半導(dǎo)體物理學(xué) 前言 (2)課件

半導(dǎo)體物理學(xué)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)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（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?.cm（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（3）使用功能電子材料光電材料傳感材料熱電致冷材料等1）首次報(bào)道半導(dǎo)體伏特A.Volta(1745~1827)，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“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。2）負(fù)電阻溫度系數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，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)RRTT光電導(dǎo)示意圖4）整流效應(yīng)布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，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(lái)，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)之三照片伏安特性I電流V電壓0正向反向光生伏特效應(yīng)6）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LbdfExyz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)1）半導(dǎo)體材料方面當(dāng)時(shí)的一個(gè)重大任務(wù)：如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1948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)（貝爾實(shí)驗(yàn)室：肖克利，巴丁，布拉坦）1958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1960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。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(lái)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。Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量每三年，翻兩番1965，GordonMoore預(yù)測(cè)

半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞⑻幚砥鞯男阅?00G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth8080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿?2雙核(2006)

酷睿2四核(2007)

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2001130nm200490nm200765nm201045nm201332nm201622nm202210nm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萬(wàn)的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的。當(dāng)芯片集成度越來(lái)越高，耗電量也會(huì)越來(lái)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。3.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)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。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(lái)表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)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。3.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(lái)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(lái)。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。1874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1955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.Welker發(fā)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash無(wú)位錯(cuò)硅單晶1963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半導(dǎo)體材料和元素周期表周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N氧O3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te鍺的分布鍺在地殼中含量約為2×10-4%，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。鍺的制取鍺來(lái)源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成四氯化鍺；制取的四氯化鍺經(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。Si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GaAs

III-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GaAs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1/3用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快3~4倍高頻器件，軍事上應(yīng)用GaAs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)體激光器等砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高GaAS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2～3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。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(lái)制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。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/GeSiMOSFET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。基于●低維新型半導(dǎo)體材料●人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）●新一代量子器