半導(dǎo)體物理-0

1、半導(dǎo)體物理學,主講教師: 蘭勝 Mobile phone:Email: Website: 辦公室: 理4棟511室（Tel: 39190378）,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,2,個人簡介,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,3,光電學院超凈光學實驗室（大學城華師理4棟4樓）,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,4,納米光子學實驗平臺 可以開展納米光子學、非線性光學、超快（瞬態(tài)）光學、激光加工/改性、激光光譜學、太赫茲波等領(lǐng)域的實驗研究。,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,5,液相外延生長半導(dǎo)體多層材料：InGaP/GaAs,半

2、導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,6,分子束外延生長低維半導(dǎo)體材料：InGaAs/GaAs量子點,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,7,自組織生長InGaAs/GaAs量子點,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,8,ZnO、Si納米材料、InGaN/GaN量子阱,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,9,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,10,半導(dǎo)體器件的應(yīng)用,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,11,半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)（電-光）,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,12,半導(dǎo)體光伏產(chǎn)業(yè)（光-電）,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCN

3、U 光電學院,13,半導(dǎo)體器件的應(yīng)用,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,14,2000年諾貝爾物理學獎,俄羅斯艾爾菲物理技術(shù)學院的阿法洛夫 (Z. I. Alferov)、 美國加州圣塔巴巴拉大學的克洛姆 (H. Kroemer)、 以及美國德州儀器公司的基爾比 (J. S. Kilby)。 得獎理由：研究成果奠定了現(xiàn)代信息科技的基石， 尤其是有關(guān)于快速晶體管、激光二極管和集成電路的發(fā)明。,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,15,第0章 緒論,一、什么是半導(dǎo)體 (semiconductor) 二、半導(dǎo)體的主要特征 三、半導(dǎo)體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 四、半導(dǎo)體的明天,半導(dǎo)體物理學

4、0.緒論 SCNU 光電學院,16,一、什么是半導(dǎo)體 (semiconductor)？,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,17,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,18,晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,19,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,20,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,21,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,22,二、半導(dǎo)體的主要特征: 電阻率可在很大范圍內(nèi)變化,例子：雜質(zhì)對半導(dǎo)體電阻率的影響 微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 以純硅中每100萬個硅原子摻進一個族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時 硅的純

5、度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至0.2cm以下,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,23,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,24,三、半導(dǎo)體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,第一階段：現(xiàn)象觀察(1833-1931年) 1833年：M.Faraday發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體所具有的負電阻溫度系數(shù) 1873年：W.Smith 首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng),半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,25,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,26,第二階段：理論指導(dǎo),1931年：A.H.Wilson 通過解薛定諤方程發(fā)展了能帶理論 1942年前后，多位科學家提出了基

6、本類似的整流理論,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,27,第三階段：晶體管誕生,1947年：Bardeen等人制造了第一個晶體管,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,28,第四階段：集成電路出現(xiàn),半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,29,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,30,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,31,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,32,莫爾定律,每過18個月，器件的集成度提高一倍， 而特征線寬則降低一半（指數(shù)增加或減?。?半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,33,現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均12年翻一番的速度

7、在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小規(guī)模 中規(guī)模 大規(guī)模 超大規(guī)模 超超大規(guī)模 超億規(guī)模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 理論集成度 10-100 1001000 100010萬 10萬100萬 100萬1億 1億 商業(yè)集成度 1 10 1001000 10002萬 2萬5萬 50萬 1000萬 觸發(fā)器 計數(shù)器 單片機 16位和32位 圖象 SRAM 加法器 ROM 微處理器 處理器 128位CPU,（1）設(shè)計技術(shù)的提高，簡化電路，合理布局布線 （2）器件的尺寸縮小（工藝允許的最細線條） （生產(chǎn)環(huán)境：超凈車間） （3）芯片面積增

8、大，從15 mm2到現(xiàn)在的1cm2,1967年在一塊晶片上完成1000個晶體管的研制成功。,集成電路集成度的提高主要依靠三個因素,由于現(xiàn)在這三方面都有所突破，所以集成規(guī)模發(fā)展很快.這樣的發(fā)展速度也給我們提出了一些新的問題？,77年美國30mm2制作13萬個晶體管，即64K位DRAM。,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,34,目前使用的16兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.5 微米， 64兆位DRAM集成電路的線條寬度為0.3 微米，繼續(xù)發(fā)展可望達到0.01微米；目前正在研發(fā)階段。 0.01微米的概念 0.01微米=0.01mm=10nm=100 相當于30個原子排成一列的長度。,集

9、成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？,在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？,如果“有”，它的極限是多少？還有沒有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,35,30個原子排成一列的長度。這一尺寸在半導(dǎo)體集成電路中，已經(jīng)成為極限，再小PN結(jié)的理論就不存在了，或者說作為電子學范疇的集成電路已達極限，就會從電子學躍變到量子工學的范疇，由量變到質(zhì)變，隨之而來的一門新的工程學對量子現(xiàn)象加以工程應(yīng)用的“量子工學”也就誕生了，由這一理論指導(dǎo)而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展。 現(xiàn)在美國和日本正投入大量的人力和物力進行這方面的研究，并且在“原子級加工”方面取得了一定的成果。 我國在

10、這方面也有大的投入。,集成電路的技術(shù)發(fā)展是否有極限？,在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？,如果“有”，它的極限是多少？還有沒有新的方法以求得繼續(xù)發(fā)展。,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,36,第五階段：能帶工程提出,1970年：Esaki(江琦提出超晶格半導(dǎo)體的概念 1971年：生長出GaAs/AlGaAs超晶格材料,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,37,能帶工程的應(yīng)用例1,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,38,能帶工程的應(yīng)用例2,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,39,能帶工程的應(yīng)用例3,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,40,四、半

11、導(dǎo)體的明天,微米納米（納米電子學） 同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)（能帶工程） 三維低維（二維、一維、零維） 普通禁帶寬禁帶 單晶多晶（非晶） 無機有機 半導(dǎo)體：一個充滿前途的領(lǐng)域！,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,41,課程特點：內(nèi)容廣、概念多 課程要求：著重物理概念及物理模型；基本的計算公式課程 考核：考勤（10%），作業(yè)（0%），期末（90%）,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,42,課程所涉及的知識結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,43,教材,半導(dǎo)體物理學劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社, 第 7 版 出版時間：2011-03 普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 I S B N ：9787121129902,半導(dǎo)體物理學 0.緒論 SCNU 光電學院,44,參考書,固體物理導(dǎo)論， 美 C.基泰爾(Charles Kitte)著 化學工業(yè)出版社，2005年9月 第 1 版 固體物理學 基礎(chǔ)教程，沈以赴 著 化學工業(yè)出版社，2005年5月 第 1 版 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)黃昆、韓汝琦著 半導(dǎo)體物理學葉良修，高等教育出版社（1987） 半導(dǎo)體物理與器件-基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen著 半導(dǎo)體器件物理與工藝(美)A.S.格羅夫著，齊建譯 半導(dǎo)體器件