半導(dǎo)體物理-0

1、半導(dǎo)體物理學(xué),主講教師: 蘭勝 Mobile phone:Email: Website: 辦公室: 理4棟511室（Tel: 39190378）,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,2,個(gè)人簡(jiǎn)介,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,3,光電學(xué)院超凈光學(xué)實(shí)驗(yàn)室（大學(xué)城華師理4棟4樓）,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,4,納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 可以開(kāi)展納米光子學(xué)、非線性光學(xué)、超快（瞬態(tài)）光學(xué)、激光加工/改性、激光光譜學(xué)、太赫茲波等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究。,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,5,液相外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體多層材料：InGaP/GaAs,半

2、導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,6,分子束外延生長(zhǎng)低維半導(dǎo)體材料：InGaAs/GaAs量子點(diǎn),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,7,自組織生長(zhǎng)InGaAs/GaAs量子點(diǎn),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,8,ZnO、Si納米材料、InGaN/GaN量子阱,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,9,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,10,半導(dǎo)體器件的應(yīng)用,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,11,半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)（電-光）,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,12,半導(dǎo)體光伏產(chǎn)業(yè)（光-電）,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCN

3、U 光電學(xué)院,13,半導(dǎo)體器件的應(yīng)用,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,14,2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),俄羅斯艾爾菲物理技術(shù)學(xué)院的阿法洛夫 (Z. I. Alferov)、 美國(guó)加州圣塔巴巴拉大學(xué)的克洛姆 (H. Kroemer)、 以及美國(guó)德州儀器公司的基爾比 (J. S. Kilby)。 得獎(jiǎng)理由：研究成果奠定了現(xiàn)代信息科技的基石， 尤其是有關(guān)于快速晶體管、激光二極管和集成電路的發(fā)明。,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,15,第0章 緒論,一、什么是半導(dǎo)體 (semiconductor) 二、半導(dǎo)體的主要特征 三、半導(dǎo)體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 四、半導(dǎo)體的明天,半導(dǎo)體物理學(xué)

4、0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,16,一、什么是半導(dǎo)體 (semiconductor)？,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,17,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,18,晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,19,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,20,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,21,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,22,二、半導(dǎo)體的主要特征: 電阻率可在很大范圍內(nèi)變化,例子：雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體電阻率的影響 微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 以純硅中每100萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時(shí) 硅的純

5、度仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至0.2cm以下,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,23,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,24,三、半導(dǎo)體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,第一階段：現(xiàn)象觀察(1833-1931年) 1833年：M.Faraday發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體所具有的負(fù)電阻溫度系數(shù) 1873年：W.Smith 首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,25,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,26,第二階段：理論指導(dǎo),1931年：A.H.Wilson 通過(guò)解薛定諤方程發(fā)展了能帶理論 1942年前后，多位科學(xué)家提出了基

6、本類似的整流理論,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,27,第三階段：晶體管誕生,1947年：Bardeen等人制造了第一個(gè)晶體管,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,28,第四階段：集成電路出現(xiàn),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,29,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,30,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,31,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,32,莫爾定律,每過(guò)18個(gè)月，器件的集成度提高一倍， 而特征線寬則降低一半（指數(shù)增加或減?。?半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,33,現(xiàn)在集成電路的規(guī)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 小規(guī)模 中規(guī)模 大規(guī)模 超大規(guī)模 超超大規(guī)模 超億規(guī)模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 理論集成度 10-100 1001000 100010萬(wàn) 10萬(wàn)100萬(wàn) 100萬(wàn)1億 1億 商業(yè)集成度 1 10 1001000 10002萬(wàn) 2萬(wàn)5萬(wàn) 50萬(wàn) 1000萬(wàn) 觸發(fā)器 計(jì)數(shù)器 單片機(jī) 16位和32位 圖象 SRAM 加法器 ROM 微處理器 處理器 128位CPU,（1）設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，簡(jiǎn)化電路，合理布局布線 （2）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細(xì)線條） （生產(chǎn)環(huán)境：超凈車間） （3）芯片面積增

8、大，從15 mm2到現(xiàn)在的1cm2,1967年在一塊晶片上完成1000個(gè)晶體管的研制成功。,集成電路集成度的提高主要依靠三個(gè)因素,由于現(xiàn)在這三方面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問(wèn)題？,77年美國(guó)30mm2制作13萬(wàn)個(gè)晶體管，即64K位DRAM。,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,34,目前使用的16兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.5 微米， 64兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.3 微米，繼續(xù)發(fā)展可望達(dá)到0.01微米；目前正在研發(fā)階段。 0.01微米的概念 0.01微米=0.01mm=10nm=100 相當(dāng)于30個(gè)原子排成一列的長(zhǎng)度。,集

9、成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？,在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？,如果“有”，它的極限是多少？還有沒(méi)有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,35,30個(gè)原子排成一列的長(zhǎng)度。這一尺寸在半導(dǎo)體集成電路中，已經(jīng)成為極限，再小PN結(jié)的理論就不存在了，或者說(shuō)作為電子學(xué)范疇的集成電路已達(dá)極限，就會(huì)從電子學(xué)躍變到量子工學(xué)的范疇，由量變到質(zhì)變，隨之而來(lái)的一門(mén)新的工程學(xué)對(duì)量子現(xiàn)象加以工程應(yīng)用的“量子工學(xué)”也就誕生了，由這一理論指導(dǎo)而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展。 現(xiàn)在美國(guó)和日本正投入大量的人力和物力進(jìn)行這方面的研究，并且在“原子級(jí)加工”方面取得了一定的成果。 我國(guó)在

10、這方面也有大的投入。,集成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？,在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？,如果“有”，它的極限是多少？還有沒(méi)有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,36,第五階段：能帶工程提出,1970年：Esaki(江琦提出超晶格半導(dǎo)體的概念 1971年：生長(zhǎng)出GaAs/AlGaAs超晶格材料,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,37,能帶工程的應(yīng)用例1,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,38,能帶工程的應(yīng)用例2,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,39,能帶工程的應(yīng)用例3,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,40,四、半

11、導(dǎo)體的明天,微米納米（納米電子學(xué)） 同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)（能帶工程） 三維低維（二維、一維、零維） 普通禁帶寬禁帶 單晶多晶（非晶） 無(wú)機(jī)有機(jī) 半導(dǎo)體：一個(gè)充滿前途的領(lǐng)域！,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,41,課程特點(diǎn)：內(nèi)容廣、概念多 課程要求：著重物理概念及物理模型；基本的計(jì)算公式課程 考核：考勤（10%），作業(yè)（0%），期末（90%）,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,42,課程所涉及的知識(shí)結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,43,教材,半導(dǎo)體物理學(xué)劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社, 第 7 版 出版時(shí)間：2011-03 普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 I S B N ：9787121129902,半導(dǎo)體物理學(xué) 0.緒論 SCNU 光電學(xué)院,44,參考書(shū),固體物理導(dǎo)論， 美 C.基泰爾(Charles Kitte)著 化學(xué)工業(yè)出版社，2005年9月 第 1 版 固體物理學(xué) 基礎(chǔ)教程，沈以赴 著 化學(xué)工業(yè)出版社，2005年5月 第 1 版 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)黃昆、韓汝琦著 半導(dǎo)體物理學(xué)葉良修，高等教育出版社（1987） 半導(dǎo)體物理與器件-基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen著 半導(dǎo)體器件物理與工藝(美)A.S.格羅夫著，齊建譯 半導(dǎo)體器件