修订1半导体物理学绪论
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绪论-半导体器件可靠性物理
•金铝合金 •管腿腐蚀
•电迁移
•管腿损伤
•铝腐蚀
•漏气
•铝划伤
•外来物引起漏短路
•铝缺口
•绝缘珠裂缝
•台阶断铝 •标志不清
•过电应力烧毁
• 键合缺陷引起的失效：键合颈部损伤、键合强度不够、键合面沾污金－铝合金、
键合位置不当、键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片。
• 表面劣化机理：钠离子沾污引起沟道漏电、辐照损伤，表面击穿、表面复合引
课程的重点
绪论
是什么？ 干什么？ 为什么学？ 学什么？
绪论
半导体可靠性物理学
产生过程
产生背景
其产生与其他边缘性学科(例如，环境工程学，系统工程学， 生物工程学)一样，是科学技术发展的必然。随着电子系统的
发展，其复杂性和可靠性成了尖锐的矛盾，系统越复杂，所用 元器件越多，失效的概率就越大，即可靠性越不易保证。
绪论
主要的失效机理
指器件失效的实质原因。即引起器件失效的物理或化学过程。
设计问题引 起的缺陷
体内退化 机理
氧化层 缺陷
金属化系 统退化
封装退化 机理
•版图 •工艺方案 •电路和结构
•二次击穿 •CMOS闩锁效应 •中子辐射损伤 •重金属沾污 •材料缺陷
•针孔 •厚度不均匀 •接触孔钻蚀 •介质击穿等
两个概念
研究领域和任务
强调两个概念：器件的失效和退化
在目前许多的文献中，二者是等效的。但严格地讲，二者有区别。
共同之处：器件特性偏离了正常指标
不同之处：失效－更强调出现不正确的器件、电路 功能
本课程中，二者可互相替换。
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务
半导体物理_01基础知识概论
3、晶体中电子的状态——布洛赫定理与波函数的形式
波函数的形式——布洛赫定理证明：
定义平移算符Tˆ
r am
:
Tˆ
r am
f
xr
f
xr
mar
特点：Tˆ arm Tˆ arn Tˆ arn Tˆ arm 互易性
可以证明：Tˆ
r am
Hˆ
xr
HˆTˆ
r am
xr
Hˆ
xr
mar
因此，若 xr 是 Hˆ 的本征函数，则经过平移后的 xr mar
− N个Si原子组成晶体，形成的两个能带不与s、p能级相对
应，它们都包含2N个状态，各可容纳4N个电子：下面一个 能带填满4N个价电子，通常称为满带(价带)；上面一个能带 是空的，称为空带(导带)；二者之间是不允许电子状态存在 的禁区——禁带。
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)1
1、数学物理模型和近似
0
a
k
a
布里渊区按照E(k)的不连续点进行划分，对于一维晶体：
第一布里渊区 第二布里渊区
k
a
a
2 k ,
a
a
k 2
a
a
禁带在布里渊区边界，允带 在布里渊区之内
以此类推，有第三、第四布里渊区
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)11
3、晶体中电子的状态——布里渊区与能带 − E~ k关系的不连续点对应禁带，在布里渊区边界；
uk x na uk x
以上就是布洛赫定理
自由电子波函数
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)7
3、晶体中电子的状态——晶体中的电子与自由电子的比较 ➢ 波函数形式相似
半导体物理 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
半导体器件和集成电路采用 的半导体材料都是接近完美的单 晶材料，
制备完美单晶半导体的研究， 当然是材料学家或者结晶学家的 职责，不过，一些基本概念我们 也应该知道。
Semiconductor Physics
Chapter 1
人们在生产和生活实践中早就 发现自然界中许多固体具有高度对 称的、规则的外形。当时，把这类 外形规则的固体称为晶体。 进—步，发现晶体的许多物理 性质都与它们外形的规则性有关， 如总沿—定方位的解理面劈裂等， 使人们联想到晶体外形的规则性可 能是它们内部结构规则性的反映。
Chapter 1
归纳起来 内部原子 ( 离子或分子 ) 排列 具有规则性和周期性是晶体的主耍 特征。 整块材料中内部原子都是有规 则、周期地重复排列起来的晶体称 为单晶体。 多晶体由大量微小 (线度在 0.01 毫米以下 )的晶粒所组成，
Semiconductor Physics
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
NaCl 晶体的单胞通常选择图示立方
体
Na+ Cl -
c
b
a Semiconductor Physics
Chapter 1
现在计算该单胞中合有多少 个布拉伐格点。 立方体共有六个面。整体看， 每个面心格点被两个立方体平分， 因而平均说来，它对一个立方体 的贡献是 1／2。 立方体在八个顶角有八个格 点，而每个顶角格点又被八个立 方体所平分，每个顶角格点对方 方体的贡献是1／8。
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
Chapter 1
半导体器件和集成电路采用 的半导体材料都是接近完美的单 晶材料，
制备完美单晶半导体的研究， 当然是材料学家或者结晶学家的 职责，不过，一些基本概念我们 也应该知道。
Semiconductor Physics
Chapter 1
人们在生产和生活实践中早就 发现自然界中许多固体具有高度对 称的、规则的外形。当时，把这类 外形规则的固体称为晶体。 进—步，发现晶体的许多物理 性质都与它们外形的规则性有关， 如总沿—定方位的解理面劈裂等， 使人们联想到晶体外形的规则性可 能是它们内部结构规则性的反映。
Chapter 1
归纳起来 内部原子 ( 离子或分子 ) 排列 具有规则性和周期性是晶体的主耍 特征。 整块材料中内部原子都是有规 则、周期地重复排列起来的晶体称 为单晶体。 多晶体由大量微小 (线度在 0.01 毫米以下 )的晶粒所组成，
Semiconductor Physics
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
NaCl 晶体的单胞通常选择图示立方
体
Na+ Cl -
c
b
a Semiconductor Physics
Chapter 1
现在计算该单胞中合有多少 个布拉伐格点。 立方体共有六个面。整体看， 每个面心格点被两个立方体平分， 因而平均说来，它对一个立方体 的贡献是 1／2。 立方体在八个顶角有八个格 点，而每个顶角格点又被八个立 方体所平分，每个顶角格点对方 方体的贡献是1／8。
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
半导体物理(第一章)概要
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场中 运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不过这 个波的振幅uk(x)随x作周期性的变化，且变化周期 与晶格周期相同。——被调幅的平面波
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相同；而 晶体中各点找到电子的几率具有周期性的变化规 律。——电子不再完全局限在某个原子上，而是进 行共有化运动。外层电子共有化运动强，称为准自 由电子。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
下面的能带填满了电子，它们相应于共价键上的电 子，这个带通常称为满带（或价带）；上面一个能 带是空的没有电子（或含少量电子）称为导带。 注意：通常能带图的画法。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒈电子的运动状态 （1）孤立原子中的电子是在其原子核和其它电子的势场
⒋在考虑能带结构时，只需考虑简约布里渊区，在该 区域，能量是波矢的多值函数，必须用En(k)标明是 第几个能带。
⒌ 对于有边界的晶体，需考虑边界条件，根据周期性 边界条件，波矢只能取分立的数值，每一个能带中的 能级数（简约波矢数）与固体物理学原胞数N相等。 每一个能级可容纳2个电子。
⒍能量越高的能带，其能级间距越大。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
共有化状态数---每一个能带包含的能级数。与 孤立原子的简并度有关。 s能级分裂为N个能级（N个共有化状态）； p能级本身是三度简并，分裂为3N 能级（3N 个共有化状态）。 但并不是所有的能带都一一对应着原子中的电 子轨道，我们来观察一下金刚石型结构的价电 子能带示意图。
半导体物理-绪论
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·980－2000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。
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）
“研究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
英国曼彻斯特大学物 理学家 安德烈·980－2000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。
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）
“研究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
半导体物理学(第一章)
22
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
波函数对动量的周期性
Ψ k ( x) = uk ( x)eikx
uk ( x + na ) = uk ( x)
能量是k的周期函数，准连续的有理数k构成周期性变 化的k空间晶格结构，其晶格参数为：
2π b= a
23
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
12
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。 、单胞是基本的、不唯一的单元。 （ ） 2、按半导体结构来分，应用最为广泛的 、按半导体结构来分， 是（ ）。 3、写出三种立方单胞的名称，并分别计 、写出三种立方单胞的名称， 算单胞中所含的原子数。 算单胞中所含的原子数。 4、计算金刚石型单胞中的原子数。 、计算金刚石型单胞中的原子数。
2
E0
2 2 1 d 2E h k E ( k ) − E ( 0) = 2 k 2 = * 2 dk k =0 2 mn
31
p = * 2 mn
有效质量
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
电子的平均速度
在周期性势场内，电子的平均速度 可表示为波 在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波 包的群速度
h ∆y∆p y ≥ 2
r r p = hk
不确定关系：
h ∆z∆pz ≥ 2 h ∆t ∆E ≥ 2
波粒二象性：
5
E = hω = hν
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
经典描述：
x，y，z，t
适于描述晶体中原子核的运动
定态描述：
01.第一章 半导体物理基础2
1 3 2 mn vth = kT 2 2
其中mn为电子的有效质量，而vth为平均热运动速度。 在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中 约为107cm/s。
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如图所示. 单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发 的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的 净位移为零。 平均自由程(mean free path)： 平均自由程
连续性方程式
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
迁移率（ 迁移率（mobility） ）
迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物 理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中 的一个非常重要的基本概念。
迁移率定义为：
qτ c µ= m
单位： cm2/(V·s)
1 RH = − . qn
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
例 3：一 硅晶 样品掺入每 立方厘米 1016 个磷 原子， 若样品的 W=500µm，A=2.5×10-3cm2 ，I=1mA，Bz=10-4Wb/cm2 ，求其霍 耳电压。 解： 根据有关公式得到霍耳系数
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
电导率(conductivity)与电阻率 与电阻率(resistivity)： 电导率 与电阻率 ： 电导率与电阻率互为倒数，均是描述半导体导电性能的基 本物理量。电导率越大，导电性能越好。 半导体的电导率由以下公式计算：
σ = q(nµn + pµp )
载流子漂移
半导体物理学基本理论
• 注意：
• 实际晶体的能带及电 子的分布不一定与孤 立原子的能级对应
金刚石型结构价电子的能带
•量子力学认为共价键电子对应的能级 •可分为成键能级和反成键能级
• 空带 ，即导带
反成键能级分裂为
成键能级分裂为 满带，即价带
2 、半导体中电子的状态和能带
（由运动的相似性推导电子在周期性势场中运动的薛定谔方程）
• 得出自由电子的速度、能量与波矢的关系： 由此得出结论：波矢可描述自由电子的运动状态
自由电子能量与波矢k 的关系:
• 薛定諤方程的解可以得出自 由电子在空间作自由运动时， 能量与波矢 的关系。
• 对于自由电子来说，波矢k 从0到∞都是允许的状态。
•彷照用薛定諤方程来描述自由电子的运动 •状态的方法来解决晶体中电子状态的问题。
• （1）自由电子的运动：
P m0v
E 1 P2 2 m0
• 德布罗意认为自由电子也具有波动 性，其运动可用平面波来描述：
(r,t)Ai2e (k rv)t
其中： k k 1
自由电子能量、动量与平面波频率 和波矢之间的关系：
Eh
Phk
为简单计，考虑一维情况： – 自由电子的波函数
• 因其在ox方向遵守薛定諤方程
E（k）- k的对应意义：
（1）一个k值与一个能级（又称能量状态）相对应； （2）每个布里渊区有N（N：晶体的固体物理学原胞数）个k状态， 故每个能带中有N个能级； （3）每个能级最多可容纳自旋相反的两个电子，故 每个能带中最多 可容纳2N个电子。 因此波矢具有量子数的作用，它描述晶体中电子共有化运动的量子状 态。
构成材料：Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
化学键: 共价键+离子键
• 实际晶体的能带及电 子的分布不一定与孤 立原子的能级对应
金刚石型结构价电子的能带
•量子力学认为共价键电子对应的能级 •可分为成键能级和反成键能级
• 空带 ，即导带
反成键能级分裂为
成键能级分裂为 满带，即价带
2 、半导体中电子的状态和能带
（由运动的相似性推导电子在周期性势场中运动的薛定谔方程）
• 得出自由电子的速度、能量与波矢的关系： 由此得出结论：波矢可描述自由电子的运动状态
自由电子能量与波矢k 的关系:
• 薛定諤方程的解可以得出自 由电子在空间作自由运动时， 能量与波矢 的关系。
• 对于自由电子来说，波矢k 从0到∞都是允许的状态。
•彷照用薛定諤方程来描述自由电子的运动 •状态的方法来解决晶体中电子状态的问题。
• （1）自由电子的运动：
P m0v
E 1 P2 2 m0
• 德布罗意认为自由电子也具有波动 性，其运动可用平面波来描述：
(r,t)Ai2e (k rv)t
其中： k k 1
自由电子能量、动量与平面波频率 和波矢之间的关系：
Eh
Phk
为简单计，考虑一维情况： – 自由电子的波函数
• 因其在ox方向遵守薛定諤方程
E（k）- k的对应意义：
（1）一个k值与一个能级（又称能量状态）相对应； （2）每个布里渊区有N（N：晶体的固体物理学原胞数）个k状态， 故每个能带中有N个能级； （3）每个能级最多可容纳自旋相反的两个电子，故 每个能带中最多 可容纳2N个电子。 因此波矢具有量子数的作用，它描述晶体中电子共有化运动的量子状 态。
构成材料：Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
化学键: 共价键+离子键
第一章 半导体材料绪论
《半导体材料》
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－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。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、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
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，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 “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。
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－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。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、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
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，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 “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。
半导体物理学-第1章
由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp杂化轨道的过程称为sp 杂化，所形成的轨道称为sp杂化轨道。每个sp杂化轨道均含有 1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。为使相互间的排斥能最小， 轨道间的夹角为180。当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成 键后就形成直线型分子。
2015-5-7
Prof.LEI
2015-5-7
Prof.LEI
25
§1.2 半导体中的电子状态与能带
零势场与周期势场中的电子状态
一、零势场中自由电子的能量状态
自由电子的能量 E 和动量 P 与描述其波动性的平面波 频率 和波矢 k 之间的关系分别为 E h p hk or p k
k E 2m0
§1.1 半导体中的晶体结构
2、闪锌矿结构和混合键 III-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿结构。 闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞 沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套 构成的。每个原子被四个异族原子包围。 双原子层堆积
原子键合：共价键 + 离子键，共价键合占优。
2015-5-7 Prof.LEI 6
杂化轨道理论（hybrid orbital theory）是1931年 由Pauling 等人在价键理论基础上提出，在成键能力、 分子的空间构型等方面丰富和发展了价键理论。 1、杂化轨道理论的要点：
1）在成键过程中，因原子间的相互影响，同一原 子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（波函数）可 以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成 数目相等的新的原子轨道。这种轨道重新组合的过程称 为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为 杂化轨道（hybrid orbital）。
图1-10 一维周期势场中电子的E(k)函数及其与自由电子E(k)函数（虚线）的比较
2015-5-7
Prof.LEI
2015-5-7
Prof.LEI
25
§1.2 半导体中的电子状态与能带
零势场与周期势场中的电子状态
一、零势场中自由电子的能量状态
自由电子的能量 E 和动量 P 与描述其波动性的平面波 频率 和波矢 k 之间的关系分别为 E h p hk or p k
k E 2m0
§1.1 半导体中的晶体结构
2、闪锌矿结构和混合键 III-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿结构。 闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞 沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套 构成的。每个原子被四个异族原子包围。 双原子层堆积
原子键合：共价键 + 离子键，共价键合占优。
2015-5-7 Prof.LEI 6
杂化轨道理论（hybrid orbital theory）是1931年 由Pauling 等人在价键理论基础上提出，在成键能力、 分子的空间构型等方面丰富和发展了价键理论。 1、杂化轨道理论的要点：
1）在成键过程中，因原子间的相互影响，同一原 子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（波函数）可 以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成 数目相等的新的原子轨道。这种轨道重新组合的过程称 为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为 杂化轨道（hybrid orbital）。
图1-10 一维周期势场中电子的E(k)函数及其与自由电子E(k)函数（虚线）的比较
半导体物理学_第01章绪论2016
半导体物理发展史
1900后的重大事件
理论的突破：肖克莱（W. shockley）。 1949年他在“the Bell System Technical Journal”上发表了题为“The Theory of PN Junction in semiconductor and PN Junction Transistors”的文章。
D. 参考文献 Tudor Jenkins， Physics Education 40 (5), 430, 2005
课程简介
半导体物理学发展与展望参考资料
Scientific American，Jan., 1998, Special Issue, Solid-State Century: the past, present and future of the transistor
而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和 新工艺产生的源泉。极大地丰富了凝聚态物理的研究内容 和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。
半导体的基本概念
半导体的概论
Different kinds of semiconducting devices
半导体的基本概念
半导体的导电能力(电阻率)
半导体的基本概念
半导体物理学
物理科学与技术学院 夏向军
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
PART ONE
课程简介 Syllabus
内容概要
01 课程简介
02 半导体的基本概念
03 半导体的发展史
04
半导体物理的未来
课程简介 任课教师信息
主讲教师： 夏向军 办公室： 九号教学楼12楼
1206室 QQ：370048061
QQ群： 236473633 （半导体物理学_纳米所）
半导体器件 绪论
Source Gate
Gate Source Drain
Drain
Gate Oxide
Sapphire Substrate
Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2019
Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2019
2019/9/13
半导体器件物理
S
D
SiO2
Si back gate
High-quality nanotubes can be grown at specific positions
2.6 nm in diameter
1 mm
1.0 nm in diameter
1 mm
2019/9/13
IDS(nA)
-60 -50 -40 -30 -20 -10
Si Substrate
5 nm
Tri-Gate
Nanowire
5 nm
S DS
G
III-V Carbon Nanotube
FET
Future options subject to research & change
半导体器件物理
24
中国科学技术大学物理系微电子专业
2019/9/13
半导体器件物理
0 0.0 -0.2
半导体器件物理
-0.4 -0.6 VDS(V)
Vg: -4 V 0V
2V 6V
-0.8 -1.0 33
中国科学技术大学物理系微电子专业 Toward Integrated Nanotube Systems
N-type Field Effect Transistor
绪论
分析： 年超高真空表面能谱分析技术； 分析：1970年超高真空表面能谱分析技术； 年超高真空表面能谱分析技术 1982年扫描 隧道 年扫描 隧道STM技术等 技术等 对象：元素半导体为主，兼及化合物半导体 对象：元素半导体为主， 内容和教材：西安交大刘恩科等编，第一至第五章， 内容和教材：西安交大刘恩科等编，第一至第五章，第 八章合讲， 七﹑八章合讲，其余自学不做要求 要求： ） 要求： 1）上课做笔记 2）按时完成作业 ）
理论：1954年提出半导体有效质量理论 理论：1954年提出半导体有效质量理论 Luttinger等 Biblioteka kittel ﹑Luttinger等）
→研究带边能带结构﹑浅能级杂质（施主和受主）﹑激子 研究带边能带结构﹑浅能级杂质（施主和受主） 能级﹑ 能级﹑磁能级的理论 1930年代量子力学→金属导电→能带论→导带﹑ 1930年代量子力学→金属导电→能带论→导带﹑价带 年代量子力学 1940年代 导体﹑半导体→杂质能级→施主﹑受主﹑ 年代→ 1940年代→导体﹑半导体→杂质能级→施主﹑受主﹑掺杂 1959年膺势概念 极大简化固体能带计算→ 年膺势概念→ 1959年膺势概念→极大简化固体能带计算→得较精确的半 导体能带论 1970年提出超晶格概念 1970年提出超晶格概念 90年代后量子点 90年代后量子点 方法：回旋共振法﹑磁光吸收﹑激子光谱﹑ 方法：回旋共振法﹑磁光吸收﹑激子光谱﹑自由载流子光谱的实 验研究
半导体物理基础
绪论
意义：半导体物理是现代微电子科学与技术发展的基础， 意义：半导体物理是现代微电子科学与技术发展的基础，也是当代信息技术 (IT) 光电子技术的基础， 光电子技术的基础，同时也是当代的纳米科学与技术的研究前沿 工程： 年巴丁(Basdeen)﹑布拉顿 (Bratain)﹑肖克莱 (Schockley) 发明 工程：1948年巴丁 年巴丁 ﹑ ﹑ 晶体管→ 晶体管 电子学革命 1958年集成电路﹑ 68年硅 年集成电路﹑ 年硅 年硅MOS器件及大规模 产业化 超大规模 (45 nm) 器件及大规模IC产业化 超大规模IC 年集成电路 器件及大规模 产业化→超大规模 1962年半导体激光器，70年代室温连续发光 激光产业 (CD﹑VCD﹑DVD) 年半导体激光器， 年代室温连续发光 年代室温连续发光→激光产业 年半导体激光器 ﹑ ﹑ 1970年江崎和朱兆祥提出超晶格概念，71年MBE制成 年江崎和朱兆祥提出超晶格概念， 年 制成AlGaAs/GaAs超晶格 超晶格→ 年江崎和朱兆祥提出超晶格概念 制成 超晶格 人工设计半导体和光电子产业（ 年 人工设计半导体和光电子产业（80年Klitzing和82崔崎分别在超晶格异质结 和 崔崎分别在超晶格异质结 中发现整数和分数量子霍尔效应）， ），分获诺贝尔物理学奖 中发现整数和分数量子霍尔效应），分获诺贝尔物理学奖 1990年英国 年英国Canhan发现多孔硅的室温光段可见光发光 全光硅电子集成技术 发现多孔硅的室温光段可见光发光→全光硅电子集成技术 年英国 发现多孔硅的室温光段可见光发光 2000年后纳米微粒﹑纳米固体﹑纳米薄膜﹑量子点﹑量子线 新型光电器件 年后纳米微粒﹑ 年后纳米微粒 纳米固体﹑纳米薄膜﹑量子点﹑量子线→新型光电器件 半导体材料： 硅单晶， 单晶， 半导体材料：2 inch →3” →4” →6” →8” →12”硅单晶，GaAs单晶，GaN单晶 硅单晶 单晶 单晶
《半导体物理》课程考试大纲 .doc
《半导体物理》课程考试大纲一、适用专业：集成电路工程二、参考书目：1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社三、考试内容与基本要求：第一章绪论[考试要求]本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。
[考试内容]①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念②晶体中的缺陷、晶格振动③晶体中的电子运动第二章半导体中的电子状态[考试要求]本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。
[考试内容]①电子、空穴和有效质量的概念②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象③常用半导体的能带结构④半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡状态下载流子的统计分布[考试要求]本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。
[考试内容]①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化④简并半导体第四章载流子的漂移和扩散[考试要求]本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。
[考试内容]①半导体中载流子的各种散射机制②电导率和迁移率③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系④载流子的扩散和漂移运动，爱因斯坦关系⑤强电场效应，热载流子第五章非平衡载流子[考试要求]本章要求学生掌握非平衡载流子的注入与复合，了解各种复合理论，连续性方程。
[考试内容]①非平衡载流子的注入与复合②各种复合理论③连续性方程第六章p-n结[考试要求]本章要求学生掌握p-n结概念及其能带图，掌握理想p-n结的电流电压关系，了解p-n 结电容，了解实际p-n结的电流电压关系、p-n结击穿、p-n结隧道效应等。
半导体物理导论
半导体物理导论导言半导体物理是研究半导体材料中电子行为和电子器件原理的学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基本概念和原理，并探讨半导体器件的工作原理和应用。
一、半导体基本概念半导体是一种能够在室温下导电的材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
半导体晶体的原子排列具有定序性，形成晶格结构。
半导体材料中的电子能级被称为能带，其中价带是由价电子占据的能级，导带是由自由电子占据的能级。
在能带之间存在禁带宽度，当禁带宽度较小时，外加电场或热激发就可以将电子从价带激发到导带，使半导体产生导电性。
二、半导体的本征和杂质掺杂半导体的本征掺杂是指在半导体晶体中掺入同种元素的杂质，以改变半导体的导电性质。
本征掺杂分为n型和p型，n型半导体中掺入的杂质是五价元素，如磷、砷等，而p型半导体中掺入的杂质是三价元素，如硼、铝等。
杂质原子的掺入会形成额外的能级，增加半导体中的自由电子或空穴浓度，从而改变材料的导电性。
三、PN结和二极管PN结是由n型半导体和p型半导体组成的结构。
当n型半导体和p型半导体通过扩散结合在一起时，形成了PN结。
PN结具有整流作用，即只允许电流在一个方向上通过。
当外加正向偏置电压时，PN结导通，电流可以流过；当外加反向偏置电压时，PN结截止，电流无法通过。
这种特性使得PN结被广泛应用于二极管等电子器件中。
四、场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种基于半导体材料的三端器件。
FET的关键是根据电场控制半导体中的电子浓度。
FET有两种类型：MOSFET和JFET。
MOSFET是以金属-氧化物-半导体结构为基础，通过改变栅极电压来控制电流；JFET是以PN结为基础，通过改变栅极电压来控制电流。
FET具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，被广泛应用于放大器、开关和模拟电路中。
五、半导体器件的应用半导体器件在现代电子技术中有广泛的应用。
例如，二极管作为电子元件的基本构建块，广泛应用于整流、调制、信号检测等电子电路中。
半导体物理第一章
➢ 根据电子先填充低能级原理，下面能带填满了电子，它们 相应于共价键中的电子，这个带称为满带或价带；上面能 带是空的，没有电子，称为导带；中间隔以禁带。
半导体物理第一章
20
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
波函数：描述微观粒子的状态 薛定谔方程：决定粒子变化的方程
8h N22 m o0d d22rV(r)(r)E(r)
一、孤立原子的能级
半导体物理第一章
15
二、电子共有化运动
➢ 当孤立原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠较 多(共有化运动也显著)，内壳层交叠较少；
➢ 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一个原子上，可以由一个原子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，即电子的共有化 运动；
半导体物理第一章
11
1.1.3 纤锌矿型结构
材料：Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。 如：CdS、ZnSe、ZnS
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 纤锌矿型结构特点： 与闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础
构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，如 下图所示。
半导体物理第一章
12
它是由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积 而成，但它只有两种类型的六方原子层，它的(001)面规则 地按ABABAB…顺序堆积。
半导体物理第一章
2
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
晶胞（补充）
一、基本概念
➢晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 ➢晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元称为晶胞，用
来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续 延伸，即可产生整个晶格。
半导体物理第一章
20
1.2.2 半导体中电子的状态和能带
波函数：描述微观粒子的状态 薛定谔方程：决定粒子变化的方程
8h N22 m o0d d22rV(r)(r)E(r)
一、孤立原子的能级
半导体物理第一章
15
二、电子共有化运动
➢ 当孤立原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠较 多(共有化运动也显著)，内壳层交叠较少；
➢ 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一个原子上，可以由一个原子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，即电子的共有化 运动；
半导体物理第一章
11
1.1.3 纤锌矿型结构
材料：Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。 如：CdS、ZnSe、ZnS
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 纤锌矿型结构特点： 与闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础
构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，如 下图所示。
半导体物理第一章
12
它是由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积 而成，但它只有两种类型的六方原子层，它的(001)面规则 地按ABABAB…顺序堆积。
半导体物理第一章
2
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
晶胞（补充）
一、基本概念
➢晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 ➢晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元称为晶胞，用
来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续 延伸，即可产生整个晶格。
半导体器件原理 绪论
晶体结构----单晶半导体材料
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用
单胞来描述，重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单胞
金属原子分布在立方体 的八个角上，且每个原 子都有六个等距的邻近 原子。
八个原子处于立方体的 角上，一个原子处于立 方体的中心。每一个原 子有八个最邻近原子。
硅、锗都是由单一原子所 组成的元素半导体，均为 周期表第IV族元素。 20世纪50年代初 期，锗曾是最主要的 半导体材料； 60年代初期以后， 硅已取代锗成为半导 体制造的主要材料。
周期 2 3 Mg
镁
II
III B
硼
IV C
炭
V N
氮
VI
Al
铝
Si
硅
P
磷
S
硫
4 5 6
Zn
锌
Ga
镓
Ge
锗
As
砷
Se
导带或者被部分 填充，或者与价 带重叠。很容易 产生电流。
金属：不含禁带，半导体：含禁带，绝缘体：禁带较宽
§1.4 半导体中的载流子
载流子：能够自由移动的电子和空穴；
电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束
缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。
§1.1 半导体材料
§1.2 晶体结构
§1.3 能带 §1.4 半导体中的载流子 §1.5 半导体掺杂 §1.6 半导体中的载流子及其输运
§1.7 半导体中的光电特性
半导体物理基础
§1.1 半导体材料
1、什么是半导体？ Semiconductor 固体材料从导电特性上分成： 超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体材料绪论通用课件
半导体材料的分类
总结词
半导体材料可根据其元素组成、能带结构、载流子类 型等不同特征进行分类。
详细描述
根据元素组成，半导体材料可分为元素半导体和化合 物半导体两大类。元素半导体是由单一元素组成的， 如硅、锗等；化合物半导体则是由两种或两种以上元 素组成的化合物，如砷化镓、磷化铟等。根据能带结 构，半导体材料可分为直接跃迁型和间接跃迁型半导 体。根据载流子类型，半导体材料可分为n型和p型半 导体，分别指电子导电和空穴导电的半态的化学原料在衬底上沉 积成膜。
具体技术
包括热丝化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、 金属有机物化学气相沉积等。
溶胶-凝胶法
定义
将固体材料溶解在有机溶剂中， 形成溶胶，再通过凝胶化过程形 成凝胶，最后经过热处理得到所 需材料。
优点
可制备高纯度、高均匀性的薄膜 材料，适用于制备多种类型的半 导体材料。
半导体材料的应用领域
总结词
半导体材料广泛应用于电子、通信、能源、医疗等领域。
详细描述
在电子领域，半导体材料被用于制造集成电路、微电子 器件等，实现电子产品的微型化、高效化和智能化。在 通信领域，半导体材料被用于制造光电子器件、激光器、 探测器等，实现高速、大容量信息传输和处理。在能源 领域，半导体材料被用于制造太阳能电池、风力发电设 备等，实现可再生能源的转换和利用。在医疗领域，半 导体材料被用于制造医疗设备、生物传感器等，实现疾 病的早期诊断和治疗。
自组装与生物功能化半导体材料
自组装技术
自组装技术是一种利用分子间的相互作 用力，将分子自发地聚集在一起形成有 序结构的技术。在半导体领域，自组装 技术可用于制备具有特定功能的纳米结构。
VS
生物功能化
将生物分子或生物活性物质与半导体材料 结合，实现半导体的生物功能化是当前研 究的热点。这种生物功能化的半导体材料 在生物传感器、生物成像和药物输送等领 域具有广泛的应用前景。
半导体物理1
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
基矢：确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞 （晶胞）以基矢为周期排列，因此，基矢的大 小又成为晶格常数。
晶轴：以（布拉菲）原胞（或晶胞）的基矢为 坐标轴——晶轴
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1 , l 一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA 数，l1a1l2a2l3a3 a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
l1 , l 2 , l 3 为对应晶轴上的投影，取有理数 a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
-5- 2020/1/17
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
如果只考虑晶格的周期性，可用固体物理学原胞表示：
简立方原胞：与晶胞相同，含一个原子。
体心立方原胞：为棱长
3 2
a 的简立方，含一个原子。
面心立方原胞：为棱长
2 2
a
的菱立方，由面心立方体对
角线的；两个原子和六个面心原子构成，含一个原子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
反映晶体周期性的重复单元，有两种选取方法： 在固体物理学中——选取周期最小的重复单
元，即原胞。 在晶体学中——由对称性取选最小的重复单
元，即晶胞（单胞）
-3- 2020/1/17
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
基矢：确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞 （晶胞）以基矢为周期排列，因此，基矢的大 小又成为晶格常数。
晶轴：以（布拉菲）原胞（或晶胞）的基矢为 坐标轴——晶轴
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1 , l 一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA 数，l1a1l2a2l3a3 a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
l1 , l 2 , l 3 为对应晶轴上的投影，取有理数 a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
-5- 2020/1/17
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
如果只考虑晶格的周期性，可用固体物理学原胞表示：
简立方原胞：与晶胞相同，含一个原子。
体心立方原胞：为棱长
3 2
a 的简立方，含一个原子。
面心立方原胞：为棱长
2 2
a
的菱立方，由面心立方体对
角线的；两个原子和六个面心原子构成，含一个原子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
反映晶体周期性的重复单元，有两种选取方法： 在固体物理学中——选取周期最小的重复单
元，即原胞。 在晶体学中——由对称性取选最小的重复单
元，即晶胞（单胞）
-3- 2020/1/17
S信HA息R学ED院C电O子M系M微IT电ME子N专T.业S必HA修R课ED程RESOURCES. ONE SOLUTION.
半导体物理绪论
IV-IV 族半导体：SiC 非晶半导体: 非晶硅，多孔硅
有机半导体：高聚物半导体
Semiconductor Physics 2011
12
Semiconductor Physics 2011
13
Poly-Si Si Gate Oxide
Semiconductor Physics 2011
14
四、半导体的发展历史
课程简介3
量子力学 统计物理
课程特点 内容广、概念多、注 重实际问题的解决
固体物理 半导体物理 半导体 材料
课程要求 着重物理概念及物 理模型
半导体 器件
半导体 集成电路
半导体 工艺
基本的计算公式
绪论
一. 二. 三. 四. 五. 什么是半导体？ 半导体的主要性质 半导体的种类 半导体科学发展史 半导体物理的研究内容
Semiconductor Physics 2011
6
一、什么是半导体(semiconductor)
问题1：固体按导电性分，有哪几类，并举例。
Copper: Good Conductor
Silicon:modera te Conductor
Glass: no conduction
(cm)
导体 (conductor) 10-6~10-4
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
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超大规模IC
半导体器件
计算机的发展史
半导体器件
半导体器件
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
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。
43 半导体器件
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。
半导体器件
半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体物理学
Semiconductor Physics
半导体器件
绪言
半导体器件
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
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
半导体器件
Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
半导体器件
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
41 半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体器件
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
半导体器件
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。
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 .
46 半导体器件
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。
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
半导体器件
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。
半导体器件
6-光电池效应
光生伏特现象
半导体器件
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 。
半导体器件
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。
半导体器件
半导体器件
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)
半导体器件
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。
半导体器件
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。
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。
42 半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体器件
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。
44 半导体器件
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
半导体器件
获得1956年Nobel 物理奖
45
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。
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.
半导体器件
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
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
半导体器件
半导体器件
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
半导体器件
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.
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。
50 半导体器件
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。
50’s PN结、M/S接触理论成熟
半导体器件
半导体器件
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
半导体器件
计算机的发展史
半导体器件
半导体器件
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
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。
43 半导体器件
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。
半导体器件
半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体物理学
Semiconductor Physics
半导体器件
绪言
半导体器件
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
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
半导体器件
Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
半导体器件
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
41 半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体器件
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
半导体器件
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。
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 .
46 半导体器件
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。
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
半导体器件
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。
半导体器件
6-光电池效应
光生伏特现象
半导体器件
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 。
半导体器件
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。
半导体器件
半导体器件
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)
半导体器件
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。
半导体器件
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。
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。
42 半导体器件
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。
半导体器件
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
半导体器件
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。
44 半导体器件
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
半导体器件
获得1956年Nobel 物理奖
45
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。
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.
半导体器件
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
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
半导体器件
半导体器件
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
半导体器件
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.
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。
50 半导体器件
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。
50’s PN结、M/S接触理论成熟
半导体器件
半导体器件
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