半导体物理绪论

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。
• 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。
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
（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
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>
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)
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。
SEMICONDUCTOR PHYSICS
半导体物理学
侯艳芳
Email: houyanfang@
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
• 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
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）
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。
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
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
固体材料类型：晶体和非晶体

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
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)”。
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。
反相结构（反位，反相畴界）
晶界