半导体物理绪论课件

1、半导体物理-绪论半导体物理联想？定位 课程介绍法国科学家阿尔贝费尔德国科学家彼得格林贝格尔巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。（2007年）近年诺贝尔物理学奖高锟、威拉德博伊尔和乔治史密斯（2009年） 高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，获得物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享另一半奖金。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫 （2010年）“研究

2、二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。 科学：2009年十大科学突破石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜贝尔实验室John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley三人于1947年发明了三极管，因此获得1956年诺贝尔物理奖 1947年 三极管 1958年 集成电路IC 1963年 CMOS IC半导体器

3、件的发展进程1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以（德州仪器公司）TI的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。Intel公司诺宜斯（Robert Noyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。Robert Noyce(Intel)Clair Kilby (TI)集成电路的发明集成电路【Integrated Circuit：IC】 通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装

4、在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。 公元半导体器件作者/发明者1874金属半导体接触Braun1970发光二极管（LED）Round1947双极型晶体管（BJT）Bardeen、Brattain及Shochley1949p-n结Shockley1952可控硅器件（thyristor）Ebers1954太阳能电池Chapin、Fuller及Pearson1957异质结双极型晶体管(HBT) Kroemer1958隧道二极管（tunnel diode） Esaki1960金氧半场效应晶体管(MOSFET) Kahng及Atalla1962激光Hall, et al.1963异质结激光

5、Kroemer、Alferov及 Kazarinov1963转移电子二极管(TED)Gunn1965碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT diode）Johnston、Deloach及Cohen1966金半场效应晶体管(MESFET)Mead1967非挥发性半导体存储器(NVSM)Kahng及施敏1970电荷耦合元件(CCD)Boyle及Smith1974共振隧道二权管张立纲、Esaki及Tsu1980调制掺杂场效应晶体管(MODFET)Mimura,et al.1994室温单电子存储器(SEMC)Yano, et al.200115nm金氧半场效应晶体管Yu, et a1.主要半导体器件

6、列表Semiconductor has become a non-separable part of our world半导体物理半导体材料 / 半导体器件集成电路半导体工业的核心 微电子工艺固体物理学、量子力学地位 以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究半导体中的原子状态；并以固体电子论和能带理论为基础，研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电子过程。半导体物理学是固体物理学的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。 半导体物理学研究什么？ 身为一个电子、光电子、电子材料专业的学生，你可能会问:为什么要学

7、习这门课程？为什么要学习该课程？ 自1998年以来，电子工业是世界上规模最大的工业，其全球销售量超过一万亿美元。而半导体工业正是此工业的基础。要更深入地了解电子学的相关课程，拥有半导体物理的基础知识是必要的，它也可以使你对现代这个由电子技术发展而来的信息时代有所贡献。19802000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止 理由很简单 电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集成、光电集成），集成电

8、路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。从上图中可以得知：半导体物理学为其提供了基础知识，是半导体工业的理论平台。太阳能电池、LED，半导体制冷、IC设计现实需要1、学生考研需要：清华、北大、复旦、中科院及本校，特别是本校学生的面试。2009北大面试题： （1）假设有一nMOS结构，其金属功函数为m，半导体功函数为s，: 且m s，画出其低频C-V曲线，并说明如何确定平带电压。 如果增大该MOS结构的衬底掺杂浓度Na，其C-V曲线将发生怎样的变化？ （2）解释费米能级。 （3）掺杂半导体电阻率、迁移率随温度的变化。 （4）什么是欧姆接触，怎样

9、实现欧姆接触，然后偏衬效应的影响 （5）解释欧姆接触，产生欧姆接触的方法，然后被追问Al和硅会形成什么接触，既然不能直接形成欧姆接触，为什么集成电路中可以用Al做布线。支支吾吾了一分钟，然后被提示是在硅中重掺杂 （6）栅控二极管的横向和纵向能带图 （横向就是画栅和衬底的MIS能带图，纵向就是画源漏和衬底的PN结能带图 ）2、了解最新发展状况：熟悉本专业特色，为今后学习、工作做好准备（有关单位的笔试及面试,中芯国际、凹凸、富士康、华灿、宜昌硅片、天马微电子等），特别是课外科研组、大学生创新计划、课程设计是有关实验经验的基础。(美国常绿与中国珈伟，光谷500兆瓦太阳能项目，投资4.5亿美元)3、出

10、国，杜绝要分现象。4、其他：了解科技成果及应用水立方多晶陶瓷的微观结构 奥运会开幕式舞台和道具的技术应用是一个较大的亮点。场地中央出现的LED屏幕长147米、宽22米，是历届开幕式科技含量最高的一个舞台。该屏幕上共铺设4.4万颗LED。LED制造的光影效果幻化出各种图案，将观众引入梦幻般的世界中。在大量的测试试验后，高科技材料的LED地面完全经得住演员踩踏、水浸等考验。在视觉上，两个卷轴在缓慢地转动着，实际它们没有旋转，只是平移，像两扇门一样。为了造成旋转的效果，技术人员通过不同线束在不同状态下发光的原理，用LED灯渐次熄灭和点亮的原理，制造成旋转的效果。2008年奥运开幕式的科技解读量子点太

11、阳能电池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁带宽度可调；多激子产生 MEG效应突破单 结电池31% 理论极限。低成本：溶液室温成膜，可以与各种基底结合。1半导体中的电子状态3载流子输运4非平衡载流子5pn结6半导体表面与MIS结构7金属和半导体的接触9半导体的光电性质8异质结2半导体中载流子的统计分布本课程主要内容主要涉及半导体中的电子状态和能带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子、金属-半导体接触、半导体表面及MIS结构、异质结、半导体的光电效应等物理现象。理论教学与实践教学相结合，注重培养学生理论联系的实际能力、科学研究的思想方法、创新

12、能力以及工程实践能力等。为毕业生从事微电子、集成电路设计、光电子、电子材料及其相关学科的科学研究、工程设计奠定扎实的理论与实践基础。主要内容 教学大纲四、先修课程: 高等数学、工程数学、普通物理学、 固体电子学基础() 五、课程教学目标: 通过本课程的学习,使学生熟悉半导体物理的基本概念、掌握半导体中微观粒子的基本运动规律及半导体材料的基本性能,了解半导体器件的基本工作原理及其应用,提高分析问题和解决问题的能力,能够用相关理论分析和解决问题,并为后续专业课程打下扎实理论基础。专业基础课六、适用学科专业 ：集成电路设计与集成系统、材料七、基本教学内容与学时安排： 绪论 学时第1章 半导体中的电子

13、状态（4学时）1、半导体的晶格结构和结合性质（1学时）2、半导体中的电子状态和能带（2学时）3、半导体中的杂质和缺陷能级 （1学时） 第2章 半导体中载流子的统计分布（4学时）1、费米能级和载流子的统计分布（2学时）2、半导体的载流子浓度（2学时）第3章 半导体载流子输运（6学时）1、载流子的漂移运动和迁移率、散射（3学时）2、电阻率及其与杂质浓度和温度的关系（3学时）第4章 非平衡载流子（4学时）1、复合理论（2学时）2、爱因斯坦关系式及连续性方程式（2学时）第5章 pn结（4学时）1、pn结及其能带图（2学时）2、pn结特性（2学时）第6章 金属和半导体的接触（4学时）1、金属半导体接触及

14、其能级图（2学时）2、金属半导体接触整流理论（2学时）第7章 半导体表面与MIS结构（3学时）1、表面态及表面电场效应（1学时）2、MIS结构的电容电压特性（2学时）第8章 半导体异质结构（3学时）1、半导体异质结及其能带图（2学时）2、半导体异质结在光电子器件中的应用（1学时）第9章 半导体的光电、热电效应及应用（4学时）1、半导体的光吸收、光电导（1学时）2、光生伏特效应、半导体光电探测、发光（2学时）3、三大热电效应（1学时）总复习、请名家讲课等(4学时)八、教材及参考书半导体物理学（第7版），刘恩科等编著，电子工业出版社，2011.10固体物理学,方俊鑫，陆栋 ，上海科学技术出版社半导体器件物理（第3版）,(美)施敏，（美）伍国钰著，耿莉、张瑞智译，西安交通大学出版