半導體物理課件

1、半導體科技發(fā)展史（第二次工業(yè)革命的開始） 社會的進步可以用當時人類使用的器物來代表，從遠古的石器時代、到銅器，再進步到鐵器時代。 現今，以硅為原料的電子組件產值，則超過了以鋼為原料的產值，人類的歷史因而正式進入了一個新的時代，也就是硅的時代。硅所代表的正是半導體組件，包括存儲元件、微處理機、邏輯組件、光電組件與偵測器等等在內，舉凡電視、電話、計算機、電冰箱、汽車，這些半導體組件無時無刻都在為我們服務。 半導體器件可以通過結構和材料上的設計達到控制電流傳輸的目的，并以此為基礎構建各種處理不同信號的電路。這是半導體在當前電子技術中廣泛應用的原因。 硅是地殼中最常見的元素，許多石頭的主要成分都是二氧

2、化硅，然而，經過數百道制程做出的集成電路，其價值可達上萬美金；把石頭變成硅芯片的過程是一項點石成金的成就，也是近代科學的奇跡！ 在日本，有人把半導體比喻為工業(yè)社會的稻米，是近代社會一日不可或缺的。在國防上，惟有扎實的電子工業(yè)基礎，才有強大的國防能力，1991年的海灣戰(zhàn)爭中，美國已經把新一代電子武器發(fā)揮得淋漓盡致。 從1970年代以來，美國與日本間發(fā)生多次貿易摩擦，但最后在許多項目美國都妥協(xié)了，但是為了半導體，雙方均不肯輕易讓步，最后兩國政府慎重其事地簽訂了協(xié)議，足證對此事的重視程度，這是因為半導體工業(yè)發(fā)展的成敗，關系著國家的命脈，不可不慎。 在臺灣，半導體工業(yè)是新竹科學園區(qū)的主要支柱，半導體公

3、司也是最賺錢的企業(yè)，臺灣如果要成為明日的科技硅島，半導體工業(yè)是我們必經的途徑。 Ge-Si-GaAs-GaN-SiC 總體來說，半導體發(fā)展是從窄帶隙半導體向寬帶隙半導體發(fā)展， Ge-Eg=0.67eV;GaN-Eg=3.37ev 現在的半導體科學，已經是由半導體摻雜工程走向了半導體能帶工程 化合物半導體，量子阱，超晶格，成為研究和應用的重要方向； MBE,MOCVD等外延手段是這一技術的支點 紅外-遠紅外半導體（如InGaAs-TeCdHg）；紫外-深紫外半導體(AlGaN,ZnCdO)成為研究熱點，量子級聯激光器，THz傳感器等等都是有著理論與實用雙重價值的方向 半導體物理現象的發(fā)現 英國科

4、學家法拉第(Michael Faraday， 17911867)，他在1833年發(fā)現的其中一種半導體材料：硫化銀（Ag2S），因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當時只覺得這件事有些奇特，并沒有激起太大的火花；然而，今天我們已經知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導電，這也是半導體一個非常重要的物理性質。 1874年，德國的布勞恩(Ferdinand Braun，18501918)，注意到硫化物的電導率與所加電壓的方向有關，這就是半導體的整流作用。 1906年，美國電機發(fā)明家匹卡(G. W. Pickard，18771956)

5、，才發(fā)明了第一個固態(tài)電子組件：無線電波偵測器(cats whisker)，它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產生的整流功能，來偵測無線電波。 在整流理論方面，德國的蕭特基(Walter Schottky，18861976)在1939年，于德國物理學報發(fā)表了一篇有關整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導體間有能障 (potential barrier)的存在，其主要貢獻就在于精確計算出這個能障的形狀與寬度。 至于現在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld， 18681951)的學生貝特(Hans Bethe，1906 )所發(fā)展出來，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，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結果較為符合。 半導體理論發(fā)展半導體理論發(fā)展 在半導體領域中，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，其定理是將電子波函數加上了周期性的項，首開能帶理論的先河。 另一方面，德國人佩爾斯 (Rudolf Peierls ) 于1929年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他后來提出的微擾理論，解釋了能隙 (Energy gap)存在半導體應用的發(fā)展半導

7、體應用的發(fā)展 晶體管平面工藝光電子技術傳感器微電子技術，微電子技術，集成電路集成電路LED，laser光電探測，光電探測，Solar cell半導體基本概念 導電性導電性 一種導電性可受控制，范圍可從絕緣體至導體之間的材料，有負的電阻溫度系數的物質。 可控是因為摻雜雜質濃度導致 舉例：GaAS（砷化鎵）純晶體室溫電阻率有效雜質含量超過1/1000，電阻率cm410cm810導電能力還與外部條件有關光敏性、電場、磁場效應半導體材料 單元素 化合物 C元素晶體結構基礎 晶體結構晶體結構固體的結構分為：固體的結構分為： 非晶體結構非晶體結構 多晶體結構多晶體結構晶體結構晶體結構：原子規(guī)則排列，主要體

8、現是原子排列具原子規(guī)則排列，主要體現是原子排列具有周期性，或者稱長程有序。有此排列結構的材料有周期性，或者稱長程有序。有此排列結構的材料為晶體。為晶體。晶體中原子、分子規(guī)則排列的結果使晶體具有規(guī)則晶體中原子、分子規(guī)則排列的結果使晶體具有規(guī)則的幾何外形，的幾何外形，X X射線衍射已證實這一結論。射線衍射已證實這一結論。 非晶體結構：不具有長程有序。有此排列結構的材料為非晶體。 了解固體結構的意義： 固體中原子排列形式是研究固體材料宏觀性質和各種微觀過程的基礎。2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大

9、學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平原子以何種方式結合成固體，完全決定于其得到或失去原子以何種方式結合成固體，完全決定于其得到或失去電子的能力，即電負性（電子的能力，即電負性（electronegativity）。）。 2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2 2、元素的電負性及其變化規(guī)律、元素的電負性及其變化規(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

10、.9 Zn 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 S

11、b 1.31Te 1.47 I 1.63 Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 1.09 Bi 1.24 2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平就同種元素原子的結合而言，電負性小按金屬鍵結合，電負性就同種元素原子的結合而言，電負性小按金屬鍵結合，電負性大按分子鍵結合，電負性中按共價鍵結合（其中共價鍵數目較大按分子鍵結合，電負性中按共價鍵結合（其中共價鍵數目較少者還須依靠范德瓦爾斯力實現三維的結合）。少者還須依靠范德瓦爾斯力實現三維的結合）。就化合物的結合而言，電負性差別較大的兩種元素傾向于離子就化合物的結合而言，電負性差別較

12、大的兩種元素傾向于離子鍵結合；電負性差別不大的兩種元素傾向于共價鍵結合，但公鍵結合；電負性差別不大的兩種元素傾向于共價鍵結合，但公有電子向電負性較強的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形有電子向電負性較強的一邊傾斜，因而具有一定的離子性，形成混合鍵。構成混合鍵的兩種元素的電負性差別越大，其離子成混合鍵。構成混合鍵的兩種元素的電負性差別越大，其離子性越強。性越強。 2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平3、正四面體結構（、正四面體結構（Tetrahedr

13、on） 原子的四配位密排方式；原子的四配位密排方式；4個鍵角相等，皆為個鍵角相等，皆為10928 。2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平三、金剛石（三、金剛石（Diamond）結構）結構2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平晶格結構金金剛剛石石結構結構閃鋅礦閃鋅礦型型結構結構NaClNaCl型型結構結構石墨石墨結構結構纖鋅礦纖鋅礦型型結構結構CsClCsCl型型結結構構2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022

14、-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平閃鋅礦型晶體結構和混合鍵材料材料: -族和-族二元化合物半導體 例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP化學鍵化學鍵: 共價鍵+離子鍵 (共價鍵占優(yōu)勢） 極性半導體極性半導體2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程

15、系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平原子能級 2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平常用原子的電子結構一 原子的能級和晶體的能帶銻銻銻銻2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平原子外圍價電子原子外圍價電子SiBPSiliconTetravalent (四價四價)BoronTrivalent (三價三價)“Acceptor”Phospho

16、rusPentavalent (五價五價)“Donor”晶體中電子的運動 電子的共有化運動原子的能級（電子殼層）原子的能級（電子殼層）電子共有化運動電子共有化運動-晶體中原子能級上的電子不完晶體中原子能級上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個原子轉移到相鄰全局限在某一原子上，可以由一個原子轉移到相鄰的原子上去，結果電子可以在整個晶體中運動。的原子上去，結果電子可以在整個晶體中運動。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，內殼層交疊較少。原子最外層交疊最多，內殼層交疊較少。注：電子在各原子中相似殼層間運動，且最外電子注：電子

17、在各原子中相似殼層間運動，且最外電子殼層共有化顯著。殼層共有化顯著。原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動 電子共有化運動-晶體中原子能級上的電子不完全局限在某一原子上，可以由一個原子轉移到相鄰的原子上去，結果電子可以在整個晶體中運動。 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，內殼層交疊較少。 注：電子在各原子中相似殼層間運動，且最外電子殼層共有化顯著。2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍

18、平原子的能級和晶體的能帶n = 3n = 2 原子能級原子能級 能帶能帶2022-6-272022-6-27西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平Solid of N atomsTwo atomsSix atomsElectrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.原子中電子能級的形成和晶體的能帶共有化狀態(tài)數共有化狀態(tài)數-每一個能帶包含的能級數。與孤立原每一個能帶包含的能級數。與孤立原子的簡并度有關。子的簡并度有關。 s能級分裂為能級分裂為N個能級（個能級（ N個共有化狀態(tài)）個共有

19、化狀態(tài)） ；p能級本身是三度簡并，分裂為能級本身是三度簡并，分裂為3N 能級。能級。特例：特例：許多實際晶體能帶與孤立原子間對應關系很復雜。許多實際晶體能帶與孤立原子間對應關系很復雜。金剛石、硅、鍺價電子雜化形成的能帶金剛石、硅、鍺價電子雜化形成的能帶2N個態(tài)個態(tài)0個電子個電子2N個態(tài)個態(tài)4N個電子個電子 滿帶滿帶或價帶或價帶 空帶空帶或導帶或導帶禁帶禁帶2s和和2p分裂分裂的兩的兩個能個能帶帶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 （勢場為零）（勢場為零）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格周期性勢場嚴格周期性勢場（周期排列的原子核（周期排列的原子核勢場及大量電子的平勢場及大量電子的平均勢場）均勢場）1. 波函數波函數德布羅意假設德布羅意假設: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、頻率、