半導體物理_0

1、半導體物理學主講教師主講教師: : 蘭勝蘭勝Mobile phone:obile phone:mail: Email: Website: http:/ http:/ : 理理4 4棟棟511511室（室（Tel: 39190378Tel: 39190378）半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院2個人簡介個人簡介半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院3光電學院超凈光學實驗室（大學城華師理4棟4樓）半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院4波長和能量可調脈沖和連續(xù)

2、激光光源太赫茲時閾光譜納米光子學生物光子學飛秒激光加工超快動力學納米光子學實驗平臺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、可以開展納米光子學、非線性光學、超快（瞬態(tài)）光學、激光加工激光加工/ /改性、激光光譜學、太赫茲波等領域的實驗研究。改性、激光光譜學、太赫茲波等領域的實驗研究。半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院5液相外延生長半導體多層材料：液相外延生長半導體多層材料：InGaP/GaAs半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院6分子束外延生長低維半導體材料：分子束外延生長低維半導體材料：InGaAs/G

3、aAs量子點量子點半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院7自組織生長自組織生長InGaAs/GaAs量子點量子點半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院8ZnO、Si納米材料、納米材料、InGaN/GaN量子阱量子阱半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院9半導體產業(yè)半導體產業(yè)半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院10半導體器件的應用半導體器件的應用半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院11半導體照明產業(yè)（電半導體照明產業(yè)（電-光）光）半導體物理半導體物理學學

4、 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院12半導體光伏產業(yè)（光半導體光伏產業(yè)（光-電）電）半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院13半導體器件的應用半導體器件的應用半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院142000年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎俄羅斯艾爾菲物理技術學院的阿法洛夫 (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，尤其是有關于快速晶體管、激光二極管和集成電路的發(fā)明。半導體物理半導體

5、物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院15第第0章章 緒論緒論l一、什么是半導體一、什么是半導體 (semiconductor)l二、半導體的主要特征二、半導體的主要特征l三、半導體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀三、半導體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀l四、半導體的明天四、半導體的明天半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院16一、什么是半導體一、什么是半導體 (semiconductor)？半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院17半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院18晶體能帶結構示意圖晶體能帶結構示意圖半導體物理半導體物

6、理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院19半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院20半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院21半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院22二、半導體的主要特征二、半導體的主要特征: 電阻率可在很大范圍電阻率可在很大范圍內變化內變化l例子：雜質對半導體電阻率的影響例子：雜質對半導體電阻率的影響u微量雜質含量可以顯著改變半導體的導電能力微量雜質含量可以顯著改變半導體的導電能力u 以純硅中每以純硅中每100萬個硅原子摻進一個萬個硅原子摻進一個族雜質族雜質（比如磷）為例，這時（比

7、如磷）為例，這時 硅的純度仍高達硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至降至0.2cm以下以下半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院23半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院24三、半導體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀三、半導體的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀l第一階段：現(xiàn)象觀察第一階段：現(xiàn)象觀察(1833-1931年年)u1833年：年：M.Faraday發(fā)現(xiàn)半導體所具有的負電阻發(fā)現(xiàn)半導體所具有的負電阻溫度系數(shù)溫度系數(shù)u1873年：年：W.Smith 首次發(fā)現(xiàn)半導體的光電導首次發(fā)現(xiàn)半導體的光電導效應效應

8、半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院25半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院26第二階段：理論指導第二階段：理論指導l 1931年：年：A.H.Wilson 通過解薛定諤方程發(fā)展通過解薛定諤方程發(fā)展了能帶理論了能帶理論 l1942年前后，多位科學家提出了基本類似的年前后，多位科學家提出了基本類似的整流理論整流理論半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院27第三階段：晶體管誕生第三階段：晶體管誕生l1947年：年：Bardeen等人制造了第一個晶體管等人制造了第一個晶體管半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論

9、SCNU 光電學院光電學院28第四階段：集成電路出現(xiàn)第四階段：集成電路出現(xiàn)半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院29半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院30半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院31半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院32莫爾定律莫爾定律每過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?。┌雽w物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院33現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均現(xiàn)在集成電路的規(guī)模，正在以平均1 12 2年翻一番的速度

10、在增大年翻一番的速度在增大。 1948 1966 1971 1980 1990 1998 19991948 1966 1971 1980 1990 1998 1999 小規(guī)模小規(guī)模 中規(guī)模中規(guī)模 大規(guī)模大規(guī)模 超大規(guī)模超大規(guī)模 超超大規(guī)模超超大規(guī)模 超億規(guī)模超億規(guī)模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSISSI MSI LSI VLSI ULSI GSI理論集成度理論集成度 10-100 10010-100 1001000 10001000 10001010萬萬 1010萬萬100100萬萬 100100萬萬1 1億億 1 1億億商業(yè)集成度商業(yè)集成度 1 10 1001 10 10

11、01000 10001000 10002 2萬萬 2 2萬萬5 5萬萬 5050萬萬 10001000萬萬 觸發(fā)器觸發(fā)器 計數(shù)器計數(shù)器 單片機單片機 1616位和位和3232位位 圖象圖象 SRAMSRAM 加法器加法器 ROM ROM 微處理器微處理器 處理器處理器 128128位位CPUCPU（1 1）設計技術的提高，簡化電路，合理布局布線）設計技術的提高，簡化電路，合理布局布線（2 2）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細線條）器件的尺寸縮?。üに囋试S的最細線條） （生產環(huán)境：超凈車間）（生產環(huán)境：超凈車間）（3 3）芯片面積增大，從）芯片面積增大，從1 15 mm5 mm2 2到現(xiàn)在的到現(xiàn)在

12、的1cm1cm2 219671967年在一塊晶片上完成年在一塊晶片上完成10001000個晶體管的研制成功。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集成電路集成度的提高主要依靠三個因素7777年美國年美國30mm30mm2 2制作制作1313萬個晶體管，即萬個晶體管，即64K64K位位DRAMDRAM。半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院34 目前使用的目前使用的1616兆位兆位DRAMDRAM集成電路的線條寬度為集成電路的線條寬度為0.5 0.5 微米微米， 6464兆位兆位DRAMDRAM集成電路的線條寬度為集成電路的線條寬度為0.3 0.3

13、微米微米，繼續(xù)發(fā)展可望，繼續(xù)發(fā)展可望達到達到0.010.01微米微米；目前正在研發(fā)階段。；目前正在研發(fā)階段。 0.01 0.01微米微米的概念的概念 0.01 0.01微米微米=0.01mm=10nm=100=0.01mm=10nm=100 相當于相當于3030個原子排成一列的長度個原子排成一列的長度。在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院353030個原子排成一列的長度個原子排成一列的長度。這一尺寸在半導體集成電路中，。這一尺寸在半導體集成電路中，已經成為已經成為極限極限，再小再小PNPN

14、結的理論就不存在了結的理論就不存在了，或者說作為電，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量子工學學的范疇，由量變到質變，隨之而來的一門新的工程學的范疇，由量變到質變，隨之而來的一門新的工程學對量子現(xiàn)象加以工程應用的對量子現(xiàn)象加以工程應用的“量子工學量子工學”也就誕生了，由這也就誕生了，由這一理論指導而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展。一理論指導而將做成的量子器件，將延續(xù)集成電路的發(fā)展?，F(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，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，并且在并且在“原子級加工

15、原子級加工”方面取得了一定的成果。方面取得了一定的成果。我國在這方面也有大的投入。我國在這方面也有大的投入。在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？在一塊芯片上能制造的晶體管是否有極限？半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院36第五階段：能帶工程提出第五階段：能帶工程提出l1970年：年：Esaki(江琦江琦提出超晶格半導體的概念提出超晶格半導體的概念l1971年：生長出年：生長出GaAs/AlGaAs超晶格材料超晶格材料半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院37能帶工程的應用例能帶工程的應用例1半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SC

16、NU 光電學院光電學院38能帶工程的應用例能帶工程的應用例2半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院39能帶工程的應用例能帶工程的應用例3半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院40四、半導體的明天四、半導體的明天l微米微米納米（納米電子學）納米（納米電子學）l同質結同質結異質結（能帶工程）異質結（能帶工程）l三維三維低維（二維、一維、零維）低維（二維、一維、零維）l普通禁帶普通禁帶寬禁帶寬禁帶l單晶單晶多晶（非晶）多晶（非晶）l無機無機有機有機l半導體半導體：一個充滿前途的領域！一個充滿前途的領域！半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 S

17、CNU 光電學院光電學院41l課程特點：內容廣、概念多課程特點：內容廣、概念多l(xiāng)課程要求：著重物理概念及物理模型；基本課程要求：著重物理概念及物理模型；基本的計算公式課程的計算公式課程l考核考核：考勤（：考勤（10%），作業(yè)（），作業(yè)（0%），期末），期末（90%）半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院42課課程程所所涉涉及及的的知知識識結結構構半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院43教材教材l半導體物理學半導體物理學劉劉恩科、朱秉升、羅晉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)生等編著，電子工業(yè)出版社出版社, 第第 7 版版l出版時間：出

18、版時間：2011-03 l普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國國家級規(guī)劃教材家級規(guī)劃教材 lI S B N ：9787121129902 半導體物理半導體物理學學 0.緒論緒論 SCNU 光電學院光電學院44參考書參考書l固體物理導論固體物理導論， 美美 C. C.基泰爾基泰爾( (Charles Charles KitteKitte) )著著 化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社，20052005年年9 9月月 第第 1 1 版版l固體物理學固體物理學 基礎教程基礎教程，沈以赴，沈以赴 著著 化學工業(yè)出化學工業(yè)出版社，版社，20052005年年5 5月月 第第 1 1 版版l半導體物理基礎半導體物理基礎黃昆、韓汝琦著黃昆、韓汝琦著 l半導體物理學半導體物理學葉良修，高等教育出版社（葉良修，高等教育出版社（19871987）l 半 導 體 物 理 與 器 件半 導 體 物 理 與 器 件 - - 基 本 原 理基 本 原 理 ( ( 第第 3 3版版)()(美美)DonaldA.Neamen)DonaldA.Neamen著著l半導體器件物理與工藝半導體器件物理與工藝( (美美)A.S.)A.S.格羅夫著，齊格羅夫著，齊建譯建譯l半導體器件半導體器件 物理與工藝物理與工藝( (美美) )施敏施敏(S.M.Sze)(S.M.S