半导体物理-绪论
《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一、实验目的或实验原理1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理；2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法；3、能对给定的薄膜和块体材料进行电阻率测量，并对实验结果进行分析、处理。
二、实验内容1、测量单晶硅样品的电阻率；2、测量FTO导电层的方块电阻；3、对测量结果进行必要的修正。
三、实验仪器与材料四探针测试仪、P型或N型硅片、FTO导电玻璃。
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 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1-8章重点总结
半导体重点总结（1-7章）绪论1. 制作pn 结的基本步骤。
（重点，要求能够画图和看图标出步骤）第一章． 固体晶体结构1. 半导体基本上可以分为两类：位于元素周期表IV 元素半导体材料和化合物半导体材料。
大部分化合物半导体材料是III 族和V 族化合形成的。
2. 元素半导体，如：Si 、Ge ； 双元素化合物半导体，如：GaAs （III 族和V 族元素化合而成）、InP 、ZnS 。
类似的也有三元素化合物半导体。
3. 固体类型：（a ）无定形（b ）多晶（c ）单晶 图见P6 多晶：由两个以上的同种或异种单晶组成的结晶物质。
多晶没有单晶所特有的各向异性特征 准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性。
似晶非晶。
4. 原胞和晶胞：原胞是可以通过重复形成晶格的最小晶胞。
晶胞就是可以复制出整个晶体 的小部分晶体。
5. （a ）简立方 1 个原子（b ）体心立方 2 个原子（c ）面心立方 4 个原子计算方法：顶点的一个原子同时被8个晶胞共享，因此对于所求晶胞而言只占有了该原子的1/8；边上、面心和体心原子分别同时被4,2,1个晶胞共享，对于所求晶胞而言分别占有了该原子的1/4,1/2,1/2.如此计算。
例如（c ）图中8*1/8+6*1/2=1+3=4. 6. 晶格常数：所取的立方体晶胞的边长。
单位为A ,1A=10^-8cm. 7. 原子体密度：原子个数/体积。
比如上图（c ）假设晶格常数为5A 。
求原子体密度。
8．密勒指数（取面与x,y,z 平面截距的倒数）：密勒指数描述晶面的方向，任何平行平面都有相同的密勒指数。
9. 特定原子面密度：原子数/截面面积。
计算方法：计算原子面密度时求原子个数的方法与求体密度时的方法类似，但是应当根据面的原子共用情况来计算。
其中有一种较为简便的算法：计算该面截下该原子的截面的角度除处以360，即为该面实际占有该原子的比例。
举例1：计算下图（a ）中所显示面所拥有的原子个数和原子面密度：该面截取了顶角四个原子和体心一个原子，顶角每个原子与面的截面角度为90度，90/360=1/4,体心原子与面的截面角度为360度，360/360=1，所以原子总数,1+1+1/4*4=2()223384 3.210510cm ρ-==⨯⨯个原子/举例2：第一次作业中有一道小题是计算硅晶体在晶面（1,1,1）的面密度，晶格常数为a ，如下图可以知道如图所示的等边三角形的边长为√2*a,三个角顶点截面角度为60度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/6,三个面心点截面角度为180度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/2.所以该面拥有原子数为3*1/6+3*1/2=1/2+3/2=2.等边三角形面积为√3/2*a^2,所以可以算出面密度为4/(√3a^2).10. 晶向：与晶面垂直的矢量（在非简立方体晶格中不一定成立）。
固体电子器件SolidStateElectronicDevices
加 工 液 晶 显 示器
多晶
在小区域内 完全有序
多 晶 硅 -太阳能电池
单晶
整个晶体中 排列有序
单 晶 硅 -电 子 器件
集成电路制造
2 晶体结构
（ 1） 晶 体 的 共性
①均匀性； ④ 多 面 体 外 形；
②各向异性； ⑤对称性；
③熔点固定； ⑥衍射性。
2 晶体结构
（2）硅的结构和特性
+4 +4
锗 、 硅 和 砷 化镓能 带结构 的简约 布里渊 图示。
导体 ＜ 10-3
半导体 10-3～109
绝缘体 ＞109
1绪论
（1）导电性
➢
温 度 可 以 显 著改变 半导体 导电能 力；
➢
微 量 杂 质 可 以显著 改变半 导体导 电能力 ；
➢ 光 照 、 磁 场 、电场 等外界 因素也 可显著 改变半 导体的 导电能 力； ➢ 电 子 和 空 穴 晶体结构
4 半 导 体 中 杂 质和 缺陷能 级 5 载流子
3 半 导 体 中 的 电子 状态
6 载流子的浓度
7 载流子的输运
1绪论
什么是半导体？
（ 1） 导 电 性
➢ 电 阻 率 介 于 导体与 绝缘体 之间；
表 1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围
材料 电阻率ρ(Ωcm)
+4 +4
2 晶体结构
（3）晶向和晶面
2 晶体结构
（4） 硅片鉴别方法
[110]
第一篇 半导体物理基础
1绪 论 2 晶体结构
4 半 导 体 中 杂 质和 缺陷能 级 5 载流子
3 半 导 体 中 的 电子 状态
6 载流子的浓度
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
第一章 半导体材料绪论
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）
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1
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.
用晶向指数表示；如[110]。 晶面：通过格点作的平面。一组平行的晶面是等效的，
其中任意两晶面上的格点排列是相同的，且面间距相等。 晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111）， （100）……
-2- 2019/12/14
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.
例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
-24- 2019/12/14
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.
§1.2半导体中的电子状态和能带
-25- 2019/12/14
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.
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.3半导体硅、锗晶体的能带
1、硅，锗原子的电子结构
金刚石和半导体硅、锗， 它们的原子都有四个价电子， 二个s电子，二个p电子，
号表示，每一壳层对应于确定的能量。
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层 交叠最多，内壳层交叠较少。
-22- 2019/12/14
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.
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
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
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Semiconductor Physics 2011
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Poly-Si Si Gate Oxide
Semiconductor Physics 2011
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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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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
半导体器件的发展进程
贝尔实验室John Bardeen, Walter Brattain和 William Shockley三人于1947年发明了三极管， 因此获得1956年诺贝尔物理奖
1947年 三极管 1958年 集成电路IC 1963年 CMOS IC
Semiconductor has become a nonseparable part of our world
半导体工业的核心
集成电路
微电子工艺
半导体材料 / 半导体器件
地位
半导体物理
固体物理学、量子力学…
半导体物理学研究什么？
以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究半导体中的原子状态；并以固体电子论 和能带理论为基础，研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电子过程。半 导体物理学是固体物理学的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有了深入的了解， 而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。
（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。
为什么要学习该课程？
身为一个电子、光电子、电子材料专业的学生 ，你可能会问:为什么要学习这门课程？？？？？？ ？？
理由很简单
自1998年以来，电子工业是世界上规模最大的工业，其全球销售量超过 一万亿美元。而半导体工业正是此工业的基础。要更深入地了解电子学的相 关课程，拥有半导体物理的基础知识是必要的，它也可以使你对现代这个由 电子技术发展而来的信息时代有所贡献。
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.
Clair Kilby (TI)
Robert Noyce(Intel)
公元 1874 1970 1947 1949 1952 1954 1957 1958 1960 1962 1963 1963 1965 1966 1967 1970 1974 1980 1994 2001
主要半导体器件列表
半导体器件 金属－半导体接触 发光二极管（LED） 双极型晶体管（BJT） p-n结 可控硅器件（thyristor） 太阳能电池 异质结双极型晶体管(HBT) 隧道二极管（tunnel diode） 金氧半场效应晶体管(MOSFET) 激光 异质结激光 转移电子二极管(TED) 碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT diode） 金半场效应晶体管(MESFET) 非挥发性半导体存储器(NVSM) 电荷耦合元件(CCD) 共振隧道二权管 调制掺杂场效应晶体管(MODFET) 室温单电子存储器(SEMC) 15nm金氧半场效应晶体管
集成电路的发明
集成电路【Integrated Circuit：IC】 ❖ 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次提出了集成电路的设想。 ❖ 19通5过8年一以系（列德特州定仪的器平公面司制）造T工I的艺科，学将家晶基体尔管比、(二Cl极ai管r K等il有by源)为器首件的和研电究阻小、组 电容研等制无出源了器世件界，上按第照一一块定集的成电电路路互，连并关于系19，5“9年集公成布”了在该一结块果半。导体单晶片上， ❖并封In装te在l公一司个诺保宜护斯外（壳R内ob，er能t N执o行yc特e）定同的时功间能发复明杂了电I子C的系单统晶。制造概念。
半导体物理学为其提供了基础知识， 是半导体工业的理论平台。
现实需要
1、学生考研需要：清华、北大、复旦、中科院及本校， 特别是本校学生的面试。2009北大面试题：
（1）假设有一nMOS结构，其金属功函数为Φm，半导体功函数为 Φs，: 且Φm> Φs，画出其低频C-V曲线，并说明如何确定平带 电压。 如果增大该MOS结构的衬底掺杂浓度Na，其C-V曲线将 发生怎样的变化？