修订1半导体物理学绪论

半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第六/七版)，刘恩科等编著， 电子工业出版社
参考:
《 半导体物理学》上册 叶良修编； 《半导体物理学》 顾祖毅编； 《Physics of Semiconductor Devices》 施敏.
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授课重点 1、强调概念理解 2、注重基本理论 3、紧密联系实际
Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
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大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运40 行时间：7min
现代计算机的 发展历史
晶体管的发明
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威廉·肖克利1910,伦敦。美国麻省
理工学院学习量子物理，1936年博士学 位，进入贝尔实验室工作。
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经典理论—能带
M.斯特拉特1927年-波动力学应用到固体中 理论的核心是:“价电子互相独立,就可以对价电子
在固体内的行为得到一个合理的模型, 在平均效应 上, 必须考虑电子间的相互作用 对于晶体来说原子间将会有相互作用,分立的原子 能级扩展为属于整个晶体的能带。由此可引进充 满整个晶体的电子波,这个电子波不是在真空中运 动,而是受到原子场的干扰。
用量子力学讨论了电子在这种势场中的运 动。 V(x)=V(x+na)
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依据薛定谔方程，
波函数是振幅随x做周期变化的平面波，其 变化周期也与晶格的相同；电子在整个晶 体中做共有化运动。
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布里渊(Brillouin)提出布里渊区的概念,后 来他和布洛赫合作用E(k)-k的曲线图说明电 子在周期势场中运动的特征,这使得人们对 能带结构一目了然,有一个完整的认识。
超大规模IC
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计算机的发展史
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计算机经历：电子管 → 晶体管 → 集成电路时代
钨、钼电极 半导体器件
锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜
电子管 电极材料：钨、 钼
由大量电子管组成 的第一台计算机重 30吨，用电相当于1 个小城市
三级电子管 图的大小与实物相当
半导体物理学
Semiconductor Physics
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绪言
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晶体结构
基础
能带结构
主体 应用
载流子 pn结 M/S导体接触 MIS结构
来自百度文库
课程任务
阐述半导体物理的基础理论和半导体的主 要性质，为专业课程和科学研究奠定基础, 拓宽知识领域。
课程学时
32；课堂讲授（PPT）+板书；自学
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德国Rudolf Peierls1929年，指出一个几 乎完全填满的能带，其电特性可以用一些 带正电的电荷来解释--电洞；并提出的微扰 理论，解释了能隙(Energy gap)存在。
1931年英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson) 建立了他的半导体理论--正常状态的电子将 处于能量最小的状态；遵循泡利不相容原 理.
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半导体物理理论发展
1931年英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson)应用量 子理论给出了区分导体、半导体和绝缘体的微观 判据,从而奠定了半导体物理的理论基础。
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1948年发明晶体管, 对半导体的能带结构、 工艺引起能带变化、载流子平衡及输运、 光电特性等进行研究并作出理论解释,从而 发展成为一个完整的理论体系
半导体、绝缘体 电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负 的电阻温度系数→半导体
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百年历史
1904
diode
Si
1947
1952 Dummer 1958 Kilby
transistor IC技术 Ge集成
1954----体积大？？
第一个产品
MOS器件发明，大规模IC产业化
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1985年度诺贝尔物理学奖
1980年冯.克利青(Klausvon Klitzing)发现 了量子霍尔效应这一低维物理现象。半导 体物理的发展经历了从简单到复杂、从三 维到低维、从有序到无序的过程,已发展成 为一个庞大的理论体系,并具有多个分支学 科,象半导体表面物理、半导体超晶格物理 、非晶态半导体物理等,现在仍处在科学研 究的前沿地位。
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晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
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B a r d e e n 提 出 了 表 面 态 理 论 ， Schokley给出了实现放大器的基本 设想，Brattain设计了实验
1947年12月23日，第一次观测到了 具有放大作用的晶体管
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晶体管之父肖克利
4-Hall效应
1879年，E.H.Hall（美国）发现当电流垂 直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于 磁场和电流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。
用于区分半导体和导电差的物质
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霍尔效应此后在测量、自动化、计算机和 信息技术等领域得到了广泛的应用，比如 测量磁场的高斯计。
约翰·巴丁1908年美国，1928年和1929年 在威斯康星大学获得两个学位。又转入普林 斯顿大学攻读固体物理，1936年博士学位。 1945年来到贝尔实验室工作。
沃尔特·布拉顿1902，厦门。1929年明尼 苏达大学博士学位，进入贝尔研究所从事真 空管研究工作。
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1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克 莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、 巴丁等人。
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参考资料： 《半导体物理学》上册 叶良修编； 《半导体物理学》 顾祖毅编；
《Physics of Semiconductor Devices》 施敏.
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半导体发展史
半导体物理学作为凝聚态物理 学的一个分支,己经蓬勃发展了半 个多世纪,并成为一个庞大的、发 展最为迅速的前沿学科。以此理论 为依据生产出的半导体器件在人们 的生产、生活、科研、国防、微电 子、计算机等领域发挥着不可替代 的作用。
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原子内壳层一般都填满,电子能最很高的能 级是空的.类似于原子.品体的能里较低的能 带被电子填满.较高的能带则可能是空的、 半满的或全满的.布洛赫曾指出在外电场的 作用下,导体中的电子可以无阻碍的在完整 的品体中运动:有的不导电的物体.当电子从 电场中接受能最,既被激发到更高的空带中. 也可能产生导电。
50’s PN结、M/S接触理论成熟
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1958年,安德森(P.W.Anderson)提 出了局域态理论,开创了无序系统 研究的新局面,为非晶态半导体物 理的研究莫定了基础。
1970年,江崎(LeoEsaki)等提出可 以通过人工调制能带的方法制备半 导体超晶格,使人们得以对人工调 制的周期性结构独特的物理特性和 二维电子气进行研究。
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6-光电池效应
光生伏特现象
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1909年K.Baedeker,1914年 J.Konigsberger对深入研究霍尔效应发现 半导体中载流子的数目比金属中少的多,但 一般来说它们的迁移率要稍高一些。
1930年左右,技术的应用要求激发对半导体 研究的更大兴趣。C.wagner（德国瓦格纳 ）发现了两种不同类型的半导体,即电子“ 欠缺”半导体和“过剩”半导体；化学组 分小的偏离将影响到化合物半导体的性质 。
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诺伊斯--格林纳尔学院，学习物理、数学两个专业，
擅长游泳，曾获衣阿华州跳水冠军。演奏双簧管，并 在当地电台表演广播连续剧。
经受处分：停学一学期，发配到纽约 市公平人寿保险公司做统计工作。
1949年初，回到格林纳尔，他已焕 然一新。秋天，22岁的诺伊斯考取博士 研究生。博士论文是《对绝缘体表面光
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1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
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获得1956年Nobel 物理奖
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缺点：点接触晶体管--触须接点，很不 稳定，噪声大，频率低，放大功率小， 性能还赶不上电子管，制作又很困难。
晶体管同电子管产生于完全不同的 物理现象，这就暗示晶体管效应有其独 特之处。
除高电导率的金属外，大多数的半导体和 绝缘体都存在这种效应。因此，光电导现 象是半导体的主要特征之一。
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3-整流现象
1873-1874, K.Braun--硫化铅和 黄铁矿--整流现象。什么是整流现 象？ Rectification
在相同的驱动力推动下正向和 逆向的电流幅值大小不同
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他认为:“如果在最高的满带和其上面的空带 间的禁带宽度很人,因此不可能发生电子导
电；如果很小.则电子能被热激发而跳到上 面的带中去.这些激发了的电子导电. Wilson)应用量子理论给出了区分导体、半 导体和绝缘体的微观判据。
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半导体器件发展史
导电性： 固体材料可分成：超导体、导体、
1954年，成就了“本世纪最伟大发明”的晶体 管之父肖克利，离开贝尔实验室返回故乡寻求 发展----硅谷。
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集成电路的发明
在硅谷嘹望山， 肖克利宣布成立半导体实验室。
1956年， 以罗伯特·诺依斯 （N.Noyce）为首的8位年轻的科学家 从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。 他们的年龄都在30岁以下，学有所成， 有获得双博士学位者，有来自大公司 的工程师，有著名大学的研究员和教 授，都处在创造能力的巅峰。
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德鲁德（1863-1906) 洛伦兹H.A.Lorentz, 1853-1928) 索末菲1928年将量子力学应用到固体中解
释电子运动
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经典理论—能带
布洛赫(F.BIueh)：凝聚态物理学、原子物 理学、分子物理学和量子电动力学。
假设原子实位于晶体的格点上,电子仍是在 独立的运动着。电子运动受到势场作用--具 有与晶格相同的周期势场。
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5-电子的发现
1897年，英国物理学家汤姆逊研究认为阴 极射线是由带负电荷的粒子组成的。
带负电的粒子究竟是原子、分子，还是更 小的物质微粒？-测量阴极射线粒子的电荷 与质量的比值-荷质比
无论改变放电管中气体的成分，还是改变 阴极材料，荷质比都不变-不同物质的阴极 射线粒子都是一样的，因此这种粒子必定 是“建造一切化学元素的物质”- “微粒” ，改称“电子”。
1947年12月23日，巴丁和布拉顿把两根触丝放在 锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放 大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体管也 随之诞生了。
布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导 体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对 电流、电压都有放大作用。
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在1948年 6月30日，贝尔实验室首次在纽约 向公众展示了晶体管。这个伟大的发明使许多 专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值，人 们大都表示怀疑。当年7月1日的《纽约时报》 只以8个句子、201个文字的短讯形式报道了本 该震惊世界的这条新闻。在公众的心目中，晶 体管不过是实验室的珍品而已。估计只能做助 听器之类的小东西。
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16K内存器
由大量电子管组成的16K 内存器。图中的女士要 用显微镜才能看到现在 的集成电路16K内存器
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第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
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1-负电阻温度系数
1834年,法拉第发现硫化银电阻能随着温度 的上升而下降----负的温度系数----区分半导 体和金属及一些不良导体----不充分----金属 薄膜同性质。
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2-光电导效应
1873年，W.Smith在实验电路中发现Se的 光电导效应--光照而电阻减小的现象
肖克利当即决定暂时放弃原来追求的 场效应晶体管，集中精力实现一种新型 晶体管 .
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1948年11月，肖克利构思出一种新型晶体管 -“三明治”结构--N型半导体在两层P型半导体 之间。这是一个多么富有想象力的设计啊！可 惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实 验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制 造出第一个PN结型晶体管。