(1.2)-半導(dǎo)體技術(shù)導(dǎo)論

集成電路是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是當(dāng)前我國最重點發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)前復(fù)雜的國際形勢下最有力的科技武器，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，重要性不言而喻。計算發(fā)電通信顯示照明控制探測集成電路傳感集成電路的核心材料是以單晶硅為代表的半導(dǎo)體，正是基于半導(dǎo)體易于調(diào)節(jié)和控制的奇妙導(dǎo)電性能，集成電路才能實現(xiàn)那么多重要的功能。（動畫）計算發(fā)電通信顯示照明控制探測半導(dǎo)體材料集成電路什么是半導(dǎo)體？電阻率電導(dǎo)率絕緣體/半導(dǎo)體/良導(dǎo)體的典型電導(dǎo)率/電阻率范圍絕緣體半導(dǎo)體良導(dǎo)體動態(tài)顯示重要概念（動態(tài)顯示，內(nèi)層電子和外層電子）物質(zhì)導(dǎo)電能力的強弱主要取決于其中自由電荷的數(shù)目，而非總電荷數(shù)目。絕大多數(shù)電荷（電子和構(gòu)成原子核的質(zhì)子）是被牢牢束縛在原子內(nèi)的，對其導(dǎo)電性沒有幫助。銅原子波爾模型簡化模型量子態(tài)和能級（動態(tài)顯示）量子力學(xué)：原子的每個量子（離散的）狀態(tài)都對應(yīng)一個量子（離散的）能級量子態(tài)能級舉例：量子阱中的量子態(tài)和能級（動態(tài)顯示）能級升高，活動范圍增大動態(tài)顯示：先顯示左圖，右邊的橫線和文字不顯示，然后根據(jù)音頻，高亮上左圖中除了X軸以外的所有橫線（能級），再高亮上左圖中的所有波浪線（量子態(tài)）。再從低到高依次高亮各個波浪線+橫線，并出現(xiàn)右邊的橫線和文字，以演示“能級升高，活動范圍增大”這一原理。量子態(tài)和能級（動畫）形象地說：量子態(tài)對應(yīng)軌跡，能級代表電子的能量高低，能量越高越自由，運動范圍越大，軌跡越遠離原子核這里插入一個動畫，從里到外高亮各個圓圈（軌道），并同時用字幕或箭頭或其他方式同步表示電子能量從里到外增大硅原子的能級（動態(tài)顯示）一個獨立的（離散的）硅原子：4個價電子（可用于和其他相鄰的硅原子共用形成共價鍵）能級分裂（依次顯示動態(tài)效果或者做成動畫）兩個原本獨立離散的硅原子相互接近形成共價鍵=>其相互作用導(dǎo)致量子態(tài)分裂（軌道分裂）=>能級也隨之分裂兩個獨立的離散的硅原子接近前接近后能級量子態(tài)SiSiSiSi價電子共價鍵能帶許多個硅原子密集排列在一起形成單晶體形成非常多非常密集的量子態(tài)分裂和能級分裂非常密集的能級共同組成能帶多個原子密集排列相互作用導(dǎo)致能級分裂形成能帶原子間平均距離電子能量（動畫做成從右到左，原子間距離逐漸減小，導(dǎo)致能級由一條線分裂成多條線的過程）單晶硅中的能帶結(jié)構(gòu)（動態(tài)顯示）導(dǎo)帶價帶多個硅原子密集排列形成硅單晶（晶格常數(shù)5.43埃），相互作用導(dǎo)致能級分裂形成不同的能帶：導(dǎo)帶、價帶（中間部分稱為禁帶，禁帶寬度，即帶隙的大小，即導(dǎo)帶和價帶之間的最小能量差，記為Eg)禁帶（動畫做成從右到左，原子間距離逐漸減小，導(dǎo)致能級分裂生成導(dǎo)帶、價帶和禁帶的過程）半導(dǎo)體材料：有帶隙且寬度適中半導(dǎo)體材料的主要特征電導(dǎo)率/電阻率范圍物理原理：具有合適的帶隙，可以方便地調(diào)節(jié)其導(dǎo)帶上的自由電子和價帶上的自由空穴的數(shù)量動畫：半導(dǎo)體易被激發(fā)產(chǎn)生自由電荷（熱、光、電）（依次顯示：良導(dǎo)體固有自由電子自由移動；半導(dǎo)體激發(fā)后在導(dǎo)帶中產(chǎn)生自由電子；絕緣體電子激發(fā)不上去）半導(dǎo)體的重要性主要來源于其導(dǎo)電性可調(diào)可控?。?！=>很容易由摻雜、熱激發(fā)、電激發(fā)、光激發(fā)等方式控制材料中自由電荷的濃度=>從而可以方便地實現(xiàn)電流的開關(guān)、放大等重要功能正是半導(dǎo)體的各種奇妙特性，奠定了集成電路及其應(yīng)用的物理基礎(chǔ)！電激發(fā)光激發(fā)摻雜熱激發(fā)備用Slides三種典型的成鍵（電子分享）方式:離子鍵所有的電子都緊密束縛在一個原子內(nèi)）典型代表：NaCl、MgO上圖如果能重新畫一下清晰一點就更好三種典型的成鍵（電子分享）方式:共價鍵（電子被相同或不相同的相鄰原子所共同擁有）典型代表：H2O，Si，Ge三種典型的成鍵（電子分享）方式:金屬鍵所有金屬原子的外層價電子都脫離原來的原子核，而被所有陽離子所共有，變成在整個晶體內(nèi)部自由運動的自由電子典型代表：金、銀、銅金屬鍵：一堆帶正電的陽離子組成的晶格骨架浸沒在價電子自由移動的海洋中自由電子在電場作用下定向移動形成電流三種典型的成鍵（電子分享）方式:離子鍵=>沒有自由電子，在電場或其他外界激勵下也基本不能形成電流=>絕緣體典型代表：NaCl、MgO金屬鍵=>海量自由電子在電場作用下很容易形成電荷定向移動，即電流=>良導(dǎo)體典型代表：金、銀、銅共價鍵（電子被相同或不相同的相鄰原子所共同擁有）=>部分電子在得到一定的外界激勵比如熱激發(fā)（可能室溫下即可激發(fā)）的條件下可以脫離原子形成自由電子，然后在電場作用下形成電荷定向移動，即電流=>共價化合物或單質(zhì)=>半導(dǎo)體？典型代表：H2O，Si，Ge重要概念電流（動畫）：電荷的定向移動。電荷雜亂無章的隨機運動不構(gòu)成宏觀電流。電荷雜亂無章的隨機運動不構(gòu)成宏觀電流自由