半导体物理学 前言

1、半导体物理学1教材半导体物理学 刘恩科 国防工业出版社 建议120学时，现有36学时2本课程主要内容1. 半导体的电子状态2. 半导体中的杂质和缺陷能级3. 半导体中载流子的统计分布4. 半导体的导电性5. 非平衡载流子6. p-n结7. 金属和半导体的接触10. 半导体的光学性质与光电现象3半导体材料课程广泛地介绍半导体材料的概念和基本性质半导体材料的分类：1. 按导电性分类2. 按能带论分类3. 从组成和元素分类4. 按功能和应用分类4（1） 导电性良导体：电阻率10-6 .cm绝缘体： 1012 1022 .cm半导体： 10-6 1012 .cm 通常： 10-3 109 .cm5（2

2、）化学组成和结构元素半导体：Si，Ge化合物半导体：GaAs，ZnO固溶体半导体：AlGaAs，SiGe非晶半导体：非晶硅微结构半导体：多晶硅有机半导体等6（3）使用功能电子材料光电材料传感材料热电致冷材料等 7（4）能带结构直接带隙半导体间接带隙半导体宽带隙半导体窄带隙半导体81）首次报道半导体伏特 A. Volta (17451827)，意大利物理学家国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的

3、“半导体”。他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor”（半导体）一词。92）负电阻温度系数法拉第 M. Faraday (17911867)，英国英国物理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料，发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升高，电阻值下将。负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一10正、负电阻温度系数 负电阻温度系数 正电阻温度系数RRTT113）光电导效应1873年，英国史密斯W.R. Smith用

4、光照在硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。光电导效应是半导体材料的特有性质之二照片12光电导示意图134）整流效应布劳恩 K.F. Braun (18501918)，德国物理学家。布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理学奖。1874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。 整流效应是半导体材料的特有性质之三照片14伏安特性I 电流V 电压0

5、正向反向155） 光生伏特效应1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏打效应。光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%。光生伏特效应是半导体材料的特有性质之四照片16光生伏特效应176）霍尔效应1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁

6、移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五照片18霍尔效应示意图BZIxvfBP型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向LbdfExyz19半导体的五大特性负电阻温度系数光电导效应整流效应光生伏特效应霍尔效应在1880年就发现了半导体材料的五大特性，现代微电子技术的发展也正是依据半导体材料的五大特性但在19世纪，半导体科学却没有取得迅猛的发展20受到限制的主要原因1. 半导体材料的不纯半导体材料，先进薄膜沉积技术，半导体单晶制备技术2. 半导体物理理论的不完善半导体物理学211）半导体材料方面当时的一个重大任务：如

7、何制备出高纯度的半导体材料以实现可控的半导体导电类型和导电能力。因而促使了半导体工艺技术的发展： 半导体提纯技术，真空感应拉制单晶，区域熔 炼等22四十年代：制备出了纯度达9个9和10个9的高纯度元素半导体锗、硅单晶。P型半导体、N型半导体的制备。1950年，R. Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺；1956年，S. Fuller发明了扩散工艺； 1960年，H. Loor和E. Castellani发明了光刻工艺23半导体体单晶生长技术1950年，蒂尔（G.K. Teal）用直拉法制备出了 Ge单晶。体单晶基本上是由熔体生长法制成241948年：第一只半导体晶体管诞生，晶体管的放大作用的发现（

8、贝尔实验室：肖克利，巴丁，布拉坦）251958年，德州仪器的基尔比发明了第一块用Ge材料制成的集成电路1958年，仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材料制成的集成电路261960年，MOS场效应管60年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展中的一次飞跃。它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。27集成电路的种类按功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类；集成电路按其制作工艺不同，可分为半导体集成电路、膜集成

9、电路和混合集成电路三类；器件的结构类型可以分为双极型集成电路和MOS集成电路按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类。 集成电路的集成度指单块芯片上所容纳的原件数目。集成度越高，容纳的原件数目越多。28摩尔定律1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半”，这个被称为“摩尔定律”的预言成为了以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。29Moore定律10

10、 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量 每三年，翻两番1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番30微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAP)MooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth318080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989

11、)Pentium(1993)Pentium II (1997)Pentium III (1999)Pentium IV (2000)Pentium D (2005)酷睿 2 双核(2006) 酷睿2 四核(2007) 32特征尺寸技术上一般将晶体管的半节距作为集成电路每个技术节点的检验标志，称为加工特征尺寸。晶体管尺寸缩小是集成电路集成度增加、性能提高的主要方法，但是晶体管的尺寸缩小必将有一个极限。年代特征尺寸2001130 nm200490 nm200765 nm201045 nm201332 nm201622 nm202210 nm33摩尔定律的极限1. 功耗的问题 存储器工作靠的是成千上

12、万的电子充放电实现记忆的。当芯片集成度越来越高，耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题？2. 掺杂原子均匀性的问题 一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎么保证在每一个器件的杂质原子的分布是一模一样呢？是硅微电子技术发展遇到的又一个难题。343. SiO2层量子遂穿漏电的问题 CMOS器件的栅极和沟道中间有一层绝缘介质SiO2，随着器件尺寸的减小，SiO2的厚度也在减小，当减小到几个纳米的时候，即使你加一个很小的电压，它就有可能被击穿或漏电，这个时候沟道电流就难以控制了。量子隧穿漏电是硅微电子技术所遇到的另一个问题。4. 量子效应的问题 如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应

13、就不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不适用了。35新的思路1. 量子计算机 量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。 2. 光子计算机 光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。363. 生物计算机 生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。 4. 纳米计算机 纳米技术研制的计算机内存芯片，其

14、体积不过数百个原子大小。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。371874年 F.Braun金属半导体接触氧化铜、硒整流器、曝光计1879年Hall效应K.Beadeker半导体中有两种不同类型的电荷 1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain锗晶体管 (transistor)点接触式的硅检波器1940187019301950硅晶体管381955年德国西门子氢还原三氯硅烷法制得高纯硅1950年G.K.Teel直拉法较大的锗单晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅单晶1957年 第一颗砷化镓单晶诞生196019501952年H.W

15、elker发现-族化合物 1958年W.C.Dash无位错硅单晶391963年 用液相外延法生长砷化镓外延层，半导体激光器1963年砷化镓微波振荡效应19701960硅外延技术1965年J.B.Mullin发明氧化硼液封直拉法砷化镓单晶40半导体材料和元素周期表41锗的分布锗在地壳中含量约为210-4%，但分布极为分散，常归于稀有元素；1. 在煤和烟灰中；2. 与金属硫化物共生；3. 锗矿石Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子材料目前，Ge电子器件不到总量的10%，主要转向红外光学等方面。42锗的制取锗来源稀少，通常先将各种锗废料氯化成四氯化锗；制取的四氯

16、化锗经过精馏，萃取等提纯水解生成二氧化锗；用氢气还原成高纯锗进一步区熔提纯成高纯锗43硅的分布硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6，在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。44Si单晶8英寸（200mm）已实现大规模工业生产12英寸（300mm）2005年全球16个工厂18英寸2007年可投入生产27英寸研制正在积极筹划45GaAsIII-V族化合物半导体性质（1）带隙较大带隙大于1.1eV（2）直接跃迁能带结构 光电转换效率高（3）电子迁移率高高频、高速器件46GaAs电学性质电子的速度有效质量越低，电子速度越快GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/

17、3用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快34倍高频器件，军事上应用47GaAs光学性质直接带隙结构发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等48砷化镓与硅元件特性比较49GaAS和InP世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨。 -以低位错密度生长的23英寸的导电GaAs衬底材料为主。InP比GaAs 具有更优越的高频性能， 发展的速度更快； 研制直径3英寸以上大直径的InP 单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。50半导体超晶格、量子阱GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟。已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。51目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si应变层超晶格材料 新一代移动通信。硅基应变异质结构材料Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其性能可与GaAs器件相媲美。52基于 低维