半導(dǎo)體物理 緒論 物理基礎(chǔ)

1、半導(dǎo)體物理學(xué)SEMICONDUCTOR PHYSICS 課程簡(jiǎn)介特點(diǎn)系統(tǒng)性容量大仍在飛速發(fā)展的學(xué)科學(xué)習(xí)方法了解概念掌握基本原理具體問題的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)處理 參考書目：1.施敏. 半導(dǎo)體器件物理與工藝. 蘇州大學(xué)出版社2.Donald A.Neamen 半導(dǎo)體物理與器件基本原理（ 影 印版）清華大學(xué)出版社3.田敬民. 半導(dǎo)體物理問題與習(xí)題. 國(guó)防工業(yè)出版社1.半導(dǎo)體物質(zhì)的出現(xiàn)過程17世紀(jì)，惠更斯（C.Huygens）以橢球堆集模型解釋方解石的雙折射性質(zhì)和解理面18世紀(jì)，阿羽衣(R.J.Hauy)認(rèn)為方解石晶體由堅(jiān)實(shí)的、相同的、平行六面形的小“基石”有規(guī)則的重復(fù)堆集而成19世紀(jì)中葉，布喇菲(Bravai

2、s)發(fā)展了空間點(diǎn)陣說，概括了晶格周期性的特征19世紀(jì)末，費(fèi)多洛夫、熊夫利、巴羅等獨(dú)立的發(fā)展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進(jìn)一步研究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù)1912年，勞厄(M.von laue)首先指出晶體可以作為X射線的衍射光柵20世紀(jì)初，量子理論的發(fā)現(xiàn)使人們能夠更加深入和比較正確地描述晶體內(nèi)部微觀粒子的運(yùn)動(dòng)過程，如愛因斯坦（A.Enstein）引入量子化概念研究晶格振動(dòng)；在特魯?shù)煤吐鍌惼澋慕饘僮杂呻娮诱摰幕A(chǔ)上，索末菲(A.Aommerfeld)發(fā)展了固體理論，為研究晶體中電子運(yùn)動(dòng)過程指出了方向20世紀(jì)30年代，建立固體電子態(tài)理論（能帶論）和晶格動(dòng)力學(xué)，固體的能帶論提出了導(dǎo)電的微

3、觀機(jī)理，指出了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，找到了半導(dǎo)體物質(zhì)20世紀(jì)四十年代末五十年代初，以硅、鍺為代表的半導(dǎo)體單晶出現(xiàn)并制成了晶體三極管2. 半導(dǎo)體學(xué)科發(fā)展二十世紀(jì)上半頁半導(dǎo)體性能和基礎(chǔ)器件的深入認(rèn)識(shí)和發(fā)展1907年Round發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光現(xiàn)象：發(fā)光二極管（LED）1938年Schottky提出金屬-半導(dǎo)體勢(shì)壘模型1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管1947年Shockley提出p-n結(jié)型晶體管，1952年提出第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管, Ebers發(fā)明晶閘管，1958年發(fā)明隧道二極管1962年激光二極管（LD）半導(dǎo)體材料發(fā)展是半導(dǎo)體和電子工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ) 1917年提出CZ(坩鍋直拉法)生長(zhǎng)法，1950年用于硅 單晶的生長(zhǎng)

4、。 50年代發(fā)展的擴(kuò)散技術(shù)和合金技術(shù)大幅度提高器 件的性能半導(dǎo)體材料應(yīng)用廣泛微電子學(xué)：集成電路、量子器件等光電子學(xué)：光伏太陽能電池、半導(dǎo)體激光器、探測(cè) 器、 光通訊等3.物質(zhì)結(jié)構(gòu) 固體材料類型：晶體和非晶體 晶體：固定熔點(diǎn)凝結(jié)過程結(jié)晶（有序化）長(zhǎng)程有序（至少在微米量級(jí)范圍有序排列）非晶體： 無序 無固定熔點(diǎn)單晶體： 長(zhǎng)程有序晶體特征：規(guī)則的多面體晶體的解理性：沿一定的晶 面劈裂晶面間夾角守恒：相同結(jié)構(gòu)晶 體晶面或晶棱夾角恒定各向異性晶體分為：?jiǎn)尉w和多晶體 晶體的晶面組合成晶帶 晶面的交線是晶棱 相互平行 方向OO為晶帶的帶軸 重要的帶軸稱為晶軸不同生長(zhǎng)條件下NaCl晶體的外形:b, c, d

5、多晶體：由許多單晶體組 成，無各向異性特點(diǎn) 納米材料有序長(zhǎng)度 在100nm范圍內(nèi)。SC4. 晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)立方 BCC 結(jié)構(gòu)體心立方FCC 面心立方金剛石 （diamond ） 和閃鋅礦（zincblende)結(jié)構(gòu)Diamond structureZincblende structure六方結(jié)構(gòu)hcp 5. 晶體結(jié)構(gòu)的表征晶體結(jié)構(gòu)的周期性：空間點(diǎn)陣：空間規(guī)則周期性分布的點(diǎn)陣 - 布喇菲點(diǎn)陣學(xué)說 空間周期性單元固體物理學(xué)原胞（最小重復(fù)單元）結(jié)晶學(xué)晶胞：晶體學(xué)對(duì)稱單元 晶格(正格子)表示：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, a1、a2 和a3為原胞 單元邊長(zhǎng)矢量。 晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)晶系三斜單斜正

6、交四方立方三角六方 晶體結(jié)構(gòu)的表征原胞體積： 原胞體積：a1.a2 a3晶面，晶向和指數(shù):面指數(shù)：在基矢坐標(biāo)軸上的截距倒數(shù)比 具體的面：(100） 相同的晶面簇表示為單形符號(hào)：100晶向指數(shù)：晶面的法向指數(shù) 具體方向: 100 相同的晶向單形符號(hào): 晶體結(jié)構(gòu)的研究方法倒易空間: 為建立晶體X射線和電子衍射得到的斑點(diǎn)和晶體結(jié)構(gòu)（晶面）的對(duì)應(yīng)關(guān)系 倒易空間中的點(diǎn)與正格空間中的一個(gè)晶面族相對(duì)應(yīng)倒格子： Kh(r)=h1b1+h2b2+h3b3, b1、b2 和b3為原胞單元邊長(zhǎng)矢量正倒空間關(guān)系： ai.bj=2ij *(2)3， *b1.b2 b3 Rl(r) Kh(r)=2n, n為整數(shù) 正格子和

7、倒格子的線度關(guān)系除2因子外，互為倒數(shù)，正格子線度的量綱為【米】，倒格子為【米】16. 倒易空間及物理意義（1）利用倒易點(diǎn)陣的概念可以比較方便地導(dǎo)出晶體幾何學(xué)中各種重要關(guān)系式；（2）利用倒易點(diǎn)陣可以方便而形象地表示晶體的衍射幾何學(xué)。例如：?jiǎn)尉У碾娮友苌鋱D相當(dāng)于一個(gè)二維倒易點(diǎn)陣平面的投影，每一個(gè)衍射斑點(diǎn)與一個(gè)倒易陣點(diǎn)對(duì)應(yīng)。因此，倒易點(diǎn)陣已經(jīng)成為晶體衍射工作中不可缺少的分析工具。（3）倒易矢量也可以理解為波矢k，通常用波矢來描述電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或晶體的振動(dòng)狀態(tài)。由倒易點(diǎn)陣基矢所張的空間稱為倒易空間，可理解為狀態(tài)空間（k空間）。正格子所組成的空間是位置空間或稱為坐標(biāo)空間倒易空間的由來X射線衍射方

8、程： Laue 方程：Rl(r) (S-S0)=n, 波矢 k=2/S Rl(r) (k-k0)= 2n, n為整數(shù) 倒格矢和X射線波矢等價(jià) 7. 晶體結(jié)構(gòu)缺陷:點(diǎn)缺陷：空位、間隙、替位、雜質(zhì) 線缺陷：位錯(cuò)晶體缺陷的TEM 像：位錯(cuò) 面缺陷 反相結(jié)構(gòu)（反位，反相疇界） 晶界其它缺陷 夾雜 沉淀第二相 8. 常見的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體元素常見的半導(dǎo)體材料Element semiconductors: Si, Ge9. 量子化概念與經(jīng)典物理相悖的試驗(yàn)現(xiàn)象 光電效應(yīng)和入射光的頻率相關(guān)，和入射光強(qiáng)度無關(guān)。物質(zhì)的波粒二相性 微觀粒子表現(xiàn)出波的特性德布羅意波（de broglie） 能量分立（Plank能量子

9、概念） 10. 量子統(tǒng)計(jì)概念量子力學(xué)中全同粒子體系自然界中的粒子：電子，質(zhì)子，中子，光子，介子等量子力學(xué)中把相同的粒子稱為全同粒子,粒子間不可區(qū)分全同粒子體系的基本特征：可觀測(cè)量的交換對(duì)稱性，即對(duì)任何兩個(gè)粒子交換，表征量子態(tài)不變對(duì)稱性和反對(duì)稱性量子統(tǒng)計(jì)概念與規(guī)律Maxwell-Boltzmann 統(tǒng)計(jì)規(guī)律：認(rèn)為粒子間可 區(qū)分，同一能量上粒子數(shù)不限定。對(duì)稱性粒子遵守Bose-Einstein統(tǒng)計(jì)（玻色系統(tǒng)中粒 子的最概然分布）：光子、介子等玻色子（粒子不可分 辨），同一狀態(tài)上粒子數(shù)不限定。反對(duì)稱粒子遵守FermiDirac統(tǒng)計(jì)：電子、質(zhì)子、 中子等費(fèi)米子（粒子不可分 辨），同一狀態(tài)上只能有 一個(gè)

10、粒子存在。11.半導(dǎo)體材料的制備體材料直拉單晶（CZ,切可勞斯基生長(zhǎng)法，Czochralski method)區(qū)熔法（Zone refining), 懸浮區(qū)熔法（Float-Zone Tech.) 膜材料: 外延生長(zhǎng)（Epitaxial growth) 在襯底（體材料）材料上生長(zhǎng)薄層單晶體VPE(氣相外延，Vapour phase epitaxy, CVD, PVD)LPE（液相外延, Liquid phase epitaxy)MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積, Metallic organic CVD)MBE（分子束外延, Molecular beam epitaxy) 1947年12月16

11、日：威廉邵克雷(William Shockley)、約翰巴頓(John Bardeen)和沃特布拉頓(Walter Brattain)成功地在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一個(gè)晶體管。 1950年：威廉邵克雷開發(fā)出雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor)，這是現(xiàn)在通行的標(biāo)準(zhǔn)的晶體管。 1953年：第一個(gè)采用晶體管的商業(yè)化設(shè)備投入市場(chǎng)，即助聽器。1954年10月18日：第一臺(tái)晶體管收音機(jī)Regency TR1投入市場(chǎng)，僅包含4只鍺晶體管。1961年4月25日：第一個(gè)集成電路專利被授予羅伯特諾伊斯(Robert Noyce)。最初的晶體管對(duì)收音機(jī)和電話而言已經(jīng)足夠，但是新的電子設(shè)備

12、要求規(guī)格更小的晶體管，即集成電路。1965年：摩爾定律誕生。當(dāng)時(shí)，戈登摩爾(Gordon Moore)預(yù)測(cè)，未來一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量大約每年翻一倍(10年后修正為每?jī)赡?，摩爾定律在Electronics Magazine雜志一篇文章中公布。晶體管的發(fā)展歷史及其重要里程碑 1968年7月：羅伯特諾伊斯和戈登摩爾從仙童(Fairchild)半導(dǎo)體公司辭職，創(chuàng)立了一個(gè)新的企業(yè)，即英特爾公司，英文名Intel為“集成電子設(shè)備(integrated electronics)”的縮寫。1969年：英特爾成功開發(fā)出第一個(gè)PMOS硅柵晶體管技術(shù)。這些晶體管繼續(xù)使用傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)，但是引入了新的多晶硅

13、柵電極。 1971年：英特爾發(fā)布了其第一個(gè)微處理器4004。4004規(guī)格為1/8英寸 x 1/16英寸，包含僅2000多個(gè)晶體管，采用英特爾10微米PMOS技術(shù)生產(chǎn)。 1978年：英特爾標(biāo)志性地把英特爾8088微處理器銷售給IBM新的個(gè)人電腦事業(yè)部，武裝了IBM新產(chǎn)品IBM PC的中樞大腦。16位8088處理器含有2.9萬個(gè)晶體管，運(yùn)行頻率為5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推動(dòng)英特爾進(jìn)入了財(cái)富(Forture) 500強(qiáng)企業(yè)排名，財(cái)富(Forture)雜志將英特爾公司評(píng)為“七十大商業(yè)奇跡之一(Business Triumphs of the Seventies)”。 1982年：

14、286微處理器(又稱80286)推出，成為英特爾的第一個(gè)16位處理器，可運(yùn)行為英特爾前一代產(chǎn)品所編寫的所有軟件。286處理器使用了13400個(gè)晶體管，運(yùn)行頻率為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。 1985年：英特爾386微處理器問世，含有27.5萬個(gè)晶體管，是最初4004晶體管數(shù)量的100多倍。386是32位芯片，具備多任務(wù)處理能力，即它可在同一時(shí)間運(yùn)行多個(gè)程序。 1993年：英特爾奔騰處理器問世，含有3百萬個(gè)晶體管，采用英特爾0.8微米制程技術(shù)生產(chǎn)。 1999年2月：英特爾發(fā)布了奔騰III處理器。奔騰III是1x1正方形硅，含有950萬個(gè)晶體管，采用英特爾0.25微米制程技術(shù)生

15、產(chǎn)。 2002年1月：英特爾奔騰4處理器推出，高性能桌面臺(tái)式電腦由此可實(shí)現(xiàn)每秒鐘22億個(gè)周期運(yùn)算。它采用英特爾0.13微米制程技術(shù)生產(chǎn)，含有5500萬個(gè)晶體管。2002年8月13日：英特爾透露了90納米制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗晶體管，應(yīng)變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅。2003年3月12日：針對(duì)筆記本的英特爾迅馳移動(dòng)技術(shù)平臺(tái)誕生，包括了英特爾最新的移動(dòng)處理器“英特爾奔騰M處理器”。該處理器基于全新的移動(dòng)優(yōu)化微體系架構(gòu)，采用英特爾0.13微米制程技術(shù)生產(chǎn)，包含7700萬個(gè)晶體管。2005年5月26日：英特爾第一個(gè)主流雙核處理器“英特爾奔騰D

16、處理器”誕生，含有2.3億個(gè)晶體管，采用英特爾領(lǐng)先的90納米制程技術(shù)生產(chǎn)。2006年7月18日：英特爾安騰2雙核處理器發(fā)布，采用世界最復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，含有17.2億個(gè)晶體管。該處理器采用英特爾90納米制程技術(shù)生產(chǎn)。 2006年7月27日：英特爾酷睿2雙核處理器誕生。該處理器含有2.9億多個(gè)晶體管，采用英特爾65納米制程技術(shù)在世界最先進(jìn)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)。2006年9月26日：英特爾宣布，超過15種45納米制程產(chǎn)品正在開發(fā)，面向臺(tái)式機(jī)、筆記本和企業(yè)級(jí)計(jì)算市場(chǎng)，研發(fā)代碼Penryn，是從英特爾酷睿微體系架構(gòu)派生而出。 2007年1月8日：為擴(kuò)大四核PC向主流買家的銷售，英特爾發(fā)布了針對(duì)桌面電腦的65

17、納米制程英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款四核服務(wù)器處理器。英特爾酷睿2四核處理器含有5.8億多個(gè)晶體管。2007年1月29日：英特爾公布采用突破性的晶體管材料即高-k柵介質(zhì)和金屬柵極。英特爾將采用這些材料在公司下一代處理器英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強(qiáng)系列多核處理器的數(shù)以億計(jì)的45納米晶體管或微小開關(guān)中用來構(gòu)建絕緣“墻”和開關(guān)“門”，研發(fā)代碼Penryn。采用了這些先進(jìn)的晶體管，已經(jīng)生產(chǎn)出了英特爾45納米微處理器。/cpu/49/3060049_1.shtml45納米到底如何小而強(qiáng)大? 1納米=10億分之一米;或者說 1納米=0.0000000001米1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的第一個(gè)晶體管可握在手中，而英特爾制造的全新45納米晶體管僅在一個(gè)紅血球細(xì)胞表面即可容納數(shù)百個(gè)。如果一所房子縮小為一個(gè)晶體管大小，不借助顯微鏡你根本無法看到這所房子。要看到45納米大小的晶體管，你需要借助非常先進(jìn)的顯微鏡。英特爾即將推出的下一代45納米處理器(研發(fā)代碼：Penryn)中，一個(gè)晶體管的價(jià)格僅相當(dāng)于1968年時(shí)一個(gè)晶體管平均價(jià)格的百萬分之一。如果汽車價(jià)格以同樣的速度下滑，今天一部新車的價(jià)格將僅為1美分。你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放2000多個(gè)45納 米晶體管。你可以在一個(gè)針頭上擺放3