） 第2章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布（4學(xué)時(shí)）1、費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布（2學(xué)時(shí)）2、半導(dǎo)體的載流子濃度（2學(xué)時(shí)）第3章 半導(dǎo)體載流子輸運(yùn)（6學(xué)時(shí)）1、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率、散射（3學(xué)時(shí)）2、電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系（3學(xué)時(shí)）第4章 非平衡載流子（4學(xué)時(shí)）1、復(fù)合理論（2學(xué)時(shí)）2、愛(ài)因斯坦關(guān)系式及連續(xù)性方程式（2學(xué)時(shí)）第5章 pn結(jié)（4學(xué)時(shí)）1、pn結(jié)及其能帶圖（2學(xué)時(shí)）2、pn結(jié)特性（2學(xué)時(shí)）第6章 金屬和半導(dǎo)體的接觸（4學(xué)時(shí)）1、金屬半導(dǎo)體接觸及

14、其能級(jí)圖（2學(xué)時(shí)）2、金屬半導(dǎo)體接觸整流理論（2學(xué)時(shí)）第7章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)（3學(xué)時(shí)）1、表面態(tài)及表面電場(chǎng)效應(yīng)（1學(xué)時(shí)）2、MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性（2學(xué)時(shí)）第8章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（3學(xué)時(shí)）1、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖（2學(xué)時(shí)）2、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用（1學(xué)時(shí)）第9章 半導(dǎo)體的光電、熱電效應(yīng)及應(yīng)用（4學(xué)時(shí)）1、半導(dǎo)體的光吸收、光電導(dǎo)（1學(xué)時(shí)）2、光生伏特效應(yīng)、半導(dǎo)體光電探測(cè)、發(fā)光（2學(xué)時(shí)）3、三大熱電效應(yīng)（1學(xué)時(shí)）總復(fù)習(xí)、請(qǐng)名家講課等(4學(xué)時(shí))八、教材及參考書(shū)半導(dǎo)體物理學(xué)（第7版），劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社，2011.10固體物理學(xué),方俊鑫，陸棟 ，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社半導(dǎo)體器件物理（第3版）,(美)施敏，（美）伍國(guó)鈺著，耿莉、張瑞智譯，西安交通大學(xué)出版