半导体物理绪论
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《半导体物理实验》课程教学大纲
《半导体物理实验》课程教学大纲
一、课程说明
（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；
课程名称：半导体物理实验
所属专业：电子材料与器件工程专业本科生
课程性质：专业必修课
学分: 4
（二）课程简介、目标与任务；
本课程是为物理科学与技术学院电子材料与器件工程专业大四本科生所开设的实验课，是一门专业性和实践性都很强的实践教学课程。开设本课程的目标和任务是使学生熟练掌握半导体材料和器件的制备、基本物理参数以及物理性质的测试原理和表征方法，为半导体材料与器件的开发设计与研制坚定基础。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；
由于是实验课，所以需要学生首先掌握《半导体物理》和《半导体器件》的基本知识，再通过本课程培养学生对半导体材料和器件的制备及测试方法的实践能力。其具体要求包括：1、了解半导体材料与器件的基本研究方法；2、理解半导体材料与器件相关制备与基本测试设备的原理、功能及使用方法，并能够独立操作；3、通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的能力，提高理论学习的主动性。开设本课程的目的是培养学生实事求是、严谨的科学作风，培养学生的实际动手能力，提高实验技能。
（四）教材与主要参考书。
教材：《半导体物理实验讲义》,自编教材
参考书：1. 半导体器件物理与工艺(第三版)，施敏，苏州大学出版社，
2. [美]A.S.格罗夫编,齐健译.《半导体器件物理与工艺》.科学出版社，1976
二、课程内容与安排
实验一绪论
1、介绍半导体物理实验的主要内容
2、学生上课要求，分组情况等
实验二四探针法测量电阻率
半导体物理-绪论
（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。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 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。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
1980－2000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
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 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。
作者/发明者 Braun Round Bardeen、Brattain及Shochley Shockley Ebers Chapin、Fuller及Pearson Kroemer Esaki Kahng及Atalla Hall, et al. Kroemer、Alferov及 Kazarinov Gunn Johnston、Deloach及Cohen Mead Kahng及施敏 Boyle及Smith 张立纲、Esaki及Tsu Mimura,et al. Yano, et al. Yu, et a1.
（3）掺杂半导体电阻率、迁移率随温度的变化。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 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。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
1980－2000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
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 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。
作者/发明者 Braun Round Bardeen、Brattain及Shochley Shockley Ebers Chapin、Fuller及Pearson Kroemer Esaki Kahng及Atalla Hall, et al. Kroemer、Alferov及 Kazarinov Gunn Johnston、Deloach及Cohen Mead Kahng及施敏 Boyle及Smith 张立纲、Esaki及Tsu Mimura,et al. Yano, et al. Yu, et a1.
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
3。纤锌矿型结构
•六角密堆积结构： ABABAB……;
两套六角的套构形成了纤锌矿结构。 每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正
四面体”结构。
主要由II和VI族原子构成，它们的大小、电负性 差异较大。呈现较强的离子性，如：硫化锌、硫 化镉等。
氯化钠型结构结晶
特点：两面心立方沿任 一边移动1/2晶格常数 所套购而成。
§1.2.2 半导体中的电子状态和能带
晶体中运动的电子：在周期性势场中运动 自由电子：处于零势场中运动。
运动具有相似之处。差别：自由电子的势 场为零。
单电子近似模型：晶体中的某个电子在周期性排列的且 固定不动、以及其他大量电子的平均势场中运动。 周期与晶格周期相同。
本节从薛定谔方程出发，可获得它们E(k)~k 关系图， 并作简单比较。
常用参数
• 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm
• 密度： Si : 5.00*1022cm-3,
•
Ge: 4.42*1022cm-3
• 共价键半径： Si : 0.117nm,
•
Ge: 0.122nm.
2.闪锌矿型结构和混合键
在金刚石结构中，若由两 类原子组成，分别占据两 套面心立方，则称为闪锌 矿结构。
式相似。反映出了晶体中电子的波函数实 际上相当于一被调幅的自由电子波。
且uk(x)＝ uk(x+a)
半导体物理学的基础理论与实践
半导体物理学的基础理论与实践半导体物理学是一门拥有着广泛应用前景的学科，它是可用于制造计算机芯片、光电器件以及太阳能电池等应用的关键技术。本文将会一步步带领大家了解半导体物理学的基础理论和实践，以及半导体器件的应用。
一、半导体物理学的基础理论
半导体是指在温度介于绝对零度和室温之间，并且处于能带中禁带宽度较小的晶体。在这种物质中，载流子的有效移动距离较短，因此它不能像金属那样自由地传导电流，但是又比绝缘体的导电性能强些。另一方面，半导体的导电性能是可控的，这一特性使得半导体成为电子学和光电子学领域的重要物质。
1. 导电型
半导体材料包括：纯硅、碳化硅、镓砷化物和硒化铟等物质。其中最常用的是硅、碳化硅和砷化镓。
半导体在实际应用中主要有两种类型：n型半导体和p型半导体。n型半导体中，杂原子掺入后，保持负电荷，产生一些自由电子。p型半导体中，杂原子掺入后，释放一些电子，形成空穴。混合n型和p型半导体的二极管则可以用于电子学器件。
2. PN结构和二极管
一个PN结是由n型和p型的半导体组成的。在PN结中，n型
半导体和p型半导体的电子互相扩散，从而在电子空穴层形成一
个耗能级别。通过控制PN结的扭曲偏置状态，可以改变其电阻和导电特性。利用这种特性，可以制造出二极管。
二、半导体器件的应用
半导体器件可以分为主动器件和被动器件两种类型。主动器件
包括半导体激光、发光二极管和晶体管等，它们能够主动地控制、放大或产生电信号。被动器件包括二极管、电阻器、电容器等，
它们只能被动地传递电信号。
1. 晶体管
晶体管是一种主动器件，它能够控制电流的放大。晶体管的基础是PN结，PN结中的两端通过接插电场的方式改变电子密度。当电场从PN结的一侧施加到另一侧时，二极管的电导率从高到低变化，从而控制了电流的增强和衰减，从而实现放大功能。
半导体物理基础理论
热传导模型
在半导体中，常用的热传导模型包括Fourier定律、Callaway 模型和Peierls模型。这些模型能够描述热传导过程中的热量 扩散、能量传输等现象。
热电效应的原理与应用
热电效应原理
热电效应是指由于温度差异而在物体 两端产生电势的现象。在半导体中， 热电效应主要包括塞贝克效应、皮尔 兹效应和汤姆逊效应等。
迁移率
载流子的迁移率描述了载流子在电场作用下的移动速度。
扩散系数
载流子的扩散系数描述了载流子在浓度梯度作用下的扩散速度。
漂移速度
在电场作用下，载流子的平均漂移速度与电场强度成正比。
04
半导体中的热传导与热电效应
热传导的机制与模型
热传导机制
热传导是热量在物质内部由高温区域向低温区域传递的过程 。在半导体中，热传导主要通过晶格振动和自由电子/空穴的 碰撞来实现。
理论支持。
02
半导体基础知识
半导体的定义与分类
总结词
半导体的定义与分类
详细描述
半导体是指介于金属和绝缘体之间的材料，具有导电性，但导电能力不如金属。根据导电性能，半导体可以分为 n型和p型两种类型。
半导体的能带结构
总结词
半导体的能带结构
详细描述
半导体的能带结构由价带、导带和禁带组成。价带是电子填满的能量范围，导 带是未填满电子的能量范围，禁带是价带和导带之间的能量范围，决定了半导 体的电学性质。
在半导体中，常用的热传导模型包括Fourier定律、Callaway 模型和Peierls模型。这些模型能够描述热传导过程中的热量 扩散、能量传输等现象。
热电效应的原理与应用
热电效应原理
热电效应是指由于温度差异而在物体 两端产生电势的现象。在半导体中， 热电效应主要包括塞贝克效应、皮尔 兹效应和汤姆逊效应等。
迁移率
载流子的迁移率描述了载流子在电场作用下的移动速度。
扩散系数
载流子的扩散系数描述了载流子在浓度梯度作用下的扩散速度。
漂移速度
在电场作用下，载流子的平均漂移速度与电场强度成正比。
04
半导体中的热传导与热电效应
热传导的机制与模型
热传导机制
热传导是热量在物质内部由高温区域向低温区域传递的过程 。在半导体中，热传导主要通过晶格振动和自由电子/空穴的 碰撞来实现。
理论支持。
02
半导体基础知识
半导体的定义与分类
总结词
半导体的定义与分类
详细描述
半导体是指介于金属和绝缘体之间的材料，具有导电性，但导电能力不如金属。根据导电性能，半导体可以分为 n型和p型两种类型。
半导体的能带结构
总结词
半导体的能带结构
详细描述
半导体的能带结构由价带、导带和禁带组成。价带是电子填满的能量范围，导 带是未填满电子的能量范围，禁带是价带和导带之间的能量范围，决定了半导 体的电学性质。
第一章 半导体材料绪论
正、负电阻温度系数
R R
T
T
负电阻温度系数
正电阻温度系数
1.1.3 半导体的特有性质－光电导 效应
1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照 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。
辐射能量和温度的关系
爱因斯坦的光子量子说
1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，提出 光在空间的传播也像粒子一样，称为光子或者光 量子。
单个光子的能量为
hv
玻尔的原子量子模型
Hale Waihona Puke Baidu
1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建 立起原子的量子理论 。
原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具 有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”； 原子在这些轨道上不辐射能量 只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态，才能 吸收或辐射能量。
1.1.2 半导体的特有性质－负电阻温度 系数
法拉第 M. Faraday (1791~1867)，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
半导体器件 绪论
reverts the doping from p type to n type.
2019/9/13
半导体器件物理
34
中国科学技术大学物理系微电子专业 Integrated Nanotube Systems:
Complementary Carbon Nanotube Inverter
VDD
p
Vin
2019/9/13
半导体器件物理
29
中国科学技术大学物理系微电子专业
CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm.
Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.
2019/9/13
半导体器件物理
37
中国科学技术大学物理系微电子专业
Si Nanowires as DNA sensors
Microfluidic process
PNA receptor
PNA-DNA duplex
2019/9/13
Avidin-modified NW was linked with biotinylated PNA probes, and followed by DNA hybridization.
2019/9/13
半导体器件物理
34
中国科学技术大学物理系微电子专业 Integrated Nanotube Systems:
Complementary Carbon Nanotube Inverter
VDD
p
Vin
2019/9/13
半导体器件物理
29
中国科学技术大学物理系微电子专业
CNT is a tubular form of carbon with diameter as small as 1 nm.
Length: few nm to cm. CNT is configurationally equivalent to a two dimensional graphene sheet rolled into a tube.
2019/9/13
半导体器件物理
37
中国科学技术大学物理系微电子专业
Si Nanowires as DNA sensors
Microfluidic process
PNA receptor
PNA-DNA duplex
2019/9/13
Avidin-modified NW was linked with biotinylated PNA probes, and followed by DNA hybridization.
《半导体物理与器件》教学大纲讲解（5篇）
《半导体物理与器件》教学大纲讲解（5篇）
第一篇：《半导体物理与器件》教学大纲讲解
物理科学与技术学院
《半导体物理与器件》教学大纲
课程类别：专业方向
课程性质：必修
英文名称：Semiconductor Physics and Devices 总学时：
讲授学时：48 学分：
先修课程：量子力学、统计物理学、固体物理学等适用专业：应用物理学(光电子技术方向)开课单位：物理科学与技术学院
一、课程简介
本课程是应用物理学专业(光电子技术方向)的一门重要专业方向课程。通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为开展课题设计和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。
二、教学内容及基本要求
第一章：固体晶格结构
（4学时）教学内容： 1.1半导体材料 1.2固体类型 1.3空间晶格1.4原子价键
1.5固体中的缺陷与杂质 1.6半导体材料的生长教学要求：
1、了解半导体材料的特性, 掌握固体的基本结构类型；
2、掌握描述空间晶格的物理参量, 了解原子价键类型；
3、了解固体中缺陷与杂质的类型；
4、了解半导体材料的生长过程。授课方式：讲授
第二章：量子力学初步
（4学时）教学内容：
2.1量子力学的基本原理 2.2薛定谔波动方程
2.3薛定谔波动方程的应用 2.4原子波动理论的延伸教学要求：
1、掌握量子力学的基本原理，掌握波动方程及波函数的意义；
2、掌握薛定谔波动方程在自由电子、无限深势阱、阶跃势函数、矩形势垒中应用；
半导体物理 第1章 半导体中的电子态
子壳层。 不同支壳层的电子分别用1s;2s,2p;3s,3p,3d; 4s…等符号
表示，每一壳层对应于确定的能量。
B、电子的共有化运动(原子相互靠近时)
当原子相互接近: 电子壳层间发生交叠（外壳层交叠最多，内壳层交
叠较少） 电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原
于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整 个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。
布洛赫证明：满足(8)、(9)方程的波函数的解，必 具备如下形式：
(x) uk ( x)ei2 kx
（10）
其中: uk (x) uk (x na)
（11）
即满足方程(8)的波函数必拥有(10)形式的解，该结 论叫布洛赫定理。
具有方程(10)形式的波函数成为布洛赫函数。
布洛赫函数的意义
a
2a 2a
a
第三布里源区： 3 k 1 , 1 k 3
2a
aa
2a
晶体电子能带图的一些特点：
b.能量越高的能带，允带、禁带越宽。(与共 有化运动的对照，说明原因)
c. En(k)也是周期性函数：En(k)=En(k+n/a) 由于周期性，通过平移任一布里渊区(如第一
区)内的能带图均能获得整个k空间能带的分布 情况，则此布里渊区间称为简约布里渊区。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
表示，每一壳层对应于确定的能量。
B、电子的共有化运动(原子相互靠近时)
当原子相互接近: 电子壳层间发生交叠（外壳层交叠最多，内壳层交
叠较少） 电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原
于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整 个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。
布洛赫证明：满足(8)、(9)方程的波函数的解，必 具备如下形式：
(x) uk ( x)ei2 kx
（10）
其中: uk (x) uk (x na)
（11）
即满足方程(8)的波函数必拥有(10)形式的解，该结 论叫布洛赫定理。
具有方程(10)形式的波函数成为布洛赫函数。
布洛赫函数的意义
a
2a 2a
a
第三布里源区： 3 k 1 , 1 k 3
2a
aa
2a
晶体电子能带图的一些特点：
b.能量越高的能带，允带、禁带越宽。(与共 有化运动的对照，说明原因)
c. En(k)也是周期性函数：En(k)=En(k+n/a) 由于周期性，通过平移任一布里渊区(如第一
区)内的能带图均能获得整个k空间能带的分布 情况，则此布里渊区间称为简约布里渊区。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
半导体器件物理与工艺 绪论PPT课件
•提供芯片性能 •提高芯片可靠性 •降低芯片成本
从20世纪60年代早期小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性 能已得到了巨大的提供。判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做 得越小，在芯片上放置得越密，芯片得速度就会提高，这是因为通过电 路得电信号传输距离更短了。提供速度得另一种方法是：使用材料，通 过芯片表面得电路和器件来提高电信号得传输。
一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪出曾被用于将无线 电通信信号从交流转换为直流。包含这种材料的“半导体”一词最初在 德国采用。然而，真正要发展成为半导体技术势力需要全世界物理化学 家和物理学家的参与研究。在半导体特性能被完全解释之前，为了理解 电子行为的量子理论，这项研究斯必需的。这些基础工作延续了几十年 直到第二次世界大战。
装配与封装 硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单 个芯片包装在一个保护管壳内。硅片的背面进行研磨以减小衬底的厚度。 一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带 金刚石的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜保护硅芯片不脱落。 在装配厂，好的芯片被压焊或抽真空形成装配包。稍后，将芯片密封在 塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定 （见下图）。
Robert Noyce(Intel)
Clair Kilby (TI)
从20世纪60年代到现在，这是组织半导体产业发展的有用方法（见 表）。
从20世纪60年代早期小规模集成电路时代以来，半导体微芯片的性 能已得到了巨大的提供。判断芯片性能的一种通用方法是速度。器件做 得越小，在芯片上放置得越密，芯片得速度就会提高，这是因为通过电 路得电信号传输距离更短了。提供速度得另一种方法是：使用材料，通 过芯片表面得电路和器件来提高电信号得传输。
一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪出曾被用于将无线 电通信信号从交流转换为直流。包含这种材料的“半导体”一词最初在 德国采用。然而，真正要发展成为半导体技术势力需要全世界物理化学 家和物理学家的参与研究。在半导体特性能被完全解释之前，为了理解 电子行为的量子理论，这项研究斯必需的。这些基础工作延续了几十年 直到第二次世界大战。
装配与封装 硅片测试/拣选后，硅片进入装配和封装步骤，以便把单 个芯片包装在一个保护管壳内。硅片的背面进行研磨以减小衬底的厚度。 一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后，在正面沿着划片线用带 金刚石的锯刃将每个硅片上的芯片分开。粘的塑料膜保护硅芯片不脱落。 在装配厂，好的芯片被压焊或抽真空形成装配包。稍后，将芯片密封在 塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定 （见下图）。
Robert Noyce(Intel)
Clair Kilby (TI)
从20世纪60年代到现在，这是组织半导体产业发展的有用方法（见 表）。
《半导体物理基础》课件
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
在电场的作用下，载流子会受到电场 力的作用而运动，这种运动称为漂移 。漂移是受外力作用的结果。
载流子输运的物理模型
运动方程
描述载流子在电场中的运动规律。
连续性方程
描述载流子浓度随时间和空间的变化规律。
热平衡方程
描述在没有外界作用时，半导体内部载流子 的分布状态。
05 百度文库导体器件物理
CHAPTER
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
电学性质
不同晶体结构的半导体具有不同的能带结构和载流子 行为，从而影响其电导率和电阻率等电学性质。
光学性质
不同晶体结构的半导体具有不同的光吸收和光发射特 性，影响其光学性质。
半导体物理学
微电子技术发展规律
• 1947年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管， 1947年 贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管， 这是微电子技术发展中一个重要里程碑。 这是微电子技术发展中一个重要里程碑。 • 1958年，美国TI公司研制出了第一块数字IC，这 1958年 美国TI公司研制出了第一块数字IC TI公司研制出了第一块数字IC， 可以说是半导体史上的革命性突破，随后20 20年该 可以说是半导体史上的革命性突破，随后20年该 技术得到了飞速的发展。 技术得到了飞速的发展。 • 自1965年以来，集成电路发展遵循了Intel公司 1965年以来 集成电路发展遵循了Intel 年以来， Intel公司 创始人Gordon 预言的摩尔定律， 创始人Gordon E. Moore 预言的摩尔定律，即每 18个月集成度翻一番 个月集成度翻一番。 18个月集成度翻一番。 • 在21世纪前10年，微电子产业仍将以尺寸不断缩 21世纪前10年 世纪前10 小的硅基CMOS工艺技术为主流。 CMOS工艺技术为主流 小的硅基CMOS工艺技术为主流。
半导体物理
华南理工大学电子与信息学院 蔡 敏 教授
教材及参考书目
• 《 半导体物理学 》 刘恩科 、 朱秉升 、 罗晋生等编 半导体物理学》刘恩科、朱秉升、 著，电子工业出版社 • 《半导体》(美) R.A 史密斯著，高鼎三译 半导体》 史密斯著， • 《半导体物理基础》黄昆、韩汝琦著 半导体物理基础》黄昆、 • 《 半导体器件 物理与工艺 》( 美 ) 施敏 (S.M.Sze) 物理与工艺》 施敏(S (S. 著，王阳元等译 • 《半导体物理学》刘文明著 半导体物理学》
半导体物理学刘恩科第一章p
– 以自由电子为例：
质量 m0 ，以速度 v自由运动的电子，其
动量： p m0v
即：微观粒子
能量： E 1 p2
的德布罗意波 是一种概率波
2 m0
相应的徳布罗意波：
(r,
t)
Aexp[i(k
r t )]
波函数
波矢：
k
大小：k
|
k |
2
方向：波的传播方向
角频率： 2
V hk , E h2k 2
m0
2m0
波矢k描述自由电子的运动状态。
波矢 k 2
2. 晶体中的电子 一维理想晶格
➢布洛赫波函数
– 单电子近似下，电子受到其它电子及离子实的作用以及 其它一切内部作用可归结为一个周期性势场：
U (x) U (x na), n 0, 1, 2,
徳布罗意公式： E h ,
p
k
波函数的意义应从统计角度来解释，即波函数在空间中某 一点的强度与在该点找到粒子的概率成正比
➢微观粒子的波粒二象性
– 注意几点：
1. 德布罗意公式的意义，是将表征粒子性的物 理量和表征波动性的物理量联系起来
2. 德布罗意假说被戴维逊-革末等实验所证实， 说明电子确实具有波动性
p、d态电子：
共有化运动强 能级分裂早
半导体器件物理_1孟庆巨PPT课件
• 每l～2元的集成电路产值可带动10元左右的电子工 业产值，进而能大体带动100元的GDP增长。
.
• 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类
–通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU。
– 集 成 器 件 制 造 商 (IDM— Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系 统。
• 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数 模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
.
集成电路的现状
• 不断提高产品的性能价格比是微电子技术 发展的动力
• 集成电路产业的现状： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundry） 独立的封装厂家（ Packaging)
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相 关的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
▪ M-S 结构 ▪ PN结 ▪ MOS结构 ▪ 异质结 ▪ 量子阱
.
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
MOS场效应晶体管
TFT及其制造技术
.
第一章绪论
➢什么是微电子技术 ➢晶体管的发明和半导体器件的发展 ➢集成电路的发展历史和现状
.
• 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类
–通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU。
– 集 成 器 件 制 造 商 (IDM— Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系 统。
• 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数 模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
.
集成电路的现状
• 不断提高产品的性能价格比是微电子技术 发展的动力
• 集成电路产业的现状： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundry） 独立的封装厂家（ Packaging)
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相 关的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
▪ M-S 结构 ▪ PN结 ▪ MOS结构 ▪ 异质结 ▪ 量子阱
.
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
MOS场效应晶体管
TFT及其制造技术
.
第一章绪论
➢什么是微电子技术 ➢晶体管的发明和半导体器件的发展 ➢集成电路的发展历史和现状
半导体物理绪论
于浩：10212020054@fudan.edu.cn;
王敬轩：10210720071@fudan.edu.cn 王韬：09210720069@fudan.edu.cn
Semiconductor Physics 2011
2
课程简介
教材：《半导体物理学》(第五版) 刘恩科，国防工业出版 社
作业 :10余次。作业在指定的日期之前上交。迟交的作业扣 分。 成绩： 作业（20％）+课堂练习（10%）+期末考试（70%）
1958 以后的几个里程碑
1958年 L. Esaki 研制出隧道二极管 1950’年代 P. W. Anderson, N. F. Mott 创立非晶态半导体理论 1962~63年 N. G. Basov 研制出半导体激光器 1963年 H. Kroemer， Z. Alferov提出异质结激光器 1969~70年 L. Esaki & R. Tsu 提出半导体超晶格 1980年 K. Von Klitzing 发现量子霍耳效应 1982年 D. C. Tsui 发现分数化量子霍耳效应 1993年 S. Nakamura 研制出高亮度GaN蓝光发光二极管 2004 英国曼彻斯特大学Andre Geim和Konstantin Novoselov发现 石墨烯，2010年获得Nobel物理学奖
半导体 10-4~1010
半导体物理学(第一章)
8
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
1。金刚石型晶体结构 。
原子结合形式： 原子结合形式：共价键 晶体结构： 构成一个正四面体， 晶体结构： 构成一个正四面体， 具有 金 刚 石 晶 体 结 构
9
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
具有金刚石型结构的半导体有 具有金刚石型结构的半导体有: 半导体有 元素半导体， 元素半导体，如Si、Ge 、
n=1 2个电子
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Si 半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
原子的能级的分裂 4个原子能级的分裂 个原子能级的分裂
孤立原子的能级
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半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
大量原子的能级分裂为能带
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半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
Si的能带（价带、导带和带隙） 的能带（价带、导带和带隙）
半导体物理学
黄 整
第一章 半导体中的电子状态
教材: 教材
《半导体物理学》，刘恩科等编著 半导体物理学》
参考书： 参考书：
《半导体物理与器件》，Donald 半导体物理与器件》 A.Neamen著，电子工业出版社 著
2
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
什么是半导体？ 什么是半导体？ 固体材料分类：绝缘体、半导体、导体、 固体材料分类：绝缘体、半导体、导体、超导体
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2. 半导体学科发展
• 二十世纪上半页半导体性能和基础器件的 深入认识和发展
• 1907年Round发现电致发光现象：发光二极 管（LED） • 1938年Schottky提出金属-半导体势垒模型 • 1947年贝尔实验室发明晶体管 • 1947年Shockley提出p-n结型晶体管， 1952年提出第一个场效应管, Ebers发明晶 闸管，1958年发明隧道二极管 • 1962年激光二极管（LD）
• MOCVD（金属有机化学气相沉积, Metallic organic CVD)
• MBE（分子束外延, Molecular beam epitaxy)
晶体管的发展历史及其重要里程碑
1947年12月16日：威廉· 邵克雷(William Shockley)、约翰· 巴顿(John Bardeen) 和沃特· 布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。 1950年：威廉· 邵克雷开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这 是现在通行的标准的晶体管。
1968年7月：罗伯特· 诺伊斯和戈登· 摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职， 创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。 1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续 使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16 英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事 业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体 管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富 (Forture) 500强企业排名，《财富(Forture)》杂志将英特尔公司评为“七十大商 业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。
• 20世纪初，量子理论的发现使人们能够更加深入和比 较正确地描述晶体内部微观粒子的运动过程，如爱因斯 坦（A.Enstein）引入量子化概念研究晶格振动；在特 鲁得和洛伦兹的金属自由电子论的基础上，索末菲 (A.Aommerfeld)发展了固体理论，为研究晶体中电 子运动过程指出了方向 • 20世纪30年代，建立固体电子态理论（能带论）和晶 格动力学，固体的能带论提出了导电的微观机理，指出 了导体与绝缘体的区别，找到了半导体物质 • 20世纪四十年代末五十年代初，以硅、锗为代表的半 导体单晶出现并制成了晶体三极管
（3）倒易矢量也可以理解为波矢k，通常用波矢来 描述电子在晶体中的运动状态或晶体的振动状态。 由倒易点阵基矢所张的空间称为倒易空间，可理 解为状态空间（k空间）。正格子所组成的空间是 位置空间或称为坐标空间
• 晶体结构的研究方法
• 倒易空间: 为建立晶体X射线和电子衍射得到的斑点和晶体结构（晶面） 的对应关系
固体材料类型：晶体和非晶体
Leabharlann Baidu
晶体：
固定熔点
凝结过程结晶（有序化）
长程有序（至少在微米量级范围有序排列）
非晶体： 无序 无固定熔点
晶体分为：单晶体和多晶体 单晶体： 长程有序
晶体特征：
*规则的多面体
*晶体的解理性：沿一定的晶
面劈裂 *晶面间夹角守恒：相同结构晶 体晶面或晶棱夹角恒定 *各向异性
晶体结构参数
晶系 三斜 单斜 正交
四方
立方
三角 六方
晶体结构的表征
• 原胞体积： • 晶面，晶向和指数:
原胞体积：Ω＝a1.[a2 ×a3]
• 面指数：在基矢坐标轴上的截距倒数比 具体的面：(100） 相同的晶面簇表示为单形符号：{100}
• 晶向指数：晶面的法向指数
具体方向: [100] 相同的晶向单形符号: <100>
1.半导体物质的出现过程
• 17世纪，惠更斯（C.Huygens）以椭球堆集模 型解释方解石的双折射性质和解理面 • 18世纪，阿羽衣(R.J.Hauy)认为方解石晶体由坚 实的、相同的、平行六面形的小“基石”有规则的 重复堆集而成 • 19世纪中叶，布喇菲(Bravais)发展了空间点阵 说，概括了晶格周期性的特征 • 19世纪末，费多洛夫、熊夫利、巴罗等独立的发 展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步 研究晶体结构的规律提供了理论依据 • 1912年，劳厄(M.von laue)首先指出晶体可以 作为X射线的衍射光栅
SEMICONDUCTOR PHYSICS
半导体物理学
侯艳芳
Email: houyanfang@mail.tongji.edu.cn
课程简介 • 特点
系统性 容量大 仍在飞速发展的学科 了解概念 掌握基本原理 具体问题的简单数学处理
• 学习方法
参考书目：
1. 季振国. 半导体物理. 浙江大学出版社 2.王长安. 半导体物理基础. 上海科学技术出版社 3.冯文修. 半导体物理学基础教程. 国防工业出版社 4.施敏. 半导体器件-物理与工艺. 科学出版社 5.Donald A.Neamen 半导体器件导论 清华大学出版社 6.田敬民. 半导体物理问题与习题. 国防工业出版社
6. 倒易空间及物理意义
（1）利用倒易点阵的概念可以比较方便地导出晶体 几何学中各种重要关系式； （2）利用倒易点阵可以方便而形象地表示晶体的衍 射几何学。例如：单晶的电子衍射图相当于一个 二维倒易点阵平面的投影，每一个衍射斑点与一 个倒易阵点对应。因此，倒易点阵已经成为晶体 衍射工作中不可缺少的分析工具。
• 对称性和反对称性
量子统计概念与规律
Maxwell-Boltzmann 统计规律：认为粒子间可 区分，同一能量上粒子数不限定。 对称性粒子遵守Bose-Einstein统计（玻色系统中粒 子的最概然分布）：光子、介子等玻色子（粒子不可分 辨），同一状态上粒子数不限定。
反对称粒子遵守Fermi－Dirac统计：电子、质子、 中子等费米子（粒子不可分 辨），同一状态上只能有 一个粒子存在。
面心立方
金刚石 （diamond ） 和闪锌矿（zincblende)结构
Diamond structure
Zincblende structure
六方结构hcp
• 晶体结构的周期性：
5. 晶体结构的表征
• 空间点阵：空间规则周期性分布的点阵 --------- 布喇菲点阵学说 空间周期性单元－固体物理学原胞（最小重复单元） • 结晶学晶胞：晶体学对称单元 晶格(正格子)表示：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, a1、a2 和a3为原胞 单元边长矢量。
1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。 1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4 只锗晶体管。 1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特· 诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要 求规格更小的晶体管，即集成电路。 1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登· 摩尔(Gordon Moore)预测，未来一 个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在 Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
1993年：英特尔®奔腾®处理器问世，含有3百万个晶体管，采 用英特尔0.8微米制程技术生产。
1999年2月：英特尔发布了奔腾®III处理器。奔腾III是1x1正方 形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。
2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实 现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500 万个晶体管。 2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括 高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这 是业内首次在生产中采用应变硅。 2003年3月12日：针对笔记本的英特尔®迅驰®移动技术平台诞生，包 括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全 新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万 个晶体管。 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器” 诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。 2006年7月18日：英特尔®安腾®2双核处理器发布，采用世界最复杂的 产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
半导体材料发展是半导体和电子工业发展基础
1917年提出CZ(坩锅直拉法)生长法，1950年用于硅 单晶的生长。 50年代发展的扩散技术和合金技术大幅度提高器 件的性能
半导体材料应用广泛
微电子学：集成电路、量子器件等 光电子学：光伏太阳能电池、半导体激光器、探测 器、 光通讯等
3.物质结构
反相结构（反位，反相畴界）
晶界
•其它缺陷
夹杂 沉淀第二相
8. 常见的半导体材料
半导体元素
常见的半导体材料
Element semiconductors: Si, Ge
9. 量子化概念
• 与经典物理相悖的试验现象
光电效应和入射光的频率相关，和入射光强度无关。
• 物质的波粒二相性
1 2 hv e0 mv 2
倒易空间中的点与正格空间中的一个晶面族相对应
• 倒格子： Kh(r)=h1b1+h2b2+h3b3, b1、b2 和b3为原胞单元边长矢 量
• 正倒空间关系：
ai.bj=2πδij ΩΩ*＝(2π)3，
Ω*＝b1.[b2 ×b3]
Rl(r) ·Kh(r)=2nπ, n为整数 正格子和倒格子的线度关系除2π因子外，互为倒数，正格子线度的量纲为 【米】，倒格子为【米】－1
11.半导体材料的制备
• 体材料
• 直拉单晶（CZ,切可劳斯基生长法，Czochralski method) • 区熔法（Zone refining), 悬浮区熔法（Float-Zone Tech.)
• 膜材料:
外延生长（Epitaxial growth) －在衬底（体材料）材料上生长薄层单晶体 • VPE(气相外延，Vapour phase epitaxy, CVD, PVD) • LPE（液相外延, Liquid phase epitaxy)
E hv
微观粒子表现出波的特性－德布罗意波（de broglie）
h/ p
• 能量分立（Plank能量子概念）
10. 量子统计概念
• 量子力学中全同粒子体系
• 自然界中的粒子：电子，质子，中子，光子，介 子等 • 量子力学中把相同的粒子称为全同粒子,粒子间不 可区分 • 全同粒子体系的基本特征：可观测量的交换对称 性，即对任何两个粒子交换，表征量子态不变
不同生长条件下NaCl晶体的外形:b, c, d
—— 晶体的晶面组合成晶带
—— 晶面的交线是晶棱
相互平行
—— 方向OO’为晶带的带轴
—— 重要的带轴称为晶轴
多晶体：由许多单晶体组
成，无各向异性特点
纳米材料有序长度 在100nm范围内。
4. 晶体结构
SC 简立方
BCC 结构 体心立方
FCC
1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16 位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处 理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和 12.5MHz。 1985年：英特尔386™微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是 最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理 能力，即它可在同一时间运行多个程序。
倒易空间的物理意义
X射线衍射方程： Laue 方程：Rl(r) · 0)=nλ, (S-S 波矢 k=2π/λ·S Rl(r) · 0)= 2nπ, n为整数 (k-k
倒格矢和X射线波矢等价
7. 晶体结构缺陷:
空位、间隙、替位、杂质 • 点缺陷：
• 线缺陷：位错
晶体缺陷的TEM 像：位错
• 面缺陷