chapt1-清华大学半导体物理

半导体物理与器件Semiconductor Physics and

Devices

邓宁田立林

2006.3

邓宁

清华大学微电子所器件室。微电子所新所器件室302#电话：62789151（或62789147）转302

Email：ningdeng@

田立林

清华大学微电子所CAD室。东主楼九区一楼116#

电话：62773315

Email：tianlilin@.ch

助教博士生

张艳红31# 703 电话：62777761

Email: zhangyanhong03@

伍建峰紫荆公寓1313A电话：51537212 Email：wujf05@

答疑

每周一次。时间待定。东主楼九区115#

作业（20%）

周二交作业。注重对概念的理解。

课堂练习和讨论

2次。

考试

期中考试第9周，期末考试在17周。开卷。

成绩评定

作业20%，期中考试40％，期末考试40%。

课本: 1. “半导体物理学”

顾祖毅、田立林、富力文，电子工业出版社

2. ‘Fundamentals of semiconductor devices’

Betty Lise Anderson & Richard L. Anderson

影印本，清华大学出版社

参考书：1.“半导体器件基础”中译本

著者：Robert F. Pierret

电子工业出版社

引言

•微电子学的知识体系和本课程的结构•什么是半导体器件？

•本课程的特点和学习方法

•主要内容和学时安排

•微电子技术发展的历史回顾

如何理解半导体器件？

•功能：信息传输、处理和存储

•实现方式：控制载流子的输运

•结构：由几种基本的结（Junction）结构组成pn结（同质结、异质结）

金属-半导体接触

MOS结构

半导体器件的演化和发展本质上是结本身的变化和组合方式的变化，以实现对载流子输运更有效地控制（结技术-Junction Technology）。

本课程的特点和学习方法

特点：

•以量子力学、固体物理、统计力学为基础。•Science &Technology的结合。

•技术发展迅猛，理论和实践紧密结合

学习方法：1、理论结合实践（how）；

2、概念要吃透（多角度）；

3、先有物理图景，然后定量分析；

4、结合学科发展历史。

主要内容和学时安排

•引言（课程介绍；半导体基本特性）：2学时

•半导体中的电子态：（晶体结构；能带结构的两种表示方法；杂质的概念；有效质量；电子和空穴的概念）：4学时

•平衡态半导体的载流子统计（态密度；分布函数；杂质能级；费米能级的概念、含义；平衡载流子浓度）：4学时

•载流子输运（迁移率，散射机制，影响迁移率的因素，霍尔效应）：4学时

•非平衡载流子（过剩载流子；产生复合；寿命；载流子的漂移和扩散；准电中性原理；电流连续性方程）：7学时

•半导体器件制备基础：1学时

•pn结和pn结二极管（pn结工作原理；I-V特性；瞬态特性；短二极管）：6学时

•金属半导体接触和半导体异质结（功函数；肖特基结；异质结）：4学时

•双极晶体管（工作原理；少子分布；低频电流增益；小信号等效电路；非理想效应；等效电路；频率和开关特性）：6学时

•MOS电容（表面势；能带图；平带电压；阈值电压；C-V特性）：4学时

•MOSFET及其他场效应器件（工作原理；跨导；衬偏效应；短沟效应；频率特性；表面2DEG量子化；MOSFET小尺寸效应及新型器件结构；半导体存储器）：10学时

•光电器件（光吸收；光发射；光电导；太阳电池；光探测器；发光二极管；激光器）：6学时•纳电子器件和物理（微电子发展的限制；普适电导涨落；单电子效应和库仑阻塞；低维系统的电子结构和输运理论：电导量子化；单电子器件介绍）：4学时

半导体物理研究、器件研发、材料制备，三者始终紧密结合、互相促进。

•1874年，Braun发现Cu、Fe等和PbS接触有非对称I-V 特性；

•1935年，Se（硒）整流器和Si点接触二极管。用于无线电的检波；

•同时期，高纯Ge、Si的提纯方法；

•1942年Bethe的半导体向金属的热电子发射理论；•1947年第一只晶体管–W.Shockley，J. Bardeen，W. Brattain of Bell Telephone Lab.。Using poly-Ge。

•1958年第一块集成电路–Jack Kilby of TI。Fabricated on Ge。

•1960年第一个增强型MOSFET—Kahng, Atalla •1967年提出非挥发存储器—Kahng,Sze, Bell lab •1967年单管DRAM—Dennard, IBM

•1971年微处理器—Hoff 等，Intel

•1994年验证单电子晶体管—Yano等，Hitachi

Milestones

1947年第一只晶体管–W.Shockley，J. Bardeen，W. Brattain of Bell Telephone Lab. poly-Ge

Nobel prize in 1956

1959: 1st Planar Integrated Circuit，Robert N. Noyce