半导体物理学_第01章绪论2016

1955年G. G. G. Low等人曾更细致地研究了各种接触的现象。
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
1958年对PN结的研究又出现了重大突破，在这 一年.日本的固体物理学家江崎( L. Esaki)在 PN结中发现了隧道效应并因此制成了隧道二极 管。
1960年Ivar Giaever实验上给出了超导能隙存 在的直接证据，这是超导微观理论的一个关键 的预测。
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
B. Josephson在1962年发表文章，预言了完全 新的出人意料的超导现象。这个现象被称为 Josephson效应。 （以上三人获1973年度诺贝 尔物理奖）
半导体物理发展史
1900后的重大事件
金属半导体接触理论 （肖特基(W.Schottky) 势垒）
半导体表面研究 （从体内到体外。 1932年塔姆( I. Y. Tamm，l8951971)首先指出：晶格的不完全性使势场的周期性受到破坏，周期势在表 面处发生中断，形成一个势垒，这个势垒对电子的运动产生束缚作用，使 得晶体内部在禁带中产生附加的能级。）
半导体物理领域若干前沿
新材料的出现和新效应的产生为新器件的设计开 辟了广阔的道路。
超高速逻辑器件、高性能光电子器件及其集成电 路系统代表了当今器件发展的趋势，小型化、功 能化和量子化显示了器件发展的新特点。
如今，采用各种纳米结构，设计和制作纳米量子 器件已经成为半导体科学技术中最为活跃的前沿 领域。
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。
半导体的基本概念
半导体的三大基本特性
B. 温度对半导体导电能力有显著的影响
电阻率
金属
0
T1
半导体 温度
T2
C. 光照对半导体导电能力有显著的影响
PART THREE
半导体的发展史
The histroy of semiconductors
半导体物理发展史
1900前的重大事件
能带理论尚未建立，也没有完整的理论体系来说明半导体 的性质及实验中的现象。但这一时期，已有很多对半导体 性质及应用的研究，正是在这些工作的基础上，半导体能 带理论建立以后，半导体物理才得以在很短的时间内发展 成为一个完整的理论体系。
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体超晶格（从自然向人工的转变。江崎(L. Esaki)，朱兆祥（R. Tsu） 和张立刚（L. Chang）等 ；比如N型和P型两种半导体材料的交替成层制 备。）
低维物理和量子霍尔效应 由于量子阱在一个方向上限制了电子的运动，使得产生了许多新的量子
效应，并且具有新的应用，这也引起了人们对低维物理的兴趣。
量子霍尔效应的发现பைடு நூலகம்低维物理发展中的一个重大事件。在人工微结构 材料之中，薄层内电子被势垒限制在二维方向上运动，构成量子阱中的二维 电子气。
半导体物理发展史
1900后的重大事件
之后，崔琦（Danial Chee Tusi)和Horst L.Störmer发现了分数量子霍尔效 应。这一发现使得崔琦和Störmer和后来对这一现象做出解释的劳林(Robert B.Laughlin)获得了1998年的诺贝尔物理奖。
能带理论的建立
1900后的重大事件
德鲁德(P.Drude, 1863-1906)和洛伦兹(H. A. Lorentz, 1853-1928)分别在1900年和1905年提 出用自由电子气模型来解释固体电导与热导之间 的关系。
索末菲（A.Sommerfeld, 1868-1957） 1928年真正将量子力学应用到固 体中解释电子运动，对金属电导进行了论述 (平滑势场)。
http://url.cn/fLhp8i
课程简介 半导体物理学发展与展望参考资料
Nature，479 (7373) , 2011 Silicon Electronics and Beyond
课程简介 《半导体物理学》与其他课程的关系
课程简介 课程考核方式
课堂表现 10%
期
末
总
评
成
绩
期末考试 90%
半导体物理学 §0.绪论
SCNU 光电学院
44
半导体物理学 §0.绪论
SCNU 光电学院
45
莫尔定律
每过18个月，器件的集成度提高一倍， 而特征线宽则降低一半（指数增加或减小）
半导体物理学 §0.绪论
SCNU 光电学院
47
半导体物理学 §0.绪论
SCNU 光电学院
46
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理研究的展开
PN结的研究 PN结制成的晶体管有很高的实用价值。
实验研究的积累： 1938年以前戴维道（B.Davidov）就曾讨论过半导体接触。并研究了其 整流性质和光生伏特性质。
1947年S. Benzer, 1949年M. Becker和H.Y. Fan都对Ge的PN结作过某些 测量。
1947年，L.sosnowski、J. Starkiewicz和O. Simpson曾讨论过PN结的 光生伏特效应和PbS薄膜的光电导特性。
1879年霍尔(E. H. Hal l )发现了霍尔效应：半导体电导的实验中发现垂直 于磁场放置，并通有电流的半导体上会出现横向电压。1909年K. Baedeker, 1914年J.KtSnigsberger对霍尔效应和已经发现的各种性质进行了研究。
引领了接下来20年半导体实验和技术研究的热潮。
半导体物理发展史
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
1931年，威尔逊（W. H. Wilson（利用能带理论给半导体下了一个明确 的定义，并阐明了导体、半导体和绝缘体的导电机理（电子在能带中填 充情况和在外场下电子的状态）。
布劳恩（Braun）发现了半导体整流效应。
半导体物理发展史
半导体物理学
物理科学与技术学院 夏向军
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）
欢迎大家在QQ群中讨论学习 中遇到的问题！
课程简介
A. 教材
教材与参考资料
课程简介 教材与参考资料
B. 中文参考书
课程简介 教材与参考资料
《半导体物理学（第七版）》,
《半导体物理学学习辅导与典型题解》,
刘恩科 等， 电子工业出版社（2005） 田敬民, 张声良， 电子工业出版社 （2005）
课程简介 教材与参考资料
PART ONE
半导体的基本概念
What is semiconductors
半导体的基本概念
半导体的概论
半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是 半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来， 半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导 体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域 中都获得了令世人瞩目的重大进展。
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
半导体物理发展史
1900后的重大事件
晶体管的发明（1947发明，1956年Nobel Prize） 半导体发展史上的重要里程碑，对人类社会的发展产生了深远影响。
半导体物理发展史
Schockley Semiconductor Laboratory
（First semiconductor company in Silicon Valley)
半导体物理发展史
1900后的重大事件
非晶态半导体物理 （从晶态到非晶态。安德森( P. W. Anderson) 局域 态理论；莫特（Mott）等非晶体的能带理论）
半导体物理发展史
1900后的重大事件
1980年由冯·克利青（Klaus Von Klitzing）等人从金属-----氧化物------半导体场效应晶体管的氧化物表面上发现了 量子霍尔效应，获 1985年的诺贝尔物理奖。
1900后的重大事件
能带理论的建立为半导体物理的发展(实际上也是为固体物理)莫定了 理论基础。它的建立使得以前所做的半导体的研究工作，象整流理论、 半导体的光电热现象、半导体在外场下的运动状态等工作统一起来， 使得它们以后得以发展成为一个完整的理论体系。
事实上，了解了半导体的能带，我们就可以了解半导体的电子态，从 而进一步了解半导体的电学和光学特性。直至现在，半导体能带的计 算、能带的人工调制等研究工作仍是半导体物理研究的重要组成部分。
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
我国固体物理和半导体物理学科的先辈先贤
2001年，获国家最 高科学技术奖，瑞 典皇家科学院院 士，第三世界科学 院院士
美国工程院 院士
美国物理学会的 Fellow，第三世 界科学院院士
1928年布洛赫（F. Bloch）提出了著名 的布洛赫定理，成功说明了电子并不是 被完全束缚在原子的周围，而是在整个 晶体中做共有化运动(周期性势场) 。
半导体物理发展史
1900后的重大事件
同年(1928)，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。
电阻率 （室温）
例：杂质对半导体电阻率的影响
杂质浓度
• 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
• 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm 降至0.2Ωcm以下.
半导体的基本概念
半导体的三大基本特性
半导体的能带类型
1eV 104 K
半导体的基本概念
半导体的能带图
固体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）
半导体的基本概念
半导体的材料分类
半导体的基本概念
周期表中的半导体元素
半导体的基本概念
半导体的结构分类
半导体的基本概念
半导体的功能分类
半导体的基本概念
半导体的三大基本特性
A. 半导体的主要特征: 电阻率可在很大范围内 变化（可以通过对半导 体掺杂实现）
The Traitorous Eight
1900后的重大事件
Fairchild Semicondutor Intel,……
1956 and 1972 Nobel Prize in Physics
半导体物理发展史
1900后的重大事件
半导体物理发展史
1900后的重大事件
Fairchild Semicondutor
1834年，法拉第用硫化银进行实验时，发现 半导体的电阻能随着温度的上升而下降，而 金属及其它一些不良导体不具有这种性质。
半导体物理发展史
1900前的重大事件
1873年到1874年，半导体研究有了两项进展。F. Braun利用类似于硫化铅 和黄铁矿的物质观察到了整流现象。此后，对半导体的研究工作大量的开 展。K. Lark-Horowitz写了一篇有关这方面早期工作的评论。
C. 英文参考书
（理科用）
（理科用）
课程简介 半导体物理学发展史参考资料
John Orton, the story of semiconductors, Oxford University Press (2009)
中译本，姬扬 译， 中国科学技术大学出版社 (2015)
课程简介 半导体物理学发展史参考资料