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1、半导体物理半导体物理 主讲人 蒋玉龙主讲人 蒋玉龙 微电子学楼312室 65643768 Email yljiang ftp 10 14 3 11 课程代码 INFO130022 01 课程性质 专业必修学分 3 时间 周三 3 4 周五 3 4 教室 Z2207 课程特点 内容广 概念多 课程要求 着重物理概念及物理模型 基本的计 算公式 课程考核 考勤 10 作业 20 期中 30 期末 40 课程简介1 课程简介2 参考书参考书 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 叶良修 半导体物理学
2、高等教育出版社 1987 4 R M Warner B L Grung Semiconductor Device Electronics 电子工业出版社 2002 5 K Seeger Physics of Semiconductor An Introduction 4th Ed Springer Verlag 2004 6 茹国平 半导体物理讲义 2007 7 陆昉 半导体物理讲义 2007 课程简介3 固体物理 量子力学统计物理 半导体物理半导体物理 半导体 材料 半导体 器件 半导体 工艺 半导体 集成电路 第一章 绪论 一 什么是半导体一 什么是半导体 semiconductor 二
3、半导体的主要特征二 半导体的主要特征 三 半导体的发展历史和现状三 半导体的发展历史和现状 四 半导体的明天四 半导体的明天 一 什么是半导体 semiconductor S L R 二 半导体的主要特征 例子 杂质对半导体电阻率的影响例子 杂质对半导体电阻率的影响 电阻率可在很大范围内变化电阻率可在很大范围内变化 硅硅 2x105 硼 1 百 万 0 2 cm 磷 1百 万 2x10 5 硅的纯度仍高达99 9999 导 体导 体半 导 体半 导 体绝缘体绝缘体 10 6 10 4 电阻率电阻率 cm 10 4 10 10 10 10 S L T T 半导体半导体 金属金属 温度对半导体的影
4、响温度对半导体的影响 纯硅 T 300K 2x105 cm T 320K 2 x 104 cm 气体 压力 磁场等对半导体电 阻率都产生较大的影响 气体 压力 磁场等对半导体电 阻率都产生较大的影响 气敏传感器气敏传感器压力传感器压力传感器霍尔传感器霍尔传感器 光照对半导体的影响光照对半导体的影响 硫化镉 CdS 半导体薄膜 无光照时的暗电阻为几十M 当受光照后电阻值可以下降为几十K 三 半导体的发展历史和现状 第一阶段 现象观察 1833 1931年 T T 半导体半导体 金属金属 1873年 W Smith 首次发现半导体的光电导效应 1833年 M Faraday发现半导体所具有的负电阻
5、温度系数 1874年 F Braun 首次发现半导体的整流效应 1879年 Hall首次发现 Hall效应 半导体 RH 0 RH 0 1883年 制造出硒整流器 1927年 制造出氧化亚铜整流器 1931年 H Dember 首次发现了光电池效应 第二阶段 理论指导 1931年 A H Wilson 通过解薛定谔方程发展了能带理论 1942年前后 多位科学家提出了基本类似的整流理论 第三阶段 晶体管诞生 1947年 Bardeen等人制造了第一个晶体管 1956 诺贝尔诺贝尔 John Bardeen William Bradford Shockley Walter H Brattain 晶
6、体管的三位发明人 巴丁 肖克莱 布拉顿 第四阶段 集成电路出现 1958年 杰克 S 基尔比发明第一块集成电路 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 2000 诺贝尔诺贝尔 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 元件数元件数 109 门数门数 108 1946年 世界上第一台电子计算机诞生 重30吨 用 18000个电子管 电子管寿命有限 平均工作时间2 5小时 第 一 个 微 处 理 器 PENTIUM 4微处理器芯片 微处理器芯片 0 18微米 微米 1 7G
7、Hz 4200万个元件 万个元件 2001年年 集成电路发展的集成电路发展的 Moore定律 定律 1965年 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 80808080 80868086 80286802868038680386 8048680486 PentiumPentium PentiumProPentiumPro 微电子 纳电子微电子 纳电子 上海IC产业发展战略目标 年份年份2000200520102015 15年合计 销售收入 年合计 销售收入 亿美元亿美元 7301655002300 5年平均年增长率 年平均年增长率 34412533 国内国内IC应用市场占
8、有率应用市场占有率2 9 30 50 国际市场占有率国际市场占有率0 43 1 3 5 生产线技术水平生产线技术水平8 0 358 0 18 12 0 10 12 0 05 浦东构造浦东构造 世界级微电子产业基地世界级微电子产业基地 22平方公里 到2010年总投资量600亿美元 建成20 40条生产线 200 个设计公司及20家封装 测试厂 带动上海700亿美元相关产业发展 成为第一大产业 上海贝岭 7 88亿元 6英寸 0 5 0 35微米 华虹NEC 英特尔 上海宏力 16 亿美元 8英寸 0 25微米 上海中芯国际 15亿美元 8英寸 0 25微米 我国集成电路骨干企业地区分布 67
9、17 13 3 上海上海 江苏江苏 北京北京 浙江浙江 2000年 以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一 大产业 硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素 但它现在已经成为 知识创新的载体 价值千金 这是典型的 点石成金 至少在今后50年 微电子技术仍会高速发展 第五阶段 能带工程提出 1970年 Esaki 江琦 提出超晶格半导体的概念 1971年 生长出GaAs AlGaAs 超晶格材料 GaAs AlGaAs GaAsGaAs AlGaAs E 导带 价带 超晶格 量子阱 禁 带 禁 带 E 禁禁 带带 导带 价带 导带 价带 AlGaAs GaAs 高速器件高速器件光电子器件光电子器件
10、 例子 能带工程的应用例子 能带工程的应用1 HighHigh speed speed devicesdevicestwo dimensional electron gas Optic electric Devices 例子 能带工程的应用例子 能带工程的应用2 High Brightness LEDs NICHIA CHEMICAL INDUSTRIES LTD 例子 能带工程的应用例子 能带工程的应用3 High Brightness LEDs NICHIA CHEMICAL INDUSTRIES LTD 例子 能带工程的应用例子 能带工程的应用3 白炽灯和LED交通灯比较 Lifetim
11、e 2 000h 100 000h 长寿命 节能 安全 色彩丰富长寿命 节能 安全 色彩丰富 例子 能带工程的应用例子 能带工程的应用3 设立 半导体照明国家研究项目 计划用 年时间 耗资5亿美元开发半导体照明 预测 到 年 美国将有 的白炽灯和荧光 灯被半导体灯替代 每年节约电费可达 亿美元 形成 亿美元的大产业 美国 推行 世纪光计划 投资 亿日元 提出要用半导体灯大规模替代传统白炽灯 日本 中国启动 国家半导体照明工程 十一五期间安排100亿元 资金用于发展我国半导体照明产业 专家估算 2010年如果半导体照明能够进入我国1 3的照 明市场 那么每年就可以节电1000亿度 相当于一个三
12、峡电站的发电量 上海成立 半导体照明工程技术研究中心 2005年在浦东 张江正式挂牌 上海将借此打造半导体照明光源产业的 光谷 2000 诺贝尔诺贝尔 赫伯特 克勒默 1963年提出了双异质结构激光的概念 若尔斯 阿尔费罗夫 1962年提出半导体异质结构概念 for developing semiconductor heterostructures used in high speed and opto electronics Zhores I AlferovHerbert Kroemer Von Klitzing Klaus 1985 诺贝尔诺贝尔 K Von Klitzing 发现量子霍耳
13、效应 发现量子霍耳效应 Robert B Laughlin Daniel C Tsui Horst L Stormer 发现分数化量子 霍耳效应 发现分数化量子 霍耳效应 1998 诺贝尔诺贝尔 诺贝尔物理奖得主诺贝尔物理奖得主Klaus von Klitzing 受聘我校名誉教授受聘我校名誉教授 四 半导体的明天四 半导体的明天 微米 纳米 纳米电子学 微米 纳米 纳米电子学 三维 低维 二维 一维 零维 三维 低维 二维 一维 零维 同质结 异质结 能带工程 同质结 异质结 能带工程 普通禁带 宽禁带普通禁带 宽禁带 单晶 多晶 非晶 单晶 多晶 非晶 无机 有机无机 有机 半导体 一个充
14、满前途的领域 半导体 一个充满前途的领域 半导体物理半导体物理 主讲人 蒋玉龙主讲人 蒋玉龙 微电子学楼312室 65643768 Email yljiang ftp 10 14 3 11 第二章 固体物理导论 2 1 晶体结构 2 2 晶体衍射和倒易点阵 2 3 自由电子费米气体 2 4 能带 2 5 半导体晶体 2 1 晶体结构1 固体物理主要研究晶体晶体和晶体中的电子晶体中的电子 在本世纪初 期 随着X射线衍射射线衍射的发现以及对晶体性质一系列简明 而成功的计算和预测的公布 固体物理的研究作为原 子物理的一个扩充领域 开始发展起来 C Kittel 2 1 晶体结构2 物质物质 固体固体
15、 液体液体 气体气体 非晶体非晶体 晶体晶体 单晶体单晶体 多晶体多晶体 2 1 晶体结构3 2 1 1 晶体的基本特点晶体的基本特点 组成晶体的原子按一定的方式有规则的排列而成 固定的熔点 硅的溶点 1420oC 锗的熔点 941oC 单晶具有方向性 各向异性 非晶多晶 单晶 非晶多晶 单晶 2 1 晶体结构4 2 1 2 原子的原子的周期性周期性阵列阵列 理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构 成的 结构单元组成 单个原子 铜 铁等简单晶体 多个原子或分子 NaCd2 1192个原子组成最小结构单 元 蛋白质晶体的结构单元往往由上万了原子或分子组 成 晶体结构用点阵点阵来描述 在点阵
16、的每个阵点阵点上附有 一群原子 这样一个原子群成为基元基元 基元在空间重复就形成晶体结构 2 1 晶体结构5 2 1 2 1 点阵平移矢量和点阵点阵平移矢量和点阵 给定三个基本平移矢量a b c cwbvaur r r r rrr u v w 整数 结果 从任意一个点r去观察原子排列时 同从r 点去观察所看 到的原子排列在各方面都是一样的 点阵的定义 让u v w取所有整数值 由上述方程所 确定的一族点r 就定义了一个点阵 点阵就是点在空间中周期性的规则排列 点阵是一种数学上的抽象 只有当原子基元以同样方式安 置于每个阵点上 才能形成晶体结构 2 1 晶体结构6 点阵 基元 晶体结构 基本关系 初基平移矢量的定义 若有任意两个点r和r 通过适 当选择整数u v w 它们始终满足点阵的定义方程 而且从这两个点所观察到的原子排列是一样的 那么 这个点阵和平移矢量a b c就称为初基的 定义确保了没有比这组初基平移矢量所构成的体积更小的 晶胞存在于这个点阵中 常用初基平移矢量来定义晶轴 但如果非初基晶轴更简单 些 则采用非初基晶轴 晶轴a b c构成一个平行六面体的三个邻边 如果只在 平行六
