半導(dǎo)體物理課件

1、半導(dǎo)體科技發(fā)展史（第二次工業(yè)革命的開(kāi)始） 社會(huì)的進(jìn)步可以用當(dāng)時(shí)人類(lèi)使用的器物來(lái)代表，從遠(yuǎn)古的石器時(shí)代、到銅器，再進(jìn)步到鐵器時(shí)代。 現(xiàn)今，以硅為原料的電子組件產(chǎn)值，則超過(guò)了以鋼為原料的產(chǎn)值，人類(lèi)的歷史因而正式進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，也就是硅的時(shí)代。硅所代表的正是半導(dǎo)體組件，包括存儲(chǔ)元件、微處理機(jī)、邏輯組件、光電組件與偵測(cè)器等等在內(nèi)，舉凡電視、電話(huà)、計(jì)算機(jī)、電冰箱、汽車(chē)，這些半導(dǎo)體組件無(wú)時(shí)無(wú)刻都在為我們服務(wù)。 半導(dǎo)體器件可以通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料上的設(shè)計(jì)達(dá)到控制電流傳輸?shù)哪康模⒁源藶榛A(chǔ)構(gòu)建各種處理不同信號(hào)的電路。這是半導(dǎo)體在當(dāng)前電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用的原因。 硅是地殼中最常見(jiàn)的元素，許多石頭的主要成分都是二氧

2、化硅，然而，經(jīng)過(guò)數(shù)百道制程做出的集成電路，其價(jià)值可達(dá)上萬(wàn)美金；把石頭變成硅芯片的過(guò)程是一項(xiàng)點(diǎn)石成金的成就，也是近代科學(xué)的奇跡！ 在日本，有人把半導(dǎo)體比喻為工業(yè)社會(huì)的稻米，是近代社會(huì)一日不可或缺的。在國(guó)防上，惟有扎實(shí)的電子工業(yè)基礎(chǔ)，才有強(qiáng)大的國(guó)防能力，1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)已經(jīng)把新一代電子武器發(fā)揮得淋漓盡致。 從1970年代以來(lái)，美國(guó)與日本間發(fā)生多次貿(mào)易摩擦，但最后在許多項(xiàng)目美國(guó)都妥協(xié)了，但是為了半導(dǎo)體，雙方均不肯輕易讓步，最后兩國(guó)政府慎重其事地簽訂了協(xié)議，足證對(duì)此事的重視程度，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體工業(yè)發(fā)展的成敗，關(guān)系著國(guó)家的命脈，不可不慎。 在臺(tái)灣，半導(dǎo)體工業(yè)是新竹科學(xué)園區(qū)的主要支柱，半導(dǎo)體公

3、司也是最賺錢(qián)的企業(yè)，臺(tái)灣如果要成為明日的科技硅島，半導(dǎo)體工業(yè)是我們必經(jīng)的途徑。 Ge-Si-GaAs-GaN-SiC 總體來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體發(fā)展是從窄帶隙半導(dǎo)體向?qū)拵栋雽?dǎo)體發(fā)展， Ge-Eg=0.67eV;GaN-Eg=3.37ev 現(xiàn)在的半導(dǎo)體科學(xué)，已經(jīng)是由半導(dǎo)體摻雜工程走向了半導(dǎo)體能帶工程 化合物半導(dǎo)體，量子阱，超晶格，成為研究和應(yīng)用的重要方向； MBE,MOCVD等外延手段是這一技術(shù)的支點(diǎn) 紅外-遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體（如InGaAs-TeCdHg）；紫外-深紫外半導(dǎo)體(AlGaN,ZnCdO)成為研究熱點(diǎn)，量子級(jí)聯(lián)激光器，THz傳感器等等都是有著理論與實(shí)用雙重價(jià)值的方向 半導(dǎo)體物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 英國(guó)科

4、學(xué)家法拉第(Michael Faraday， 17911867)，他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導(dǎo)體材料：硫化銀（Ag2S），因?yàn)樗碾娮桦S著溫度上升而降低，當(dāng)時(shí)只覺(jué)得這件事有些奇特，并沒(méi)有激起太大的火花；然而，今天我們已經(jīng)知道，隨著溫度的提升，晶格震動(dòng)越厲害，使得電阻增加，但對(duì)半導(dǎo)體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導(dǎo)電，這也是半導(dǎo)體一個(gè)非常重要的物理性質(zhì)。 1874年，德國(guó)的布勞恩(Ferdinand Braun，18501918)，注意到硫化物的電導(dǎo)率與所加電壓的方向有關(guān)，這就是半導(dǎo)體的整流作用。 1906年，美國(guó)電機(jī)發(fā)明家匹卡(G. W. Pickard，18771956)

5、，才發(fā)明了第一個(gè)固態(tài)電子組件：無(wú)線(xiàn)電波偵測(cè)器(cats whisker)，它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能，來(lái)偵測(cè)無(wú)線(xiàn)電波。 在整流理論方面，德國(guó)的蕭特基(Walter Schottky，18861976)在1939年，于德國(guó)物理學(xué)報(bào)發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文，做了許多推論，他認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體間有能障 (potential barrier)的存在，其主要貢獻(xiàn)就在于精確計(jì)算出這個(gè)能障的形狀與寬度。 至于現(xiàn)在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld， 18681951)的學(xué)生貝特(Hans Bethe，1906 )所發(fā)展出來(lái)，他提出的就

6、是熱電子發(fā)射理論(thermionic emission)，這些具有較高能量的電子，可越過(guò)能障到達(dá)另一邊，其理論也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合。 半導(dǎo)體理論發(fā)展半導(dǎo)體理論發(fā)展 在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫(Felix Bloch，19051983)在這方面做出了重要的貢獻(xiàn)，其定理是將電子波函數(shù)加上了周期性的項(xiàng)，首開(kāi)能帶理論的先河。 另一方面，德國(guó)人佩爾斯 (Rudolf Peierls ) 于1929年，則指出一個(gè)幾乎完全填滿(mǎn)的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來(lái)解釋?zhuān)@就是電洞概念的濫觴；他后來(lái)提出的微擾理論，解釋了能隙 (Energy gap)存在半導(dǎo)體應(yīng)用的發(fā)展半導(dǎo)

7、體應(yīng)用的發(fā)展 晶體管平面工藝光電子技術(shù)傳感器微電子技術(shù)，微電子技術(shù)，集成電路集成電路LED，laser光電探測(cè)，光電探測(cè)，Solar cell半導(dǎo)體基本概念 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料，有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。 可控是因?yàn)閾诫s雜質(zhì)濃度導(dǎo)致 舉例：GaAS（砷化鎵）純晶體室溫電阻率有效雜質(zhì)含量超過(guò)1/1000，電阻率cm410cm810導(dǎo)電能力還與外部條件有關(guān)光敏性、電場(chǎng)、磁場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體材料 單元素 化合物 C元素晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)固體的結(jié)構(gòu)分為：固體的結(jié)構(gòu)分為： 非晶體結(jié)構(gòu)非晶體結(jié)構(gòu) 多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)則排列，主要體

8、現(xiàn)是原子排列具原子規(guī)則排列，主要體現(xiàn)是原子排列具有周期性，或者稱(chēng)長(zhǎng)程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料有周期性，或者稱(chēng)長(zhǎng)程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料為晶體。為晶體。晶體中原子、分子規(guī)則排列的結(jié)果使晶體具有規(guī)則晶體中原子、分子規(guī)則排列的結(jié)果使晶體具有規(guī)則的幾何外形，的幾何外形，X X射線(xiàn)衍射已證實(shí)這一結(jié)論。射線(xiàn)衍射已證實(shí)這一結(jié)論。 非晶體結(jié)構(gòu)：不具有長(zhǎng)程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料為非晶體。 了解固體結(jié)構(gòu)的意義： 固體中原子排列形式是研究固體材料宏觀性質(zhì)和各種微觀過(guò)程的基礎(chǔ)。2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工

9、程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平原子以何種方式結(jié)合成固體，完全決定于其得到或失去原子以何種方式結(jié)合成固體，完全決定于其得到或失去電子的能力，即電負(fù)性（電子的能力，即電負(fù)性（electronegativity）。）。 2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2 2、元素的電負(fù)性及其變化規(guī)律、元素的電負(fù)性及其變化規(guī)律 Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0Ne 4.44 Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 Cl 3.0Ar 3.46 Cu 1.9 Zn

10、1.6 Ga 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8Kr 3.24 Ag 1.9 Cd 1.7 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.3Xe 3.02 Au 2.4 Hg 1.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 Rn 3.0He 3.58H 2.10 Na 0.72 Mg 0.95 Al 1.18 Si 1.41 P 1.64S 1.87Cl 2.1 Cu 0.79 Zn 0.91 Ga 1.13 Ge 1.35 As 1.57Se 1.79Br 2.01 Ag 0.57 Cd 0.83 In 0.99 Sn 1.15 Sb 1.31

11、Te 1.47 I 1.63 Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 1.09 Bi 1.24 2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平就同種元素原子的結(jié)合而言，電負(fù)性小按金屬鍵結(jié)合，電負(fù)性就同種元素原子的結(jié)合而言，電負(fù)性小按金屬鍵結(jié)合，電負(fù)性大按分子鍵結(jié)合，電負(fù)性中按共價(jià)鍵結(jié)合（其中共價(jià)鍵數(shù)目較大按分子鍵結(jié)合，電負(fù)性中按共價(jià)鍵結(jié)合（其中共價(jià)鍵數(shù)目較少者還須依靠范德瓦爾斯力實(shí)現(xiàn)三維的結(jié)合）。少者還須依靠范德瓦爾斯力實(shí)現(xiàn)三維的結(jié)合）。就化合物的結(jié)合而言，電負(fù)性差別較大的兩種元素傾向于離子就化合物的結(jié)合而言，電負(fù)性差別較大的兩種元素傾向

12、于離子鍵結(jié)合；電負(fù)性差別不大的兩種元素傾向于共價(jià)鍵結(jié)合，但公鍵結(jié)合；電負(fù)性差別不大的兩種元素傾向于共價(jià)鍵結(jié)合，但公有電子向電負(fù)性較強(qiáng)的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形有電子向電負(fù)性較強(qiáng)的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形成混合鍵。構(gòu)成混合鍵的兩種元素的電負(fù)性差別越大，其離子成混合鍵。構(gòu)成混合鍵的兩種元素的電負(fù)性差別越大，其離子性越強(qiáng)。性越強(qiáng)。 2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平3、正四面體結(jié)構(gòu)（、正四面體結(jié)構(gòu)（Tetrahedron） 原子的四配位密排

13、方式；原子的四配位密排方式；4個(gè)鍵角相等，皆為個(gè)鍵角相等，皆為10928 。2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平三、金剛石（三、金剛石（Diamond）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平晶格結(jié)構(gòu)金金剛剛石石結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)閃鋅礦閃鋅礦型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NaClNaCl型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)石墨石墨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖鋅礦纖鋅礦型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CsClCsCl型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西

14、安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)和混合鍵材料材料: -族和-族二元化合物半導(dǎo)體 例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP化學(xué)鍵化學(xué)鍵: 共價(jià)鍵+離子鍵 (共價(jià)鍵占優(yōu)勢(shì)） 極性半導(dǎo)體極性半導(dǎo)體2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子

15、工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平原子能級(jí) 2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平常用原子的電子結(jié)構(gòu)一 原子的能級(jí)和晶體的能帶銻銻銻銻2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平原子外圍價(jià)電子原子外圍價(jià)電子SiBPSiliconTetravalent (四價(jià)四價(jià))BoronTrivalent (三價(jià)三價(jià))“Acceptor”P(pán)hosphorusPentavalent (五價(jià)五價(jià))“Donor”晶體中電子的運(yùn)動(dòng)

16、 電子的共有化運(yùn)動(dòng)原子的能級(jí)（電子殼層）原子的能級(jí)（電子殼層）電子共有化運(yùn)動(dòng)電子共有化運(yùn)動(dòng)-晶體中原子能級(jí)上的電子不完晶體中原子能級(jí)上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰全局限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，結(jié)果電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。的原子上去，結(jié)果電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。電子共有化的原因：電子殼層有一定的交疊，相鄰電子共有化的原因：電子殼層有一定的交疊，相鄰原子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。原子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。注：電子在各原子中相似殼層間運(yùn)動(dòng)，且最外電子注：電子在各原子中相似殼層間運(yùn)動(dòng)，且最外電子殼層共有化顯著。殼層共有化顯著。原子

17、結(jié)合成晶體時(shí)晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)原子結(jié)合成晶體時(shí)晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng) 電子共有化運(yùn)動(dòng)-晶體中原子能級(jí)上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，結(jié)果電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。 電子共有化的原因：電子殼層有一定的交疊，相鄰原子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。 注：電子在各原子中相似殼層間運(yùn)動(dòng)，且最外電子殼層共有化顯著。2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2022-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平原子的能級(jí)和晶體的能帶n = 3n = 2 原子能級(jí)原子能級(jí) 能帶能帶2022

18、-3-92022-3-9西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平Solid of N atomsTwo atomsSix atomsElectrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.原子中電子能級(jí)的形成和晶體的能帶共有化狀態(tài)數(shù)共有化狀態(tài)數(shù)-每一個(gè)能帶包含的能級(jí)數(shù)。與孤立原每一個(gè)能帶包含的能級(jí)數(shù)。與孤立原子的簡(jiǎn)并度有關(guān)。子的簡(jiǎn)并度有關(guān)。 s能級(jí)分裂為能級(jí)分裂為N個(gè)能級(jí)（個(gè)能級(jí)（ N個(gè)共有化狀態(tài)）個(gè)共有化狀態(tài)） ；p能級(jí)本身是三度簡(jiǎn)并，分裂為能級(jí)本身是三度簡(jiǎn)并，分裂為3N 能級(jí)。能級(jí)。

19、特例：特例：許多實(shí)際晶體能帶與孤立原子間對(duì)應(yīng)關(guān)系很復(fù)雜。許多實(shí)際晶體能帶與孤立原子間對(duì)應(yīng)關(guān)系很復(fù)雜。金剛石、硅、鍺價(jià)電子雜化形成的能帶金剛石、硅、鍺價(jià)電子雜化形成的能帶2N個(gè)態(tài)個(gè)態(tài)0個(gè)電子個(gè)電子2N個(gè)態(tài)個(gè)態(tài)4N個(gè)電子個(gè)電子 滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶或價(jià)帶或價(jià)帶 空帶空帶或?qū)Щ驅(qū)Ы麕Ы麕?s和和2p分裂分裂的兩的兩個(gè)能個(gè)能帶帶2 晶體中電子狀態(tài)與能帶晶體中電子狀態(tài)與能帶 自由電子自由電子孤立原子中的電子孤立原子中的電子晶體中的電子晶體中的電子不受任何電荷作用不受任何電荷作用 （勢(shì)場(chǎng)為零）（勢(shì)場(chǎng)為零）本身原子核及其他本身原子核及其他 電子的作用電子的作用嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)（周期排列的原子核（周期排列的原子核勢(shì)場(chǎng)及大量電子的平勢(shì)場(chǎng)及大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)）均勢(shì)場(chǎng)）1. 波函數(shù)波函數(shù)德布羅意假設(shè)德布羅意假設(shè):一切微觀粒子都具有波粒二象性一切微觀粒子都具有波粒二象性.自由粒子的波長(zhǎng)、頻率、動(dòng)量、能