第一章半导体材料绪论..ppt

半导体材料半导体材料李斌斌南京航空航天大学半导体材料半导体材料教材教材n n教材：教材：半导体材料半导体材料，邓志杰等编，化学工业出版社，邓志杰等编，化学工业出版社n n参考书目：参考书目：1.1.半导体材料半导体材料杨树人杨树人 等编，科学出版社等编，科学出版社 2.2.半导体物理学半导体物理学刘思科等编，国防工业出版社刘思科等编，国防工业出版社讲课内容讲课内容n n第一章第一章 绪论绪论n n第二章第二章 半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质 n n第三章第三章 元素半导体材料元素半导体材料 n n第四章第四章 化合物半导体材料化合物半导体材料 n n第五章第五章 固溶体半导体材料固溶体半导体材料 n n第六章第六章 非晶、有机和微结构半导体材料非晶、有机和微结构半导体材料n n第七章第七章 半导体器件基础半导体器件基础 n n第八章第八章 半导体电子材料半导体电子材料 n n第九章第九章 半导体光电子材料半导体光电子材料 n n第十章第十章 其他半导体材料其他半导体材料 n n第十二章第十二章 半导体材料的制备半导体材料的制备 第一章第一章 绪论绪论n n1.1 半导体材料的发展简史n n1.2 半导体材料的发展趋势n n1.3 半导体材料的分类1.1.1 首次报道半导体首次报道半导体n n伏特伏特 A.Volta(17451827)A.Volta(17451827)，意大利物理学家意大利物理学家n n国际单位制中国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命电压的单位伏即为纪念他而命名。名。n n18001800年，他发明了世界上第一个伏特电池，年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。从此，人类对电的研这是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。领域。n n他利用静电计对不同材料接地放电，区分了他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导体半导体”。n n他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了了“Semiconductor”Semiconductor”（半导体）一词。（半导体）一词。1.1.2 半导体的特有性质负电阻温度半导体的特有性质负电阻温度系数系数n n法拉第法拉第 M.Faraday(17911867)M.Faraday(17911867)，英国英国物英国英国物理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。一。n n电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。n n法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献 。n n18331833年，法拉第就开始研究年，法拉第就开始研究AgAg2 2S S半导体材料，半导体材料，发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升高，电阻值下将。高，电阻值下将。n n负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一一正、负电阻温度系数正、负电阻温度系数 负电阻温度系数负电阻温度系数 正电阻温度系数正电阻温度系数RRTT1.1.3 半导体的特有性质光电导半导体的特有性质光电导效应效应n n18731873年，英国史密斯年，英国史密斯W.R.SmithW.R.Smith用光照用光照在硒的表面，发现了硒的光电导效应，在硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。它开创了半导体研究和开发的先河。n n所谓光电导效应，是指由辐射引起被照所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。射材料电导率改变的一种物理现象。n n光电导探测器在军事和国民经济的各个光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。领域有广泛用途。n n光电导效应光电导效应是半导体材料的特有性质之是半导体材料的特有性质之二二照片光电导示意图光电导示意图1.1.4 半导体的特有性质整流效应半导体的特有性质整流效应n n布劳恩布劳恩 K.F.Braun(18501918)K.F.Braun(18501918)，德国物，德国物理学家。理学家。n n布劳恩与马可尼共同获得布劳恩与马可尼共同获得19091909年度诺贝年度诺贝尔奖金物理学奖。尔奖金物理学奖。n n18741874年，他观察到某些硫化物的电导与年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。的整流效应。n n整流效应是整流效应是半导体材料的特有性质之三半导体材料的特有性质之三照片伏安特性伏安特性I 电流V 电压0正向反向1.1.5 半导体特有性质光生伏特半导体特有性质光生伏特效应效应n n18761876年，英国物理学家亚当斯年，英国物理学家亚当斯(W.G.(W.G.Adams)Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏下产生了电动势，这就是半导体光生伏打效应。打效应。n n光生伏特效应最重要的应用就是把太阳光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。能直接转换成电能，称为太阳能电池。n n19541954年美国贝尔实验室制成了世界上第年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为一个实用的太阳能电池，效率为4%4%。n n光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料的特有性质是半导体材料的特有性质之四之四照片光生伏特效应光生伏特效应1.1.6 半导体的特有性质霍尔效应半导体的特有性质霍尔效应n n18791879年，年，霍尔霍尔(E.H.Hall)(E.H.Hall)在研究通有电流的在研究通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为为“霍尔效应霍尔效应”。n n“霍尔效应霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。就是为纪念霍尔而命名的。n n利用利用“霍尔效应霍尔效应”可以测量半导体材料的载可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。要参数。n n霍尔效应霍尔效应是半导体材料的特有性质之五是半导体材料的特有性质之五照片霍尔效应示意图霍尔效应示意图BZIxvfBP型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d磁场方向(z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向LbdfExyz1.1.7 半导体发展的限制半导体发展的限制n n在在18801880年年就发现了半导体材料的五大特性：就发现了半导体材料的五大特性：整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应生伏特效应和霍尔效应生伏特效应和霍尔效应生伏特效应和霍尔效应 但半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原但半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原因在于：因在于：1.半导体材料的不纯 2.半导体物理理论的不完善（1）半导体理论的发展背景）半导体理论的发展背景n n首先取得突破的是半导体理论的发展首先取得突破的是半导体理论的发展n n1919世纪末，英国物理学家汤姆生在展望世纪末，英国物理学家汤姆生在展望2020世纪物世纪物理学前景时，他指出在物理学晴朗的天空里出现理学前景时，他指出在物理学晴朗的天空里出现了两朵令人不安的了两朵令人不安的“乌云乌云”，第一朵，第一朵“乌云乌云”出出现在光的波动理论上，第二朵现在光的波动理论上，第二朵“乌云乌云”就是黑体就是黑体辐射。辐射。黑体辐射黑体辐射n n被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升，被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升，光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。n n为了从理论上总结热辐射规律，为了从理论上总结热辐射规律，1919世纪物理学家世纪物理学家导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。n n然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此伤透了脑筋。伤透了脑筋。n n这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理学家发现了学家发现了“新大陆新大陆”“量子论量子论”和和“相对相对论论”，将人类对物质世界的认识向前推进了一大，将人类对物质世界的认识向前推进了一大步。步。n n量子论半导体的能带理论密切相关量子论半导体的能带理论密切相关普朗克的辐射量子说普朗克的辐射量子说n n19001900年，普朗克提出辐射量子假说年，普朗克提出辐射量子假说n n假定电磁场和物质交换能量是以假定电磁场和物质交换能量是以间断间断的形式的形式(能量能量子子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。（n=1,2,3.）辐射能量和温度的关系辐射能量和温度的关系爱因斯坦的光子量子说爱因斯坦的光子量子说n n19051905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，提出年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，提出光在空间的传播也像粒子一样，称为光子或者光光在空间的传播也像粒子一样，称为光子或者光量子。量子。n n单个光子的能量为单个光子的能量为玻尔的原子量子模型玻尔的原子量子模型n n19131913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论立起原子的量子理论 。n n原子中的电子只能在原子中的电子只能在分立分立的轨道上运动，原子具的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态定态”；n n原子在这些轨道上原子在这些轨道上不辐射能量不辐射能量n n只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态，才能只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态，才能吸收或辐射能量。吸收或辐射能量。单原子模型单原子模型电子原子核补充：爱因斯坦和玻尔的争论能带理论能带理论n n19281928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想中，提出固体能带理论的基本思想能带论能带论。n n19311931年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和体的物理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。度系数和光电导现象。原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带原子能级能带允带禁带允带允带禁带半导体的能带结构半导体的能带结构Eg 6 eVEg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体半导体导电机理半导体导电机理n n1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念，这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。ECEVEDEg扩散理论扩散理论n n1939年，莫特（N.F.Mott）和肖特基（W.Schottky）各自独立地提出可以解释阻挡层整流的扩散理论。金属半导体阻挡层n n能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。（2）半导体材料工艺）半导体材料工艺n n另一方面的突破是半导体材料工艺的发展另一方面的突破是半导体材料工艺的发展n n半导体材料工艺可概括为提纯、单晶制备和杂质半导体材料工艺可概括为提纯、单晶制备和杂质控制。控制。1）杂质的概念）杂质的概念n n杂质包括物理杂质和化学纯度杂质包括物理杂质和化学纯度n n物理杂质晶体缺陷，包括位错和空位等物理杂质晶体缺陷，包括位错和空位等n n化学杂质是指基体以外的原子以代位或填化学杂质是指基体以外的原子以代位或填隙等形式掺入隙等形式掺入n n现在，半导体材料的纯度达到并超过了现在，半导体材料的纯度达到并超过了99.9999999%99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”9”例子：例子：n n纯硅在室温时的电导率为5106/欧姆厘米n n当掺入百万分之一的杂质时，虽然纯度仍有99.9999%，导电率却提高了一百万倍。2）半导体材料的提纯）半导体材料的提纯n n提纯的主要目的是去除半导体材料中的杂质提纯的主要目的是去除半导体材料中的杂质n n提纯方法可分化学法和物理法。提纯方法可分化学法和物理法。n n化学化学提纯是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素；提纯后的化合物还原成元素；n n物理物理提纯是不改变材料的化学组成进行提纯提纯是不改变材料的化学组成进行提纯（2.1）化学提纯）化学提纯n n化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。等，使用最多的是精馏。n n电解：利用金属活动顺序的不同，阳离子在阴极电解：利用金属活动顺序的不同，阳离子在阴极析出析出n n精馏：利用回流使液体混合物得到高纯度分离的精馏：利用回流使液体混合物得到高纯度分离的方法方法（2.2）物理提纯）物理提纯n n物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。纯等，使用最多的是区域精制。n n区域熔炼技术区域熔炼技术,即将半导体材料铸成锭条即将半导体材料铸成锭条,从锭条从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料。料。区熔法示意图区熔法示意图3）半导体单晶生长技术）半导体单晶生长技术n n为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。基体材料一般采用单晶体。n n单晶制备一般可分大体积单晶单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶即体单晶)制备和制备和薄膜单晶的制备。薄膜单晶的制备。3.1）半导体体单晶生长技术）半导体体单晶生长技术n n19501950年，蒂尔（年，蒂尔（G.K.TealG.K.Teal）用直拉法制备出了）用直拉法制备出了 GeGe单晶。单晶。n n体单晶基本上是由体单晶基本上是由熔体生长法熔体生长法制成制成不同的体单晶生长技术不同的体单晶生长技术n n直拉技术应用最广，直拉技术应用最广，80%80%的的硅单晶、大部分硅单晶、大部分锗单晶锗单晶n n悬浮区熔法悬浮区熔法生长高纯硅单晶生长高纯硅单晶n n水平水平区熔法区熔法生产锗单晶生产锗单晶n n垂直定向结晶法生长碲化镉、砷化镓垂直定向结晶法生长碲化镉、砷化镓n n国际上的产品主要是国际上的产品主要是1212英寸以上的单晶硅，最大英寸以上的单晶硅，最大尺寸达尺寸达2424英寸。英寸。（3.2）半导体外延生长技术）半导体外延生长技术n n在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延生长。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延生长。n n如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延外延n n如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延质外延外延生长的优点外延生长的优点n n1.1.外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶生长依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶生长需要进行杂质掺杂。需要进行杂质掺杂。n n2.2.外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的制备尤为重要。制备尤为重要。n n3.3.一些半导体材料目前只能用外延生长来制备，一些半导体材料目前只能用外延生长来制备，如如GaNGaN多层膜外延生长多层膜外延生长外延生长的技术外延生长的技术n n外延生长的技术有汽相、液相、分子束外延等。外延生长的技术有汽相、液相、分子束外延等。n n采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延；n n采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延外延;（4）杂质的掺杂）杂质的掺杂n n半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系：质原子和晶体缺陷有很大关系：n n一方面，电阻率一方面，电阻率 、载流子迁移率和非平衡载流子、载流子迁移率和非平衡载流子寿命等一般随杂质的增加而减小，希望尽可能的寿命等一般随杂质的增加而减小，希望尽可能的提高半导体材料的纯度；提高半导体材料的纯度；n n另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。开各种杂质原子的作用。杂质的掺杂杂质的掺杂n n1.先生长出纯净的半导体材料，再按照需要外加的掺入不同的杂质；n n2.一边生长半导体材料的同时，一边加入所需要的杂质1.1.8 晶体管的发明背景晶体管的发明背景n n理论背景：理论背景：能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。n n材料背景：材料背景：半导体材料工艺的进一步完善，制备出了高纯度半导体材料工艺的进一步完善，制备出了高纯度的半导体材料，为晶体管提高了高纯的半导体材的半导体材料，为晶体管提高了高纯的半导体材料料真空管真空管n n“真空管真空管”代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。n n真空管拥有三个最基本的极，第一是真空管拥有三个最基本的极，第一是“阴极阴极”，它是释，它是释放出电子流的地方，当灯丝加热时，电子就会游离而出，放出电子流的地方，当灯丝加热时，电子就会游离而出，散布在真空玻璃瓶里。散布在真空玻璃瓶里。n n第二个极是第二个极是“屏极屏极”，基本是真空管最外围的金属板，基本是真空管最外围的金属板，屏极连接正电压，负责吸引从阴极散发出来的电子，作屏极连接正电压，负责吸引从阴极散发出来的电子，作为电子游离旅行的终点。为电子游离旅行的终点。n n第三个极为第三个极为“栅极栅极”，电子流必须通过栅极而到屏极，电子流必须通过栅极而到屏极，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，具有流通与在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，具有流通与阻挡的功能。阻挡的功能。真空管的缺点真空管的缺点n n脆脆n n易碎易碎n n体积庞大体积庞大n n不可靠不可靠n n耗电量大耗电量大n n效率低效率低n n运作时释出大量热能运作时释出大量热能n n。贝尔实验室贝尔实验室n n贝尔实验室创建于贝尔实验室创建于19251925年，它隶属于美国电话电报公司年，它隶属于美国电话电报公司（ATATT T），是世界最大的由企业经办的科学实验室之一，），是世界最大的由企业经办的科学实验室之一，历年来发明了有声电影（历年来发明了有声电影（19261926年）、电动计算机（年）、电动计算机（19371937年）、年）、晶体管（晶体管（19471947年）、激光器（年）、激光器（19601960年），以及发现电子衍射年），以及发现电子衍射（19271927年）和宇宙微波背景辐射（年）和宇宙微波背景辐射（19651965年）等，先后有多位年）等，先后有多位科学家获诺贝尔物理学奖。科学家获诺贝尔物理学奖。n n19461946年年1 1月，贝尔实验室正式成立了固体物理研究组，其宗月，贝尔实验室正式成立了固体物理研究组，其宗旨就是要对固体物理学进行深入探讨，从而指导半导体器件旨就是要对固体物理学进行深入探讨，从而指导半导体器件的研制。的研制。n n如果没有贝尔实验室有远见的集体攻关，晶体管发明的历史如果没有贝尔实验室有远见的集体攻关，晶体管发明的历史也许会是另一个样子，信息时代的到来也许要推迟若干年。也许会是另一个样子，信息时代的到来也许要推迟若干年。主要成员主要成员n n组长是半导体物理学理论家肖克利（组长是半导体物理学理论家肖克利（B.ShockleyB.Shockley）n n实验物理学家布拉坦（实验物理学家布拉坦（W.Brattain W.Brattain）n n固体物理学家巴丁（固体物理学家巴丁（J.BardeenJ.Bardeen）n n电子线路专家摩尔（电子线路专家摩尔（H.R.MooreH.R.Moore）n n物理化学家摩根（物理化学家摩根（S.MorganS.Morgan）和吉布尼（）和吉布尼（R.B.R.B.GibneyGibney），），n n半导体专家皮耳逊（半导体专家皮耳逊（G.L.PearsonG.L.Pearson），欧尔（），欧尔（R.S.R.S.OhlOhl）和）和蒂尔（蒂尔（G.K.TealG.K.Teal）。）。第一个晶体管第一个晶体管n n19471947年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。体管。n n在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。n n因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一的某一“点点”接触，故称之为接触，故称之为“点接触晶体管点接触晶体管”。n n这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作困难等缺点。大率小、制作困难等缺点。世界上第一个晶体管世界上第一个晶体管第一个结型晶体管第一个结型晶体管n n肖克利提出另一个新设想：在半导体的两个肖克利提出另一个新设想：在半导体的两个P P区中间夹一区中间夹一个个NN区的结构就可以实现晶体管放大作用。区的结构就可以实现晶体管放大作用。n n 19501950年，第一个年，第一个“结型晶体管结型晶体管”试制成功。试制成功。n n 这种晶体管是利用这种晶体管是利用电子和空穴的作用原理制成电子和空穴的作用原理制成，它是现代，它是现代晶体管的雏型。晶体管的雏型。n n它克服了它克服了“点接触晶体管点接触晶体管”的不稳定性，而且噪声低、功的不稳定性，而且噪声低、功率大。率大。n n19561956年，肖克利和巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理奖。年，肖克利和巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理奖。1.1.10 集成电路的出现集成电路的出现n n19501950年，年，R.R.OhlOhl和肖特莱发明了离子注入工艺；和肖特莱发明了离子注入工艺；n n19561956年，年，S.FullerS.Fuller发明了扩散工艺；发明了扩散工艺；n n19601960年，年，H.H.LoorLoor和和E.E.CastellaniCastellani发明了光刻工艺；发明了光刻工艺；n n19581958年，德州仪器的基尔比发明了第一块用年，德州仪器的基尔比发明了第一块用GeGe材材料制成的集成电路料制成的集成电路n n19581958年，仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材年，仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材料制成的集成电路料制成的集成电路 第一块集成电路第一块集成电路1958年，第一块集成电路：12个器件，Ge晶片TI公司Kilby，2000年获Nobel奖集成电路的意义集成电路的意义n n6060年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展中的一次飞跃。成电路，这是半导体发展中的一次飞跃。n n它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。期。n n所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个个片子所完成的不再是一个晶体管的放大晶体管的放大或或开关开关效应效应，而是具有一个，而是具有一个电路的功能电路的功能。集成电路的种类集成电路的种类n n按功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路按功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类；两大类；n n集成电路按其制作工艺不同，可分为半导体集成集成电路按其制作工艺不同，可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类；电路、膜集成电路和混合集成电路三类；n n按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类。规模及超大规模集成电路四类。集成度的概念集成度的概念n n集成电路的集成度指集成电路的集成度指单块芯片上所容纳的原件数目单块芯片上所容纳的原件数目。集成。集成度越高，容纳的原件数目越多。度越高，容纳的原件数目越多。n n小规模集成电路：集成度小于小规模集成电路：集成度小于100100个元件；个元件；n n中规模集成电路中规模集成电路MSIMSI：集成度在：集成度在10010001001000个元件之间；个元件之间；n n大规模集成电路大规模集成电路LSILSI：集成度在：集成度在10001000个元件以上；个元件以上；n n超大规模集成电路超大规模集成电路VLSIVLSI：集成度达十万个元件以上；：集成度达十万个元件以上；n n特大规模集成电路特大规模集成电路ULSIULSI：集成度达到一千万个原件以上。：集成度达到一千万个原件以上。摩尔定律摩尔定律n n19651965年英特尔公司主要创始人年英特尔公司主要创始人摩尔摩尔提出了提出了“随着随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半每个元件的成本将每年下降一半”，n n这个被称为这个被称为“摩尔定律摩尔定律”的预言成为了以后几十的预言成为了以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。年指导集成电路技术发展的最终法则。n n在在2020世纪世纪6060年代初，一个晶体管要年代初，一个晶体管要1010美元左右，美元左右，但随着晶体管越来越小，到一根头发丝上可以放但随着晶体管越来越小，到一根头发丝上可以放10001000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。一美分。Moore定律定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量存储器容量存储器容量存储器容量 每三年，翻两番每三年，翻两番每三年，翻两番每三年，翻两番19651965，Gordon Moore Gordon Moore 预测预测预测预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番微处理器的性能微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Peak Advertised Advertised Performance Performance(PAP)(PAP)MooresMooresLawLawReal AppliedReal AppliedPerformance Performance(RAP)(RAP)41%Growth41%Growth8080(1974)8080(1974)8086(1978)8086(1978)80286(1982)80286(1982)80386(1985)80386(1985)80486(1989)80486(1989)Pentium(1993)Pentium(1993)Pentium II(1997)Pentium II(1997)Pentium III(1999)Pentium III(1999)Pentium IVPentium IV (2000)(2000)Pentium D(2005)Pentium D(2005)酷睿酷睿酷睿酷睿 2 2 双核双核双核双核(2006)(2006)酷睿酷睿酷睿酷睿2 2 四核四核四核四核(2007)(2007)摩尔定律的适用性摩尔定律的适用性n n晶体管的数目，微处理器的性能，价格等方面晶体管的数目，微处理器的性能，价格等方面都和摩尔定律符合得很好。都和摩尔定律符合得很好。n n摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测。势的一种分析预测。n n摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。现它。n n多种版本的多种版本的“摩尔定律摩尔定律”：摩尔第二定律（成：摩尔第二定律（成本），新摩尔定律（上网用户）本），新摩尔定律（上网用户）特征尺寸特征尺寸n n技术上一般将晶体管的技术上一般将晶体管的半节距作为集成电路每半节距作为集成电路每个技术节点的检验标志，个技术节点的检验标志，称为称为加工特征尺寸。加工特征尺寸。n n晶体管尺寸缩小是集成晶体管尺寸缩小是集成电路集成度增加、性能电路集成度增加、性能提高的主要方法，但是提高的主要方法，但是晶体管的尺寸缩小必将晶体管的尺寸缩小必将有一个极限。有一个极限。年代年代特征尺寸特征尺寸20012001130 nm130 nm2004200490 nm90 nm2007200765 nm65 nm2010201045 nm45 nm2013201332 nm32 nm2016201622 nm22 nm2022202210 nm10 nm摩尔定律的极限摩尔定律的极限n n1.1.功耗的问题功耗的问题 存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的。当芯片集成度越来越高，耗电量也会越来忆的。当芯片集成度越来越高，耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题？越大，如何解决散热的问题？n n2.2.掺杂原子均匀性的问题掺杂原子均匀性的问题 一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎么保证在每一个器件的杂质原子只有几十个，怎么保证在每一个器件的杂质原子的分布是一模一样呢？是硅微电子技术发展遇到的分布是一模一样呢？是硅微电子技术发展遇到的又一个难题。的又一个难题。n n3.SiO3.SiO2 2层量子遂穿漏电的问题层量子遂穿漏电的问题 CMOSCMOS器件的栅极和沟道中间有一层绝缘介质器件的栅极和沟道中间有一层绝缘介质SiOSiO2 2，随着器件尺寸的减小，随着器件尺寸的减小，SiOSiO2 2的厚度也在减的厚度也在减小，当减小到几个纳米的时候，即使你加一个很小，当减小到几个纳米的时候，即使你加一个很小的电压，它就有可能被击穿或漏电，这个时候小的电压，它就有可能被击穿或漏电，这个时候沟道电流就难以控制了。量子隧穿漏电是硅微电沟道电流就难以控制了。量子隧穿漏电是硅微电子技术所遇到的另一个问题。子技术所遇到的另一个问题。n n4.4.量子效应的问题量子效应的问题 如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应就如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应就不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不适用了。不适用了。改良的方法延长摩尔定律改良的方法延长摩尔定律n n1.1.氧化物绝缘层的击穿和漏电问题，可以改用氧化物绝缘层的击穿和漏电问题，可以改用介电常数大的介质，厚度就会增加。即用新的介电常数大的介质，厚度就会增加。即用新的介电材料来代替介电材料来代替SiOSiO2 2，就可以避免由于量子隧，就可以避免由于量子隧穿导致的漏电问题。穿导致的漏电问题。n n2.2.把硅把硅CMOS CMOS 器件的源或漏电器件的源或漏电极集成一个共振极集成一个共振隧穿器件隧穿器件，在不增加功耗和器件尺寸情况下，在不增加功耗和器件尺寸情况下，就可以把器件的就可以把器件的逻辑功能逻辑功能提高上百倍千倍！这提高上百倍千倍！这种混合集成的办法虽不能彻底克服硅微电子技种混合集成的办法虽不能彻底克服硅微电子技术遇到的挑战，可以用于延长摩尔定律的寿命。术遇到的挑战，可以用于延长摩尔定律的寿命。n n3.3.另外一种方法就是应变硅，另外一种方法就是应变硅，CMOSCMOS器件的沟道采器件的沟道采用用应变硅应变硅，可以在成本增加不多的情况下，大大，可以在成本增加不多的情况下，大大地提高芯片的运算速度。地提高芯片的运算速度。n n4.4.新型半导体材料和器件，新型半导体材料和器件，GaAsGaAs和和GaNGaN基材料和基材料和器件，可以提高器件和电路的速度以及解决由于器件，可以提高器件和电路的速度以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。新的思路新的思路n n1.1.量子计算机量子计算机 量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。着聚合物移动，从而进行运算。n n2.2.光子计算机光子计算机 光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。子硬件，光运算代替电运算。n n3.3.生物计算机生物计算机 生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物物理化学介质理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。质的结构中极其明显地表示出来。n n4.4.纳米计算机纳米计算机 纳米技术研制的计算机内