半导体物理绪论

晶
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1947年 J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley (Bell Lab.) 发明晶体管（点接触 Ge晶体管）
第一阶段：现象观察
1833年：M.Faraday发现ZnS半导体具有负电阻温度
系数 1873年：W.Smith 首次发现Se半导体的光电导效应 1874年：F.Braun 首次发现PbS半导体的整流效应 1879年：Hall首次发现 Hall效应（半导体 RH>0, RH<0) 1897年：T.J. Thomson发现电子 1931年：H.Dember 首次发现了光电池效应
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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
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集成电路发展的 Moore定律（1965年）:
晶体管数目（集成度）每十八个月增长一倍（即每三年增至四倍）
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro
中国半导体的发展
1956年，我国把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。在五所大学――北 京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了 半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授： 北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。 1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物 理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点 接触二极管和三极管（即晶体管）。复旦大学阮刚教授参与了锗晶体管的研 制并得到聂荣臻元帅的接见。 1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。 1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。 1965年12月-1966年，，河北半导体研究所‘上海元件五厂鉴定了TTL电路产 品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、 与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小 规模集成电路。 1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路 （MOSIC）
第三阶段：晶体管诞生 1948年：Bardeen, Brattain, Shockley 制造了第一个晶体 管：锗点接触三极管 (1956年，获Nobel Prize) 1949年：提出了PN结晶体管的理论 1951年：W.Shockely用扩散技术制造了结型晶体管
1950年：Bell实验室用直拉法生长出锗单晶 1952年：用直拉法生长出硅单晶，用区熔技术生长锗单
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课外参考文献
http://www.nobelprize.org/physics/educational/semicond uctors/intro.html “Transistor technology evokes new physics”, Shockley Nobel lecture, 1956 “Semiconductor research leading to the point contact transistor”, Bardeen Nobel lecture, 1956 “Surface properties of semiconductors”, Brattain Nobel lecture, 1956
出席：不得无故缺课
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课程简介2
参考书
1. Charles Kittel,《固体物理导论》，化学工业出版社 （2005） 2. 刘恩科，朱秉升，《半导体物理学》，国防工业出版社 （2003）. 3. 《固体物理学》，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出 版社 4. 叶良修，《半导体物理学》（第二版），高等教育出版 社（2007）. 5. K. Seeger，《Physics of Semiconductor: An Introduction》，4th Ed. Springer-Verlag (2004). 6. R. M. Warner, B. L. Grung，《Semiconductor-Device Electronics》，电子工业出版社（2002）. 7. 茹国平，《半导体物理讲义》（2010）
半导体 10-4~1010
绝缘体 (dielectrics) > 1010
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二、半导体的主要性质
电阻率的杂质敏感性
纯 Si 300 K ~ 2105 cm ~ 0.4 cm
掺入 10-6 （原子比） B 硼
在半导体内掺入 百万分之一或千万分之一的杂质就 可以使半导体的电导率发生极其明显的变化。 掺入不同类型的杂质使半导体有不同的导电类型 应用：通过不同的掺杂工艺，把半导体制成各种电 子元件，如晶体管 Semiconductor Physics 2011
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第四阶段：集成电路出现
1960年：第一块集成电路问世，集成4个
元件 1966年：形成大规模集成电路. 1971年: 英特尔公司研制出第一块CPU集 成电路 4004(4位) 1973年: 8008(8位)； 1978年: 8086(16位)；……
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
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
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温度敏感性
Ea k BT
log()
exp

T
T
半导体：负温度系数
金属：正温度系数
纯Si：温度每升高8K，本征载流子载流子浓度增加 约1倍，电阻率下降。 Semiconductor Physics 2011
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光照敏感性
CdS(硫化镉) 光敏电阻
光电导：光照引起半导体电导率增加。 光生伏特效应：用适当波长的光照射p-n结， 由于内建场的作用，半导体内部产生电动 势。－太阳能电池 半导体光电子学：探测器，太阳能电池，发光二极管，半 导体激光器 Semiconductor Physics 2011
半导体物理 Semiconductor Physics
主讲人：屈新萍 xpqu@fudan.edu.cn 复旦大学微电子学系
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半导体物理 Semiconductor Physics
课程代码：INFO130022.11
课程性质：专业基础课
学分：3, 时间：周三（2 - 4）, 教室：Z 2101 课件上载：ftp://10.14.3.32 助教:于浩，王敬轩，王韬
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
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Poly-Si Si Gate Oxide
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四、半导体的发展历史
Point-contact transistor
J. Bardeen, W. Shockley, and W. Brattain (1956 Nobel prize Laureaet)
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1958年 J. Kilby（TI）研制成功第一个集成电路
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晶体管的发明对人类社会的贡献
课外读物: Intel Timline. Pdf
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1958 以后：高技术
IC发展，SSIMSILSIVLSI ULSI 半导体微电子学 半导体激光器的发明 半导体光电子学
于浩：10212020054@fudan.edu.cn;
王敬轩：10210720071@fudan.edu.cn 王韬：09210720069@fudan.edu.cn
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课程简介
教材：《半导体物理学》(第五版) 刘恩科，国防工业出版 社
作业 :10余次。作业在指定的日期之前上交。迟交的作业扣 分。 成绩： 作业（20％）+课堂练习（10%）+期末考试（70%）
J. Kilby
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1959年 R. Noyce（Fairchild）首次利用平面工艺制成集成电路
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“ Turning potential into realities: the invention of the integrated circuit”, J.S. Kilby, 2000 Nobel Lecture
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今天及明天
微米 纳米（纳米电子学） 同质结 异质结（能带工程） 三维 低维（二维、一维、零维） 普通禁带 宽禁带 单晶 多晶（非晶） 无机 有机 平面三维
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第二阶段：理论指导 1930年：开始用量子力学解释半导体现象 1931年：A.H.Wilson 通过解薛定谔方程发展了能带理论
1932年：固体的量子理论提出。 1940年：Russel
Ohl 发明PN结性能。
1942年前后，多位科学家提出了基本类似的整流理论
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热电效应 磁阻效应 压阻效应 …..
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三. 半导体的种类
元素半导体：Si, Ge （IV族), CNT， Graphene
晶体 III-V 族半导体：GaAs, InP,Ga1-xAlxAs 化合物半导体 II-VI 族半导体：ZnS,ZnTe
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微电子 -> 纳电子
和大家共勉的一段话：
As we’ve seen, the path to the present was anything but linear. Even if one were to argue that the endpoint – planar silicon technology – was all but inevitable, there were so many forks in the road along the way that the path to the present was by no means unique. Given how the past unfolded, it is likely that the future will evolve in a similarly random walk. Over the short term, the future will look like a sensible extension of the present. Over a longer period, however, there will be nonlinear changes of a type that are hard to predict. But even if we can’t say what those changes will be, we can assert with confidence that they’ll happen. Every generation seems to worry that “all the good stuff has already been invented.” As an antidote to that sort of thinking, consider that technology has by no means wrung out all that nature has to offer. Leading- edge micro-processors today consume on the order of 100 watts, but have yet to compose anything as sublime as, say, the Brahms piano trio, Op. 8, no.1. The human brain consumes about 20-25 watts, and is capable of the rich array of creative (and destructive) behaviors characteristic of our species. The gap in performance between carbon and silicon is made all the more stark when we compare the picosecond-level switching speeds of electronics to the microsecond speeds of biology. Yet, despite the apparent performance deficit at the device level, biology wins by an enormous margin at a great many tasks. Nature has thus provided ample evidence that we have only scratched the surface. There is still plenty of room to grow.