半導體物理-緒論課件

半導體物理-緒論半導體物理-緒論半導體物理聯(lián)想？？？定位課程介紹半導體物理聯(lián)想？？？定位課程介紹法國科學家阿爾貝·費爾德國科學家彼得·格林貝格爾巨磁電阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應用。（2007年）近年諾貝爾物理學獎法國科學家阿爾貝·費爾德國科學家彼得·格林貝格爾巨磁電阻效應高錕、威拉德·博伊爾和喬治·史密斯（2009年）高錕在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就，獲得物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享另一半獎金。高錕、威拉德·博伊爾和喬治·史密斯高錕在“有關光在纖維中的傳英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫

（2010年）“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”而共享。2004年制成的石墨烯已迅速成為物理學和材料學的熱門話題，現(xiàn)在是世界上最薄的材料，僅有一個原子厚。在改良后，石墨烯致力于塑造低功率電子元件，如晶體管。相比之下，銅線和半導體都會產(chǎn)生電腦芯片75%的能量消耗，人們確定了石墨烯擁有取代硅留名史冊的本事。英國曼徹斯特大學物理學家“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”而《科學》：2009年十大科學突破石墨烯微觀結(jié)構(gòu)：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜《科學》：2009年十大科學突破石墨烯微觀結(jié)構(gòu)：六角型呈蜂巢貝爾實驗室JohnBardeen,WalterBrattain和WilliamShockley三人于1947年發(fā)明了三極管，因此獲得1956年諾貝爾物理獎

1947年三極管

1958年集成電路IC1963年CMOSIC半導體器件的發(fā)展進程貝爾實驗室JohnBardeen,WalterBrat1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一次提出了集成電路的設想。1958年以（德州儀器公司）TI的科學家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果。Intel公司諾宜斯（RobertNoyce）同時間發(fā)明了IC的單晶制造概念。RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)集成電路的發(fā)明集成電路【IntegratedCircuit：IC】

通過一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連關系，“集成”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復雜電子系統(tǒng)。

1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一主要半導體器件列表主要半導體器件列表Semiconductorhasbecomeanon-separablepartofourworldSemiconductorhasbecomeanon半導體物理半導體材料/半導體器件集成電路半導體工業(yè)的核心

微電子工藝固體物理學、量子力學…地位半導體物理半導體材料/半導體器件集成電路半導體工業(yè)的核心以晶體結(jié)構(gòu)學和點陣動力學為基礎，研究半導體中的原子狀態(tài)；并以固體電子論和能帶理論為基礎，研究半導體中的電子狀態(tài)以及各種半導體器件內(nèi)部電子過程。半導體物理學是固體物理學的一個分支，其發(fā)展不僅使人們對半導體有了深入的了解，而且由此而產(chǎn)生的各種半導體器件、集成電路和半導體激光器等已得到廣泛的應用。

半導體物理學研究什么？以晶體結(jié)構(gòu)學和點陣動力學為基礎，研究半導體中

身為一個電子、光電子、電子材料專業(yè)的學生，你可能會問:為什么要學習這門課程？？？？？？？？為什么要學習該課程？

身為一個電子、光電子、電子材料專業(yè)的學生，你自1998年以來，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的工業(yè)，其全球銷售量超過一萬億美元。而半導體工業(yè)正是此工業(yè)的基礎。要更深入地了解電子學的相關課程，擁有半導體物理的基礎知識是必要的，它也可以使你對現(xiàn)代這個由電子技術發(fā)展而來的信息時代有所貢獻。1980－2000年的全球國民生產(chǎn)總值（WGP）及電子、汽車、半導體和鋼鐵工業(yè)的銷售量，并外插此曲線到2010年止理由很簡單

自1998年以來，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的

電子工業(yè)和半導體工業(yè)已經(jīng)超過傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)、汽車工業(yè)，成為21世紀的高附加值、高科技的產(chǎn)業(yè)。電子工業(yè)的高速發(fā)展依賴于半導體工業(yè)的快速提高，而在半導體工業(yè)中其核心是集成電路（電集成、光集成、光電集成），集成電路在性能、集成度、速度等方面的快速發(fā)展是以半導體物理、半導體器件、微電子工藝的發(fā)展為基礎的。從上圖中可以得知：半導體物理學為其提供了基礎知識，是半導體工業(yè)的理論平臺。太陽能電池、LED，半導體制冷、IC設計從上圖中可以得知：半導體物理學為其提供了基礎知識，是半導體工現(xiàn)實需要1、學生考研需要：清華、北大、復旦、中科院及本校，特別是本校學生的面試。2009北大面試題：

（1）假設有一nMOS結(jié)構(gòu)，其金屬功函數(shù)為Φm，半導體功函數(shù)為Φs，:且Φm>Φs，畫出其低頻C-V曲線，并說明如何確定平帶電壓。如果增大該MOS結(jié)構(gòu)的襯底摻雜濃度Na，其C-V曲線將發(fā)生怎樣的變化？（2）解釋費米能級。（3）摻雜半導體電阻率、遷移率隨溫度的變化。（4）什么是歐姆接觸，怎樣實現(xiàn)歐姆接觸，然后偏襯效應的影響（5）解釋歐姆接觸，產(chǎn)生歐姆接觸的方法，然后被追問Al和硅會形成什么接觸，既然不能直接形成歐姆接觸，為什么集成電路中可以用Al做布線。支支吾吾了一分鐘，然后被提示是在硅中重摻雜（6）柵控二極管的橫向和縱向能帶圖（橫向就是畫柵和襯底的MIS能帶圖，縱向就是畫源漏和襯底的PN結(jié)能帶圖）現(xiàn)實需要2、了解最新發(fā)展狀況：熟悉本專業(yè)特色，為今后學習、工作做好準備（有關單位的筆試及面試,中芯國際、凹凸、富士康、華燦、宜昌硅片、天馬微電子等），特別是課外科研組、大學生創(chuàng)新計劃、課程設計是有關實驗經(jīng)驗的基礎。(美國常綠與中國珈偉，光谷500兆瓦太陽能項目，投資4.5億美元)3、出國，杜絕要分現(xiàn)象。4、其他：了解科技成果及應用半導體物理-緒論課件水立方多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)水立方多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)

奧運會開幕式舞臺和道具的技術應用是一個較大的亮點。場地中央出現(xiàn)的LED屏幕長147米、寬22米，是歷屆開幕式科技含量最高的一個舞臺。該屏幕上共鋪設4.4萬顆LED。LED制造的光影效果幻化出各種圖案，將觀眾引入夢幻般的世界中。在大量的測試試驗后，高科技材料的LED地面完全經(jīng)得住演員踩踏、水浸等考驗。在視覺上，兩個卷軸在緩慢地轉(zhuǎn)動著，實際它們沒有旋轉(zhuǎn)，只是平移，像兩扇門一樣。為了造成旋轉(zhuǎn)的效果，技術人員通過不同線束在不同狀態(tài)下發(fā)光的原理，用LED燈漸次熄滅和點亮的原理，制造成旋轉(zhuǎn)的效果。2008年奧運開幕式的科技解讀2008年奧運開幕式的科技解讀量子點太陽能電池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁帶寬度可調(diào)；多激子產(chǎn)生

MEG效應突破單結(jié)電池31%理論極限。低成本：溶液室溫成膜，可以與各種基底結(jié)合。量子點太陽能電池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁帶寬度可調(diào)1半導體中的電子狀態(tài)3載流子輸運4非平衡載流子5p－n結(jié)6半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)7金屬和半導體的接觸9半導體的光電性質(zhì)8異質(zhì)結(jié)2半導體中載流子的統(tǒng)計分布本課程主要內(nèi)容1半導體中的電子狀態(tài)3載流子輸運4非平衡載流子5p－n結(jié)6半主要涉及半導體中的電子狀態(tài)和能帶、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級、半導體中載流子的統(tǒng)計分布、半導體的導電性、半導體中的非平衡載流子、金屬-半導體接觸、半導體表面及MIS結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)、半導體的光電效應等物理現(xiàn)象。理論教學與實踐教學相結(jié)合，注重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系的實際能力、科學研究的思想方法、創(chuàng)新能力以及工程實踐能力等。為畢業(yè)生從事微電子、集成電路設計、光電子、電子材料及其相關學科的科學研究、工程設計奠定扎實的理論與實踐基礎。主要內(nèi)容主要涉及半導體中的電子狀態(tài)和能帶、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級、教學大綱四、先修課程:高等數(shù)學、工程數(shù)學、普通物理學、固體電子學基礎(Ⅰ)

五、課程教學目標:

通過本課程的學習,使學生熟悉半導體物理的基本概念、掌握半導體中微觀粒子的基本運動規(guī)律及半導體材料的基本性能,了解半導體器件的基本工作原理及其應用,提高分析問題和解決問題的能力,能夠用相關理論分析和解決問題,并為后續(xù)專業(yè)課程打下扎實理論基礎。專業(yè)基礎課教學大綱四、先修課程:高等數(shù)學、工程數(shù)學、普通物六、適用學科專業(yè)

：集成電路設計與集成系統(tǒng)、材料七、基本教學內(nèi)容與學時安排：

緒論學時第1章半導體中的電子狀態(tài)（4學時）1、半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)（1學時）2、半導體中的電子狀態(tài)和能帶（2學時）3、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級（1學時）第2章半導體中載流子的統(tǒng)計分布（4學時）1、費米能級和載流子的統(tǒng)計分布（2學時）2、半導體的載流子濃度（2學時）第3章半導體載流子輸運（6學時）1、載流子的漂移運動和遷移率、散射（3學時）2、電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關系（3學時）六、適用學科專業(yè)：集成電路設計與集成系統(tǒng)、材料緒論第4章非平衡載流子（4學時）1、復合理論（2學時）2、愛因斯坦關系式及連續(xù)性方程式（2學時）第5章pn結(jié)（4學時）1、pn結(jié)及其能帶圖（2學時）2、pn結(jié)特性（2學時）第6章

金屬和半導體的接觸（4學時）1、金屬半導體接觸及其能級圖（2學時）2、金屬半導體接觸整流理論（2學時）第7章半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)（3學時）1、表面態(tài)及表面電場效應（1學時）2、MIS結(jié)構(gòu)的電容–電壓特性（2學時）第4章非平衡載流子（4學時）第8章

半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（3學時）1、半導體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖（2學時）2、半導體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應用（1學時）第9章半導體的光電、熱電效應及應用（4學時）1、半導體的光吸收、光電導（1學時）2、光生伏特效應、半導體光電探測、發(fā)光（2學時）3、三大熱電效應（1學時）總復習、請名家講課等(4學時)第8章半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（3學時）八、教材及參考書半導體物理學（第7版），劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社，2011.10固體物理學Ⅱ,方俊鑫，陸棟，上?？茖W技術出版社半導體器件物理（第3版）,(美)施敏，（美）伍國鈺著，耿莉、張瑞智譯，西安交通大學出版社，2008.6半導體物理與器件（第三版），（美）尼曼（Neamen，D.A.）著，趙毅強等譯，電子工業(yè)出版社，2005.2IntroductiontoSolidStatePhysics，SeventhEdition，C.Kettle.九、考試方式：閉卷考試（課堂所講內(nèi)容及習題

）（參考試卷、考試結(jié)果、學生體會）十、其他說明：考試占60%,平時成績占40％(包括作業(yè)30%、測驗10%等)十一、選擇內(nèi)容：學術講座（校友、國光老師等）八、教材及參考書半導體物理-緒論半導體物理-緒論半導體物理聯(lián)想？？？定位課程介紹半導體物理聯(lián)想？？？定位課程介紹法國科學家阿爾貝·費爾德國科學家彼得·格林貝格爾巨磁電阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應用。（2007年）近年諾貝爾物理學獎法國科學家阿爾貝·費爾德國科學家彼得·格林貝格爾巨磁電阻效應高錕、威拉德·博伊爾和喬治·史密斯（2009年）高錕在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就，獲得物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享另一半獎金。高錕、威拉德·博伊爾和喬治·史密斯高錕在“有關光在纖維中的傳英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫

（2010年）“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”而共享。2004年制成的石墨烯已迅速成為物理學和材料學的熱門話題，現(xiàn)在是世界上最薄的材料，僅有一個原子厚。在改良后，石墨烯致力于塑造低功率電子元件，如晶體管。相比之下，銅線和半導體都會產(chǎn)生電腦芯片75%的能量消耗，人們確定了石墨烯擁有取代硅留名史冊的本事。英國曼徹斯特大學物理學家“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”而《科學》：2009年十大科學突破石墨烯微觀結(jié)構(gòu)：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜《科學》：2009年十大科學突破石墨烯微觀結(jié)構(gòu)：六角型呈蜂巢貝爾實驗室JohnBardeen,WalterBrattain和WilliamShockley三人于1947年發(fā)明了三極管，因此獲得1956年諾貝爾物理獎

1947年三極管

1958年集成電路IC1963年CMOSIC半導體器件的發(fā)展進程貝爾實驗室JohnBardeen,WalterBrat1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一次提出了集成電路的設想。1958年以（德州儀器公司）TI的科學家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果。Intel公司諾宜斯（RobertNoyce）同時間發(fā)明了IC的單晶制造概念。RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)集成電路的發(fā)明集成電路【IntegratedCircuit：IC】

通過一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連關系，“集成”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復雜電子系統(tǒng)。

1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一主要半導體器件列表主要半導體器件列表Semiconductorhasbecomeanon-separablepartofourworldSemiconductorhasbecomeanon半導體物理半導體材料/半導體器件集成電路半導體工業(yè)的核心

微電子工藝固體物理學、量子力學…地位半導體物理半導體材料/半導體器件集成電路半導體工業(yè)的核心以晶體結(jié)構(gòu)學和點陣動力學為基礎，研究半導體中的原子狀態(tài)；并以固體電子論和能帶理論為基礎，研究半導體中的電子狀態(tài)以及各種半導體器件內(nèi)部電子過程。半導體物理學是固體物理學的一個分支，其發(fā)展不僅使人們對半導體有了深入的了解，而且由此而產(chǎn)生的各種半導體器件、集成電路和半導體激光器等已得到廣泛的應用。

半導體物理學研究什么？以晶體結(jié)構(gòu)學和點陣動力學為基礎，研究半導體中

身為一個電子、光電子、電子材料專業(yè)的學生，你可能會問:為什么要學習這門課程？？？？？？？？為什么要學習該課程？

身為一個電子、光電子、電子材料專業(yè)的學生，你自1998年以來，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的工業(yè)，其全球銷售量超過一萬億美元。而半導體工業(yè)正是此工業(yè)的基礎。要更深入地了解電子學的相關課程，擁有半導體物理的基礎知識是必要的，它也可以使你對現(xiàn)代這個由電子技術發(fā)展而來的信息時代有所貢獻。1980－2000年的全球國民生產(chǎn)總值（WGP）及電子、汽車、半導體和鋼鐵工業(yè)的銷售量，并外插此曲線到2010年止理由很簡單

自1998年以來，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的

電子工業(yè)和半導體工業(yè)已經(jīng)超過傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)、汽車工業(yè)，成為21世紀的高附加值、高科技的產(chǎn)業(yè)。電子工業(yè)的高速發(fā)展依賴于半導體工業(yè)的快速提高，而在半導體工業(yè)中其核心是集成電路（電集成、光集成、光電集成），集成電路在性能、集成度、速度等方面的快速發(fā)展是以半導體物理、半導體器件、微電子工藝的發(fā)展為基礎的。從上圖中可以得知：半導體物理學為其提供了基礎知識，是半導體工業(yè)的理論平臺。太陽能電池、LED，半導體制冷、IC設計從上圖中可以得知：半導體物理學為其提供了基礎知識，是半導體工現(xiàn)實需要1、學生考研需要：清華、北大、復旦、中科院及本校，特別是本校學生的面試。2009北大面試題：

（1）假設有一nMOS結(jié)構(gòu)，其金屬功函數(shù)為Φm，半導體功函數(shù)為Φs，:且Φm>Φs，畫出其低頻C-V曲線，并說明如何確定平帶電壓。如果增大該MOS結(jié)構(gòu)的襯底摻雜濃度Na，其C-V曲線將發(fā)生怎樣的變化？（2）解釋費米能級。（3）摻雜半導體電阻率、遷移率隨溫度的變化。（4）什么是歐姆接觸，怎樣實現(xiàn)歐姆接觸，然后偏襯效應的影響（5）解釋歐姆接觸，產(chǎn)生歐姆接觸的方法，然后被追問Al和硅會形成什么接觸，既然不能直接形成歐姆接觸，為什么集成電路中可以用Al做布線。支支吾吾了一分鐘，然后被提示是在硅中重摻雜（6）柵控二極管的橫向和縱向能帶圖（橫向就是畫柵和襯底的MIS能帶圖，縱向就是畫源漏和襯底的PN結(jié)能帶圖）現(xiàn)實需要2、了解最新發(fā)展狀況：熟悉本專業(yè)特色，為今后學習、工作做好準備（有關單位的筆試及面試,中芯國際、凹凸、富士康、華燦、宜昌硅片、天馬微電子等），特別是課外科研組、大學生創(chuàng)新計劃、課程設計是有關實驗經(jīng)驗的基礎。(美國常綠與中國珈偉，光谷500兆瓦太陽能項目，投資4.5億美元)3、出國，杜絕要分現(xiàn)象。4、其他：了解科技成果及應用半導體物理-緒論課件水立方多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)水立方多晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)

奧運會開幕式舞臺和道具的技術應用是一個較大的亮點。場地中央出現(xiàn)的LED屏幕長147米、寬22米，是歷屆開幕式科技含量最高的一個舞臺。該屏幕上共鋪設4.4萬顆LED。LED制造的光影效果幻化出各種圖案，將觀眾引入夢幻般的世界中。在大量的測試試驗后，高科技材料的LED地面完全經(jīng)得住演員踩踏、水浸等考驗。在視覺上，兩個卷軸在緩慢地轉(zhuǎn)動著，實際它們沒有旋轉(zhuǎn)，只是平移，像兩扇門一樣。為了造成旋轉(zhuǎn)的效果，技術人員通過不同線束在不同狀態(tài)下發(fā)光的原理，用LED燈漸次熄滅和點亮的原理，制造成旋轉(zhuǎn)的效果。2008年奧運開幕式的科技解讀2008年奧運開幕式的科技解讀量子點太陽能電池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁帶寬度可調(diào)；多激子產(chǎn)生

MEG效應突破單結(jié)電池31%理論極限。低成本：溶液室溫成膜，可以與各種基底結(jié)合。量子點太陽能電池：高效率，低成本（唐江）高效率：禁帶寬度可調(diào)1半導體中的電子狀態(tài)3載流子輸運4非平衡載流子5p－n結(jié)6半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)7金屬和半導體的接觸9半導體的光電性質(zhì)8異質(zhì)結(jié)2半導體中載流子的統(tǒng)計分布本課程主要內(nèi)容1半導體中的電子狀態(tài)3載流子輸運4非平衡載流子5p－n結(jié)6半主要涉及半導體中的電子狀態(tài)和能帶、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級、半導體中載流子的統(tǒng)計分布、半導體的導電性、半導體中的非平衡載流子、金屬-半導體接觸、半導體表面及MIS結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)、半導體的光電效應等物理現(xiàn)象。理論教學與實踐教學相結(jié)合，注重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系的實際能力、科學研究的思想方法、創(chuàng)新能力以及工程實踐能力等。為畢業(yè)生從事微電子、集成電路設計、光電子、電子材料及其相關學科的科學研究、工程設計奠定扎實的理論與實踐基礎。主要內(nèi)容主要涉及半導體中的電子狀態(tài)和能帶、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級、教學大綱四、先修課程:高等數(shù)學、工程數(shù)學、普通物理學、固體電子學基礎(Ⅰ)

五、課程教學目標:

通過本課程的學習,使學生熟悉半導體物理的基本概念、掌握半導體中微觀粒子的基本運動規(guī)律及半導體材料的基本性能,了解半導體器件的基本工作原理及其應用,提高分析問題和解決問題的能力,能夠用相關理論分析和解決問題,并為后續(xù)專業(yè)課程打下扎實理論基礎。專業(yè)基礎課教學大綱四、先修課程:高等數(shù)學、工程數(shù)學、普通物六、適用學科專業(yè)

：集成電路設計與集成系統(tǒng)、材料七、基本教學內(nèi)容與學時安排：

緒論學時第1章半導體中的電子狀態(tài)（4學時）1、半導體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)（1學時）2、半導體中的電子狀態(tài)和能帶（2學時）3、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級（1學時）第2章半導體中載流子的統(tǒng)