半导体物理学前言.ppt
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1、半导体物理学,李斌斌,教材,半导体物理学 刘恩科 国防工业出版社 建议120学时,现有36学时,本课程主要内容,1.半导体的电子状态2.半导体中的杂质和缺陷能级3.半导体中载流子的统计分布4.半导体的导电性5.非平衡载流子6.p-n结7.金属和半导体的接触10.半导体的光学性质与光电现象,半导体材料课程,广泛地介绍半导体材料的概念和基本性质半导体材料的分类:1.按导电性分类2.按能带论分类3.从组成和元素分类4.按功能和应用分类,(1)导电性,良导体:电阻率10-6.cm绝缘体:1012 1022.cm半导体:10-6 1012.cm 通常:10-3 109.cm,(2)化学组成和结构,元素半
2、导体:Si,Ge化合物半导体:GaAs,ZnO固溶体半导体:AlGaAs,SiGe非晶半导体:非晶硅微结构半导体:多晶硅有机半导体等,(3)使用功能,电子材料光电材料传感材料热电致冷材料等,(4)能带结构,直接带隙半导体间接带隙半导体,宽带隙半导体窄带隙半导体,1)首次报道半导体,伏特 A.Volta(17451827),意大利物理学家国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。1800年,他发明了世界上第一个伏特电池,这是最早的直流电源。从此,人类对电的研究从静电发展到流动电,开拓了电学的研究领域。他利用静电计对不同材料接地放电,区分了金属,绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导体”。他在给伦
3、敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor”(半导体)一词。,2)负电阻温度系数,法拉第 M.Faraday(17911867),英国英国物理学家、化学家,现代电工科学的奠基者之一。电容的单位法(拉)即为纪念他而命名。法拉第发明了第一台电动机,另外法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。1833年,法拉第就开始研究Ag2S半导体材料,发现了负的电阻温度系数,即随着温度的升高,电阻值下将。负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一,正、负电阻温度系数,负电阻温度系数 正电阻温度系数,R,R,T,T,3)光电导效应,1873年,英国史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面,发现
4、了硒的光电导效应,它开创了半导体研究和开发的先河。所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。光电导效应是半导体材料的特有性质之二,照片,光电导示意图,4)整流效应,布劳恩 K.F.Braun(18501918),德国物理学家。布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理学奖。1874年,他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导通,这就是半导体的整流效应。整流效应是半导体材料的特有性质之三,照片,伏安特性,I 电流,V 电压,0,正向,反向,5)光
5、生伏特效应,1876年,英国物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势,这就是半导体光生伏打效应。光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能,称为太阳能电池。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池,效率为4%。光生伏特效应是半导体材料的特有性质之四,照片,光生伏特效应,6)霍尔效应,1879年,霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力,发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势,这个电磁效应称为“霍尔效应”。“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等
6、重要参数。霍尔效应是半导体材料的特有性质之五,照片,霍尔效应示意图,BZ,Ix,v,fB,P型半导体薄片:长度为L,宽度为b,厚度为 d磁场方向(z方向)与薄片垂直,电流方向为x方向,L,b,d,fE,x,y,z,半导体的五大特性,负电阻温度系数光电导效应整流效应光生伏特效应霍尔效应在1880年就发现了半导体材料的五大特性,现代微电子技术的发展也正是依据半导体材料的五大特性但在19世纪,半导体科学却没有取得迅猛的发展,受到限制的主要原因,1.半导体材料的不纯半导体材料,先进薄膜沉积技术,半导体单晶制备技术2.半导体物理理论的不完善半导体物理学,1)半导体材料方面,当时的一个重大任务:如何制备出
7、高纯度的半导体材料以实现可控的半导体导电类型和导电能力。因而促使了半导体工艺技术的发展:半导体提纯技术,真空感应拉制单晶,区域熔 炼等,四十年代:制备出了纯度达9个9和10个9的高纯度元素半导体锗、硅单晶。P型半导体、N型半导体的制备。1950年,R.Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺;1956年,S.Fuller发明了扩散工艺;1960年,H.Loor和E.Castellani发明了光刻工艺,半导体体单晶生长技术,1950年,蒂尔(G.K.Teal)用直拉法制备出了 Ge单晶。体单晶基本上是由熔体生长法制成,1948年:第一只半导体晶体管诞生,晶体管的放大作用的发现(贝尔实验室:肖克利,巴丁,
8、布拉坦),1958年,德州仪器的基尔比发明了第一块用Ge材料制成的集成电路1958年,仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材料制成的集成电路,1960年,MOS场效应管60年代初,人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路,这是半导体发展中的一次飞跃。它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。所谓集成电路指的是把二极管、三极管(晶体管)以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上,使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应,而是具有一个电路的功能。,集成电路的种类,按功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类;集成电路按其制作工艺不同,可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类;器件的
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- 半导体 物理学 前言
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