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半导体物理与材料方案第1页/共66页第2页/共66页主要内容第一章 概论第二章 材料特性和基本的PN结关系第三章 PN结二极管第四章 双极晶体管第五章 结型、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 作业占20%，考试占80%第3页/共66页主要参考书刘恩科：半导体物理学叶良修：半导体物理学曾树荣：半导体器件与物理基础施敏： 半导体器件与物理忻贤堃：半导体物理与器件第4页/共66页第一章 概论1.1半导体材料与器件的发展历史 《半导体物理》与《半导体物理与器件》是半导体物理、微电子专业最重要的两门课。 本课程需要《固体物理》、《半导体物理》、《量子力学》的基础知识。 人类已经进入21世纪，这是社会高度信息化的世纪。计算机网络和通信技术的进步是信息化发展的标志.今天，无论何时何地，人们都可以高速交换信息，使区域性很强的政治、经济、文化国际化。 但是，如果没有以晶体管为基础的微电子学的发展就谈不上个人计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的光电子学的发展就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技术。本课程介绍半导体物理、微电子学和光电子学领域主要半导体材料和器件的基本原理。第5页/共66页微电子学的主体是在以晶体管、二极管为单元的各种半导体器件的基础上构成的集成电路。光电子学是在半导体和电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门高技术学科，主体是半导体光电子学。 半导体器件和材料的理论的发展主要依赖于量子力学的进展。从Planck的黑体辐射定律开始的1900年，1906年Einstein的光电效应理论（使普朗克常数可以测量），紧接着是Rutherford 和Bohr的原子理论，1924年De Broglie 的波粒二相性概念，1926年的Schrǒdinger的波动方程，1927年Heisenburg 的不确定原则，Pauli不相容原理，当然还有Fermi和Dirac的工作。 量子力学、固体物理就是解决能带、能级的问题。第6页/共66页1968年MOS大规模集成电路,各种化合物半导体器件1959年硅集成电路问世雷达的研究促进半导体器件的发展1948年双极晶体管发明,NOBEL奖晶体管收音机LS,ULS,VLS,GLS,摩尔定律发展趋势：纳米器件、超晶格、量子阱、照明1920年1940年1960年1980年2010年半导体光电产品、数码产品半导体激光器发明第7页/共66页第一个点接触式的Ge晶体管 (transistor)获1956年诺贝尔物理奖 第8页/共66页1.2什么是半导体？从导电性划分固体材料可分成：超导体、导体、半导体、绝缘体 半导体材料的电导率介于金属与绝缘体之间，并且在很宽的范围内可以变化，并且具有负的电阻温度系数，这正是半导体材料的优点，是广泛应用的基础。 第9页/共66页蒸馏水云母本征硅聚苯乙烯本征锗掺杂锗铜石英绝缘体金属半导体各种材料的电导率第10页/共66页铜锗100 300 1000 T(K)锗和铜的电导率随温度的变化第11页/共66页 电导率随掺杂的变化： 纯硅的电导率很低，室温时的载流子浓度约为 ，电导率约为 。若在这种纯硅中掺入杂质磷，并使磷原子在纯硅中的浓度达到 时，硅在室下的电导率可相应增加到 左右，即比纯硅的电导率增加5个数量级。硅的原子数密度为 ，所以浓度仅为基质硅原子数密度百万分之一的杂质就可使硅的电导率发生惊人的变化。由于掺入半导体的杂质总量可以正确控制，因此利用这一特点可在很宽的范围内改变半导体的电导率，甚至改变电传导的类型，使负载流子传导变为正载流子传导(或相反)。 第12页/共66页半导体电导率的特征：1、 变化范围很宽；2、 随温度上升明显；3、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载流子浓度剧增），电导率急剧增加）；4、 波长合适的光照射，光激发会使载流子浓度和电导率增加（这实际上就是半导体的光电导现象）。 第13页/共66页 除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外，许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pn结、金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触(即异质结)等由界面所表现出来的结特性以及电场对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特性。 这些特性是一些半导体器件较以工作的基础，也是本课程介绍的重点之一。 第14页/共66页半导体材料的种类： 半导体材料在元素周期表中位于周期表（Periodic Table）第Ⅳ族（ Ⅳ column or family） 及其邻近的族。元素半导体化合物半导体合金半导体有机半导体无机半导体按照组成分类第15页/共66页晶体（单晶、多晶