半導(dǎo)體物理學(xué) 前言

1、半導(dǎo)體物理學(xué)1教材半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 國(guó)防工業(yè)出版社 建議120學(xué)時(shí)，現(xiàn)有36學(xué)時(shí)2本課程主要內(nèi)容1. 半導(dǎo)體的電子狀態(tài)2. 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)3. 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布4. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性5. 非平衡載流子6. p-n結(jié)7. 金屬和半導(dǎo)體的接觸10. 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象3半導(dǎo)體材料課程廣泛地介紹半導(dǎo)體材料的概念和基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類：1. 按導(dǎo)電性分類2. 按能帶論分類3. 從組成和元素分類4. 按功能和應(yīng)用分類4（1） 導(dǎo)電性良導(dǎo)體：電阻率10-6 .cm絕緣體： 1012 1022 .cm半導(dǎo)體： 10-6 1012 .cm 通常： 10-3 109 .cm5（2

2、）化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)元素半導(dǎo)體：Si，Ge化合物半導(dǎo)體：GaAs，ZnO固溶體半導(dǎo)體：AlGaAs，SiGe非晶半導(dǎo)體：非晶硅微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體：多晶硅有機(jī)半導(dǎo)體等6（3）使用功能電子材料光電材料傳感材料熱電致冷材料等 7（4）能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體寬帶隙半導(dǎo)體窄帶隙半導(dǎo)體81）首次報(bào)道半導(dǎo)體伏特 A. Volta (17451827)，意大利物理學(xué)家國(guó)際單位制中,電壓的單位伏即為紀(jì)念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個(gè)伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對(duì)電的研究從靜電發(fā)展到流動(dòng)電，開拓了電學(xué)的研究領(lǐng)域。他利用靜電計(jì)對(duì)不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導(dǎo)電性能介于它們之間的

3、“半導(dǎo)體”。他在給倫敦皇家學(xué)會(huì)的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導(dǎo)體）一詞。92）負(fù)電阻溫度系數(shù)法拉第 M. Faraday (17911867)，英國(guó)英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，現(xiàn)代電工科學(xué)的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀(jì)念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，另外法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn) 。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導(dǎo)體材料，發(fā)現(xiàn)了負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下將。負(fù)電阻溫度系數(shù)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之一10正、負(fù)電阻溫度系數(shù) 負(fù)電阻溫度系數(shù) 正電阻溫度系數(shù)RRTT113）光電導(dǎo)效應(yīng)1873年，英國(guó)史密斯W.R. Smith用

4、光照在硒的表面，發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，它開創(chuàng)了半導(dǎo)體研究和開發(fā)的先河。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之二照片12光電導(dǎo)示意圖134）整流效應(yīng)布勞恩 K.F. Braun (18501918)，德國(guó)物理學(xué)家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。1874年，他觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。 整流效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之三照片14伏安特性I 電流V 電壓0

5、正向反向155） 光生伏特效應(yīng)1876年，英國(guó)物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G. Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用就是把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為太陽能電池。1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之四照片16光生伏特效應(yīng)176）霍爾效應(yīng)1879年，霍爾(E.H. Hall) 在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”?！盎魻栃?yīng)”就是為紀(jì)念霍爾而命名的。用“霍爾效應(yīng)”可以測(cè)量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷

6、移率、電阻率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)。 霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之五照片18霍爾效應(yīng)示意圖BZIxvfBP型半導(dǎo)體薄片：長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為 d磁場(chǎng)方向 (z方向）與薄片垂直，電流方向?yàn)閤方向LbdfExyz19半導(dǎo)體的五大特性負(fù)電阻溫度系數(shù)光電導(dǎo)效應(yīng)整流效應(yīng)光生伏特效應(yīng)霍爾效應(yīng)在1880年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的五大特性，現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展也正是依據(jù)半導(dǎo)體材料的五大特性但在19世紀(jì)，半導(dǎo)體科學(xué)卻沒有取得迅猛的發(fā)展20受到限制的主要原因1. 半導(dǎo)體材料的不純半導(dǎo)體材料，先進(jìn)薄膜沉積技術(shù)，半導(dǎo)體單晶制備技術(shù)2. 半導(dǎo)體物理理論的不完善半導(dǎo)體物理學(xué)211）半導(dǎo)體材料方面當(dāng)時(shí)的一個(gè)重大任務(wù)：如

7、何制備出高純度的半導(dǎo)體材料以實(shí)現(xiàn)可控的半導(dǎo)體導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力。因而促使了半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展： 半導(dǎo)體提純技術(shù)，真空感應(yīng)拉制單晶，區(qū)域熔 煉等22四十年代：制備出了純度達(dá)9個(gè)9和10個(gè)9的高純度元素半導(dǎo)體鍺、硅單晶。P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體的制備。1950年，R. Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1956年，S. Fuller發(fā)明了擴(kuò)散工藝； 1960年，H. Loor和E. Castellani發(fā)明了光刻工藝23半導(dǎo)體體單晶生長(zhǎng)技術(shù)1950年，蒂爾（G.K. Teal）用直拉法制備出了 Ge單晶。體單晶基本上是由熔體生長(zhǎng)法制成241948年：第一只半導(dǎo)體晶體管誕生，晶體管的放大作用的發(fā)現(xiàn)（

8、貝爾實(shí)驗(yàn)室：肖克利，巴丁，布拉坦）251958年，德州儀器的基爾比發(fā)明了第一塊用Ge材料制成的集成電路1958年，仙童公司的諾伊斯發(fā)明了第一塊用硅材料制成的集成電路261960年，MOS場(chǎng)效應(yīng)管60年代初，人們?cè)诰w管發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)明了集成電路，這是半導(dǎo)體發(fā)展中的一次飛躍。它標(biāo)志著半導(dǎo)體器件由小型化開始進(jìn)入集成化時(shí)期。所謂集成電路指的是把二極管、三極管（晶體管）以及電阻、電容都制做在同一個(gè)硅芯片上，使一個(gè)片子所完成的不再是一個(gè)晶體管的放大或開關(guān)效應(yīng)，而是具有一個(gè)電路的功能。27集成電路的種類按功能不同可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類；集成電路按其制作工藝不同，可分為半導(dǎo)體集成電路、膜集成

9、電路和混合集成電路三類；器件的結(jié)構(gòu)類型可以分為雙極型集成電路和MOS集成電路按集成度高低不同，可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路四類。 集成電路的集成度指單塊芯片上所容納的原件數(shù)目。集成度越高，容納的原件數(shù)目越多。28摩爾定律1965年英特爾公司主要?jiǎng)?chuàng)始人摩爾提出了“隨著芯片上電路的復(fù)雜度提高，元件數(shù)目必將增加，每個(gè)元件的成本將每年下降一半”，這個(gè)被稱為“摩爾定律”的預(yù)言成為了以后幾十年指導(dǎo)集成電路技術(shù)發(fā)展的最終法則。在20世紀(jì)60年代初，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，到一根頭發(fā)絲上可以放1000個(gè)晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格只有千分之一美分。29Moore定律10

10、 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預(yù)測(cè)半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞?0微處理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAP)MooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth318080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989

11、)Pentium(1993)Pentium II (1997)Pentium III (1999)Pentium IV (2000)Pentium D (2005)酷睿 2 雙核(2006) 酷睿2 四核(2007) 32特征尺寸技術(shù)上一般將晶體管的半節(jié)距作為集成電路每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)標(biāo)志，稱為加工特征尺寸。晶體管尺寸縮小是集成電路集成度增加、性能提高的主要方法，但是晶體管的尺寸縮小必將有一個(gè)極限。年代特征尺寸2001130 nm200490 nm200765 nm201045 nm201332 nm201622 nm202210 nm33摩爾定律的極限1. 功耗的問題 存儲(chǔ)器工作靠的是成千上

12、萬的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的。當(dāng)芯片集成度越來越高，耗電量也會(huì)越來越大，如何解決散熱的問題？2. 摻雜原子均勻性的問題 一個(gè)平方厘米有一億到十億個(gè)器件，摻雜原子只有幾十個(gè)，怎么保證在每一個(gè)器件的雜質(zhì)原子的分布是一模一樣呢？是硅微電子技術(shù)發(fā)展遇到的又一個(gè)難題。343. SiO2層量子遂穿漏電的問題 CMOS器件的柵極和溝道中間有一層絕緣介質(zhì)SiO2，隨著器件尺寸的減小，SiO2的厚度也在減小，當(dāng)減小到幾個(gè)納米的時(shí)候，即使你加一個(gè)很小的電壓，它就有可能被擊穿或漏電，這個(gè)時(shí)候溝道電流就難以控制了。量子隧穿漏電是硅微電子技術(shù)所遇到的另一個(gè)問題。4. 量子效應(yīng)的問題 如果硅的尺寸達(dá)到幾個(gè)納米時(shí)，那么量子效應(yīng)

13、就不能忽略了，現(xiàn)有的集成電路的工作原理就可能不適用了。35新的思路1. 量子計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。 2. 光子計(jì)算機(jī) 光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。363. 生物計(jì)算機(jī) 生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。 4. 納米計(jì)算機(jī) 納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其

14、體積不過數(shù)百個(gè)原子大小。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。371874年 F.Braun金屬半導(dǎo)體接觸氧化銅、硒整流器、曝光計(jì)1879年Hall效應(yīng)K.Beadeker半導(dǎo)體中有兩種不同類型的電荷 1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain鍺晶體管 (transistor)點(diǎn)接觸式的硅檢波器1940187019301950硅晶體管381955年德國(guó)西門子氫還原三氯硅烷法制得高純硅1950年G.K.Teel直拉法較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1957年 第一顆砷化鎵單晶誕生196019501952年H.W

15、elker發(fā)現(xiàn)-族化合物 1958年W.C.Dash無位錯(cuò)硅單晶391963年 用液相外延法生長(zhǎng)砷化鎵外延層，半導(dǎo)體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應(yīng)19701960硅外延技術(shù)1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶40半導(dǎo)體材料和元素周期表41鍺的分布鍺在地殼中含量約為210-4%，但分布極為分散，常歸于稀有元素；1. 在煤和煙灰中；2. 與金屬硫化物共生；3. 鍺礦石Ge是半導(dǎo)體研究的早期樣板材料，在20世紀(jì)50年代，Ge是主要的半導(dǎo)體電子材料目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學(xué)等方面。42鍺的制取鍺來源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成四氯化鍺；制取的四氯

16、化鍺經(jīng)過精餾，萃取等提純水解生成二氧化鍺；用氫氣還原成高純鍺進(jìn)一步區(qū)熔提純成高純鍺43硅的分布硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6，在自然界中是沒有游離態(tài)的硅主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。44Si單晶8英寸（200mm）已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)12英寸（300mm）2005年全球16個(gè)工廠18英寸2007年可投入生產(chǎn)27英寸研制正在積極籌劃45GaAsIII-V族化合物半導(dǎo)體性質(zhì)（1）帶隙較大帶隙大于1.1eV（2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu) 光電轉(zhuǎn)換效率高（3）電子遷移率高高頻、高速器件46GaAs電學(xué)性質(zhì)電子的速度有效質(zhì)量越低，電子速度越快GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/

17、3用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快34倍高頻器件，軍事上應(yīng)用47GaAs光學(xué)性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導(dǎo)體激光器等48砷化鎵與硅元件特性比較49GaAS和InP世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸。 -以低位錯(cuò)密度生長(zhǎng)的23英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主。InP比GaAs 具有更優(yōu)越的高頻性能， 發(fā)展的速度更快； 研制直徑3英寸以上大直徑的InP 單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。50半導(dǎo)體超晶格、量子阱GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟。已成功地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。51目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料 新一代移動(dòng)通信。硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料Si/GeSi MOSFET 的最高截止頻率已達(dá)200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。52基于 低維