半导体物理前言 精.ppt

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1、半导体物理前言 第1页，本讲稿共39页半导体的晶体结构和电子状态半导体的晶体结构和电子状态杂质和缺陷能级杂质和缺陷能级载流子的散射及电导问题载流子的散射及电导问题载流子的统计分布载流子的统计分布本课程主要内容本课程主要内容(1)非平衡载流子的产生、复合及运动规律非平衡载流子的产生、复合及运动规律第2页，本讲稿共39页本课程主要内容本课程主要内容(2)半导体的表面和界面半导体的表面和界面 （pn结、金属与半导体接触、半导体表面与结、金属与半导体接触、半导体表面与 MIS结构、半导体异质结构）结构、半导体异质结构）半导体的光、热、磁、压阻等物理现象半导体的光、热、磁、压阻等物理现象非晶半导体非晶半

2、导体第3页，本讲稿共39页主要中文参考书主要中文参考书刘恩科：半导体物理学刘恩科：半导体物理学田敬民：半导体物理问题与习题田敬民：半导体物理问题与习题钱佑华、徐至中：半导体物理钱佑华、徐至中：半导体物理夏建白：现代半导体物理夏建白：现代半导体物理夏建白：半导体超晶格物理夏建白：半导体超晶格物理许振嘉：近代半导体材料的表面科学基础许振嘉：近代半导体材料的表面科学基础方俊鑫：固态物理学方俊鑫：固态物理学贺德衍译：半导体材料物理基础贺德衍译：半导体材料物理基础第4页，本讲稿共39页主要英文参考书主要英文参考书PY Yu:Fundamentals of Semiconductor Physics:Ph

3、ysics and Materials PropertiesRobert F.Pierret:Semiconductor Device Fundamentals(Part1)M.Balkanski:Semiconductor Physics and ApplicationsS Wang:Fundamentals of Semiconductor Theory and Device Physics第5页，本讲稿共39页前言前言什么是半导体什么是半导体半导体的分类半导体的分类半导体的地位半导体的地位半导体的发展半导体的发展第6页，本讲稿共39页一、什么是半导体？一、什么是半导体？固体材料可分成：超

4、导体、导体、固体材料可分成：超导体、导体、半导体半导体、绝缘体、绝缘体从导电性（电阻）：从导电性（电阻）：电阻率电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数半导体半导体第7页，本讲稿共39页电阻率电阻率 绝缘体：绝缘体：109cm半导体：半导体：10-2cm109cm Ge=0.2 cm 导体：导体：10-3cm 例如：例如：Cu10-6cm第8页，本讲稿共39页TR半导体金属绝缘体电阻温度系数电阻温度系数第9页，本讲稿共39页电子激发能隙电子激发能隙 导体：导体：Eg 0 例如：例如：Eg(Cu)0 eV 绝缘体：绝缘体：Eg 3 eV

5、例如：例如：Eg(SiO2)=8.0 eV半导体：半导体：0 Eg 3 eV 例如：例如：Eg(Si)=1.12 eV第10页，本讲稿共39页例外例外半导体金刚石半导体金刚石(Eg 6 eV)氮化镓氮化镓GaN(Eg 3.5 eV)硫化锌硫化锌 ZnS(Eg 3.5 eV)第11页，本讲稿共39页二、半导体材料的分类二、半导体材料的分类按功能和应用分按功能和应用分微电子半导体微电子半导体光电半导体光电半导体热电半导体热电半导体微波半导体微波半导体气敏半导体气敏半导体 第12页，本讲稿共39页按组成分：按组成分：无机半导体：元素、化合物无机半导体：元素、化合物有机半导体有机半导体按结构分按结构分

6、:晶体：单晶体、多晶体晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形非晶、无定形第13页，本讲稿共39页 1.无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体固溶体半导体固溶体半导体第14页，本讲稿共39页GeSeSiCBTePSbAs元素半导体SISn熔点太高、不熔点太高、不易制成单晶易制成单晶不稳定、不稳定、易挥发易挥发低温某种低温某种固相固相稀少稀少(1)元素半导体晶体元素半导体晶体第15页，本讲稿共39页化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、Cd

7、Te、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体 第16页，本讲稿共39页过过渡渡金金属属氧氧化化物物半半导导体体：有有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等。等。尖尖晶晶石石型型化化合合物物（磁磁性性半半导导体体）：主主要要有有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。等。稀稀土土氧氧、硫硫、硒硒、碲碲化化合合物物：有有EuO、EuS、EuSe、EuTe 等。等。第17页，本讲稿共39页 (1)非

8、晶非晶Si、非晶、非晶Ge以及非晶以及非晶Te、Se元素半元素半 导体导体 (2)化合物有化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体非晶半导体2.非晶态半导体非晶态半导体第18页，本讲稿共39页有机半导体有机半导体 酞菁类及一些多环、稠环化合物，酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大子，他们都具有大键结构。键结构。3.有机半导体有机半导体高分子聚合物高分子聚合物有机分子晶体有机分子晶体有机分子络合物有机分子络合物第19页，本讲稿共39页三、半导体材料的地位三、半导体材料的地位国民经济

9、国民经济国家安全国家安全科学技术科学技术半导体微电子和光电子材料半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗、武器装备的微型化、智能化第20页，本讲稿共39页四、半导体的发展四、半导体的发展萌萌芽芽期期成长成长期期成熟期成熟期衰退期第21页，本讲稿共39页1874年年 F.Braun金属半导体接触金属半导体接触氧化铜、硒氧化铜、硒整流器、曝光计整流器、曝光计1879年年Hall效应效应K.Beadeker半导半导体中有两种不同体中有两种不同类型的电荷类型的电荷 1948年年 Shockley，Bardeen,Brattain锗晶体管锗晶体管(transistor)

10、点接触式的点接触式的硅硅检波器检波器1940187019301950萌萌芽芽期期硅硅晶体管晶体管第22页，本讲稿共39页第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管(transistor)成为现代电子成为现代电子工业的基础工业的基础Ge 晶体管晶体管获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖第23页，本讲稿共39页1955年德国西门子年德国西门子氢还原三氯硅烷法氢还原三氯硅烷法制得高纯硅制得高纯硅1950年年G.K.Teel直拉法直拉法较大的锗单晶较大的锗单晶1952年年G.K.Teel直拉法直拉法第一根硅单晶第一根硅单晶1957年年 第一颗砷化镓第一颗砷化镓单晶诞生单晶诞生19601950进进

11、入入成成长长期期1952年年H.Welker发现发现-族化族化合物合物 1958年年W.C.Dash无位错硅单无位错硅单晶晶第24页，本讲稿共39页1963年年 用液相外延法生长用液相外延法生长砷化镓外延层，砷化镓外延层，半导体激光器半导体激光器1963年砷化镓年砷化镓微波振荡效应微波振荡效应19701960硅外延硅外延技术技术1965年年J.B.Mullin发明发明氧化硼液封直拉氧化硼液封直拉法砷化镓单晶法砷化镓单晶第25页，本讲稿共39页分子束外延分子束外延MBE金属有机化学汽相沉积金属有机化学汽相沉积MOCVD半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料杂质工程杂质工程能带工程能带工

12、程电学特性和光学特性可裁剪电学特性和光学特性可裁剪第26页，本讲稿共39页几种主要半导体的发展现状与趋势几种主要半导体的发展现状与趋势 硅硅增大直拉硅（增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是）单晶的直径仍是今后今后CZ-Si发展的总趋势。发展的总趋势。第27页，本讲稿共39页Si单晶8英寸英寸（200mm）已实现大规模工业生产12英寸英寸（300mm）2005年全球16个工厂18英寸英寸2007年可投入生产27英寸英寸研制正在积极筹划第28页，本讲稿共39页 GaAs和和 InP单晶单晶世界世界GaAs单晶的总年产量已超过单晶的总年产量已超过200吨。吨。（日本（日本1999年的年的GaAs单

13、晶的生产量为单晶的生产量为94吨，吨，InP为为27吨）。吨）。以以低低位位错错密密度度生生长长的的23英英寸寸的的导导电电GaAs衬衬底材料为主。底材料为主。第29页，本讲稿共39页 研研制制直直径径3英英寸寸以以上上大大直直径径的的InP 单单晶晶的的关关键键技技术术尚尚未未完完全全突突破破，价价格居高不下。格居高不下。InP比比GaAs 具有更优越的高频性能，具有更优越的高频性能，发展的速度更快；发展的速度更快；但不幸的是但不幸的是第30页，本讲稿共39页半导体超晶格、量子阱半导体超晶格、量子阱 III-V族超晶格、量子阱材料族超晶格、量子阱材料 GaAlAs/GaAs，GaInAs/G

14、aAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等等GaAs、InP基晶格匹配和基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟。应变补偿材料体系已发展得相当成熟。已成功地用来制造超高速、超高频微电子器已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。件和单片集成电路。第31页，本讲稿共39页目前硅基材料研究的主流：目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si应应变变层层超超晶晶格格材材料料 新新一一代移动通信。代移动通信。硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达的最高截止频率已达200GHz，噪音

15、在，噪音在10GHz下为下为0.9dB，其，其性能可与性能可与GaAs器件相媲美。器件相媲美。第32页，本讲稿共39页一维量子线、零维量子点一维量子线、零维量子点基于基于 低维新型半导体材料低维新型半导体材料 人工构造（通过能带工程实施）人工构造（通过能带工程实施）新一代量子器件的基础新一代量子器件的基础非线性光学效应非线性光学效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子干涉效应量子干涉效应量子隧穿效应量子隧穿效应第33页，本讲稿共39页1994年，俄德联合小组首先研制成功年，俄德联合小组首先研制成功 InAs/GaAs量子点材料，量子点材料，1996年，量子点激光器室温连续输出功率达年，量子点激光器室温

16、连续输出功率达 1W，阈值电流密度为，阈值电流密度为290A/cm2，1998年，年，量子点激光器室温连续输出功率量子点激光器室温连续输出功率达达 1.5W。第34页，本讲稿共39页2000年初，中科院半导体所研制成功室温年初，中科院半导体所研制成功室温 双面双面CW输出输出3.62W、工作波、工作波 长为长为960nm左右的量子点激左右的量子点激 光器，为目前国际报道的最好光器，为目前国际报道的最好 结果之一。结果之一。1994年，日本年，日本NTT 研制成功沟道长度为研制成功沟道长度为 30nm 纳米单电子晶体管纳米单电子晶体管,并在并在 150K观察到栅控源观察到栅控源-漏电流振荡。漏电

17、流振荡。第35页，本讲稿共39页1998年，年，Yauo等人采用等人采用0.25mm工艺技术工艺技术 实现了实现了128Mb的单电子存储器原的单电子存储器原 型样机的制造，这是单电子器件型样机的制造，这是单电子器件 在高密度存储电路的应用方面迈在高密度存储电路的应用方面迈 出的关键一步。出的关键一步。1997年，美国又报道了可在室温工作的单年，美国又报道了可在室温工作的单 电子开关器件。电子开关器件。第36页，本讲稿共39页宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料金刚石金刚石碳化硅碳化硅III族氮化物、立方氮化硼族氮化物、立方氮化硼II-VI族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等第37页，本讲稿共39页 高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料器件和电路的理想材料 通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防特别特别SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料的特点和金刚石薄膜等材料的特点 高热导率高热导率 高电子饱和漂移速度高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压大临界击穿电压第38页，本讲稿共39页公司公司公司公司6 6-、4 4-单晶尺寸随年度的变化单晶尺寸随年度的变化单晶尺寸随年度的变化单晶尺寸随年度的变化第39页，本讲稿共39页