高等半导体物理讲义.doc

国科大精品数字课程 PAGE PAGE 27 高等半导体物理 课程内容 （前置课程： 量子力学，固体物理） 能带理论，半导体中的电子态 半导体中的电输运 半导体中的光学性质 超晶格，量子阱 前言：半导体理论和器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论（里程碑） 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管，带来了现代电子技术的革命，同时也促进了半导体物理研究的蓬勃发展。从那以后的几十年间，无论在半导体物理研究方面，还是半导体器件应用方面都有了飞速的发展。 半导体有效质量理论的提出，这是半导体理论的一个重大发展，它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构，给出了研究浅能级、激子、磁能级等的理论方法，促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念的提出，使得固体能带的计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交的性质，用一个赝势代替真实的原子势，得到了一个固体中价电子态满足的方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体的比较精确的能带结构。 1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出，Esaki (江歧), Tsu （朱兆祥） * 超高真空表面能谱分析技术相继出现，开始了对半导体表面、界面物理的研究 1971 第一个超晶格AlxGa1-xAs/GaAs 制备，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代。 1980 德国的Von Klitzing发现了整数量子Hall 效应 —— 标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高的AlxGa1-xAs/GaAs异质结中发现了分数量子Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克效应，以及由激子吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线性效应，为设计新一代光双稳器件提供了重要的依据。 1990 英国的Canham首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光，使人们看到了全硅光电子集成技术的新曙光。 近年来，各国科学家将选择生成超薄层外延技术和精细束加工技术密切结合起来，研制量子线与量子点及其光电器件，预期能发现一些新的物理现象和得到更好的器件性能。在器件长度小于电子平均自由程的所谓介观系统中，电子输运不再遵循通常的欧姆定律，电子运动完全由它的波动性质决定。人们发现电子输运的Aharonov-Bohm振荡，电子波的相干振荡以及量子点的库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象的发现产生新的器件设计思想，促进新一代半导体器件的发展。 半导体材料分类： 元素半导体， Si, Ge IV 族 金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 10-12/cm3 , Dislocation densities 103 /cm3 Size 20 inches (50 cm) in diameter P V 族 S, Te, Se VI 族 二元化合物， III-V族化合物： GaAS系列，闪锌矿结构, 电荷转移 GaAs, 1.47 eV InAs 0.36 eV GaP, 2.23 eV GaSb, 0.68 eV GaN, 3.3 eV BN 4.6 eV AlN 3.8 eV II-VI族化合物 更强的电荷转移 ZnSe 2.67 CdS Z nS CdTe HgTe 0.025 eV （远红外线探测器） III-VII族化合物 CuCl 3 eV IV-IV族化合物 红外线探测器 PbS 0.37 eV, PbTe 0.29 eV 氧化物， CuO, CuO2 , ZnO 高温超导体，La2CuO4 , M?ller, Bednorz 有