半導體物理學 前言 (2)課件

半導體物理學教材《半導體物理學》劉恩科國防工業(yè)出版社建議120學時，現(xiàn)有36學時本課程主要內(nèi)容1.半導體的電子狀態(tài)2.半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級3.半導體中載流子的統(tǒng)計分布4.半導體的導電性5.非平衡載流子6.p-n結(jié)7.金屬和半導體的接觸10.半導體的光學性質(zhì)與光電現(xiàn)象（1）導電性良導體：電阻率<10-6?.cm絕緣體：1012～1022?.cm半導體：10-6～1012?.cm通常：10-3～109?.cm（2）化學組成和結(jié)構(gòu)元素半導體：Si，Ge化合物半導體：GaAs，ZnO固溶體半導體：AlGaAs，SiGe非晶半導體：非晶硅微結(jié)構(gòu)半導體：多晶硅有機半導體等（3）使用功能電子材料光電材料傳感材料熱電致冷材料等1）首次報道半導體伏特A.Volta(1745~1827)，意大利物理學家國際單位制中,電壓的單位伏即為紀念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對電的研究從靜電發(fā)展到流動電，開拓了電學的研究領域。他利用靜電計對不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導電性能介于它們之間的“半導體”。他在給倫敦皇家學會的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導體）一詞。2）負電阻溫度系數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，英國英國物理學家、化學家，現(xiàn)代電工科學的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺電動機，另外法拉第的電磁感應定律是他的一項最偉大的貢獻。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導體材料，發(fā)現(xiàn)了負的電阻溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下將。負電阻溫度系數(shù)是半導體材料的特有性質(zhì)之一正、負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)RRTT光電導示意圖4）整流效應布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，德國物理學家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎金物理學獎。1874年，他觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導通，這就是半導體的整流效應。整流效應是半導體材料的特有性質(zhì)之三照片伏安特性I電流V電壓0正向反向光生伏特效應6）霍爾效應1879年，霍爾(E.H.Hall)在研究通有電流的導體在磁場中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生了電動勢，這個電磁效應稱為“霍爾效應”?！盎魻栃本褪菫榧o念霍爾而命名的。用“霍爾效應”可以測量半導體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)?；魻栃前雽w材料的特有性質(zhì)之五照片霍爾效應示意圖BZIxvfBP型半導體薄片：長度為L，寬度為b，厚度為d磁場方向(z方向）與薄片垂直，電流方向為x方向LbdfExyz受到限制的主要原因1.半導體材料的不純半導體材料，先進薄膜沉積技術，半導體單晶制備技術2.半導體物理理論的不完善半導體物理學1）半導體材料方面當時的一個重大任務：如何制備出高純度的半導體材料以實現(xiàn)可控的半導體導電類型和導電能力。因而促使了半導體工藝技術的發(fā)展：半導體提純技術，真空感應拉制單晶，區(qū)域熔煉等四十年代：制備出了純度達9個9和10個9的高純度元素半導體鍺、硅單晶。P型半導體、N型半導體的制備。1950年，R.Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1956年，S.Fuller發(fā)明了擴散工藝；1960年，H.Loor和E.Castellani發(fā)明了光刻工藝1948年：第一只半導體晶體管誕生，晶體管的放大作用的發(fā)現(xiàn)（貝爾實驗室：肖克利，巴丁，布拉坦）1958年，德州儀器的基爾比發(fā)明了第一塊用Ge材料制成的集成電路1958年，仙童公司的諾伊斯發(fā)明了第一塊用硅材料制成的集成電路1960年，MOS場效應管60年代初，人們在晶體管發(fā)展的基礎上發(fā)明了集成電路，這是半導體發(fā)展中的一次飛躍。它標志著半導體器件由小型化開始進入集成化時期。所謂集成電路指的是把二極管、三極管（晶體管）以及電阻、電容都制做在同一個硅芯片上，使一個片子所完成的不再是一個晶體管的放大或開關效應，而是具有一個電路的功能。摩爾定律1965年英特爾公司主要創(chuàng)始人摩爾提出了“隨著芯片上電路的復雜度提高，元件數(shù)目必將增加，每個元件的成本將每年下降一半”，這個被稱為“摩爾定律”的預言成為了以后幾十年指導集成電路技術發(fā)展的最終法則。在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，到一根頭發(fā)絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量每三年，翻兩番1965，GordonMoore預測

半導體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番微處理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth8080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿?2雙核(2006)

酷睿2四核(2007)

特征尺寸技術上一般將晶體管的半節(jié)距作為集成電路每個技術節(jié)點的檢驗標志，稱為加工特征尺寸。晶體管尺寸縮小是集成電路集成度增加、性能提高的主要方法，但是晶體管的尺寸縮小必將有一個極限。年代特征尺寸2001130nm200490nm200765nm201045nm201332nm201622nm202210nm摩爾定律的極限1.功耗的問題存儲器工作靠的是成千上萬的電子充放電實現(xiàn)記憶的。當芯片集成度越來越高，耗電量也會越來越大，如何解決散熱的問題？2.摻雜原子均勻性的問題一個平方厘米有一億到十億個器件，摻雜原子只有幾十個，怎么保證在每一個器件的雜質(zhì)原子的分布是一模一樣呢？是硅微電子技術發(fā)展遇到的又一個難題。3.SiO2層量子遂穿漏電的問題CMOS器件的柵極和溝道中間有一層絕緣介質(zhì)SiO2，隨著器件尺寸的減小，SiO2的厚度也在減小，當減小到幾個納米的時候，即使你加一個很小的電壓，它就有可能被擊穿或漏電，這個時候溝道電流就難以控制了。量子隧穿漏電是硅微電子技術所遇到的另一個問題。4.量子效應的問題如果硅的尺寸達到幾個納米時，那么量子效應就不能忽略了，現(xiàn)有的集成電路的工作原理就可能不適用了。新的思路1.量子計算機量子計算機是基于量子效應基礎上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。

2.光子計算機光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。3.生物計算機生物計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)的相互作用過程。計算機的轉(zhuǎn)換開關由酶來充當，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。4.納米計算機納米技術研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積不過數(shù)百個原子大小。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。1874年F.Braun金屬－半導體接觸氧化銅、硒整流器、曝光計1879年Hall效應K.Beadeker半導體中有兩種不同類型的電荷1948年Shockley，Bardeen,Brattain鍺晶體管(transistor)點接觸式的硅檢波器1940187019301950硅晶體管1955年德國西門子氫還原三氯硅烷法制得高純硅1950年G.K.Teel直拉法較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1957年第一顆砷化鎵單晶誕生196019501952年H.Welker發(fā)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash無位錯硅單晶1963年用液相外延法生長砷化鎵外延層，半導體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應19701960硅外延技術

1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶半導體材料和元素周期表周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N氧O3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te鍺的分布鍺在地殼中含量約為2×10-4%，但分布極為分散，常歸于稀有元素；1.在煤和煙灰中；2.與金屬硫化物共生；3.鍺礦石Ge是半導體研究的早期樣板材料，在20世紀50年代，Ge是主要的半導體電子材料目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學等方面。鍺的制取鍺來源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成四氯化鍺；制取的四氯化鍺經(jīng)過精餾，萃取等提純水解生成二氧化鍺；用氫氣還原成高純鍺進一步區(qū)熔提純成高純鍺硅的分布硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6％，在自然界中是沒有游離態(tài)的硅主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。Si單晶8英寸（200mm）已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)12英寸（300mm）2005年全球16個工廠18英寸2007年可投入生產(chǎn)27英寸研制正在積極籌劃GaAs

III-V族化合物半導體性質(zhì)（1）帶隙較大－－帶隙大于1.1eV（2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)－－光電轉(zhuǎn)換效率高（3）電子遷移率高－－高頻、高速器件GaAs電學性質(zhì)電子的速度有效質(zhì)量越低，電子速度越快GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快3~4倍高頻器件，軍事上應用GaAs光學性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)光效率比其它半導體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導體激光器等砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高GaAS和InP世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸。----以低位錯密度生長的2～3英寸的導電GaAs襯底材料為主。InP比GaAs●具有更優(yōu)越的高頻性能，●發(fā)展的速度更快；●研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。半導體超晶格、量子阱GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟。已成功地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si應變層超晶格材料新一代移動通信。硅基應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料Si/GeSiMOSFET的最高截止頻率已達200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。基于●低維新型半導體材料●人工構(gòu)造（通過能帶工程實施）●新一代量子器