1、第1頁,2016年9月18日星期日,半導(dǎo)體物理學(xué),一、本課程的教學(xué)計(jì)劃 二、主要參考書 半導(dǎo)體物理學(xué)顧祖毅 半導(dǎo)體物理學(xué)劉文明 三、習(xí)題課 四、考試成績分配 最后期末成績80%+10%作業(yè)+10%平時(shí),課程地位： 本課程是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課； 前續(xù)課有普通物理、理論物理、固體物理； 后續(xù)課程是半導(dǎo)體器件物理、集成電路設(shè)計(jì)、光電子器件和功率器件等課程，是本專業(yè)中，開始了解和掌握利用半導(dǎo)體晶體制備固態(tài)器件的首門課程。 課程通過對半導(dǎo)體晶體特性的學(xué)習(xí)，掌握半導(dǎo)體中導(dǎo)電粒子（電子和空穴）的狀態(tài)描述，雜質(zhì)對導(dǎo)電能力改進(jìn)機(jī)理，以及載流子在半導(dǎo)體中多種運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而制備最基本PN結(jié)，MOS結(jié)

2、構(gòu)，實(shí)現(xiàn)利用載流子傳輸、處理信息的基本原理。通過課程的學(xué)習(xí)，除了掌握為后續(xù)課程所需的基本知識點(diǎn)，還要掌握半導(dǎo)體中分析和處理載流子運(yùn)動狀態(tài)的方法和能力。,第2頁,2011年10月9日星期日,教學(xué)目的： 總的教學(xué)目標(biāo)是：使學(xué)生掌握“半導(dǎo)體物理”中的基本概念、基本理論、基本原理和分析方法，從整體上認(rèn)識如何利用半導(dǎo)體晶體實(shí)現(xiàn)功能信息處理的核心理論和知識點(diǎn)，并掌握半導(dǎo)體器件中分析載流子運(yùn)動特性的方法和理論。,第3頁,2011年10月9日星期日,對本專業(yè)畢業(yè)要求的支持度: 通過本課程的學(xué)習(xí)，對畢業(yè)要求能力要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐： 畢業(yè)要求1：半導(dǎo)體物理屬于本專業(yè)必修基礎(chǔ)課程之一，掌握這些理論，能夠培養(yǎng)學(xué)生解決器

3、件在設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用領(lǐng)域解決遇到的較大問題能力，能夠運(yùn)用這些知識解決半導(dǎo)體材料、微電子器件或微電子電路（含集成電路）領(lǐng)域的基本問題。 畢業(yè)要求2：能夠應(yīng)用半導(dǎo)體物理基本原理，識別、表達(dá)，并通過文獻(xiàn)研究，分析與器件、電路（含集成電路）或簡單系統(tǒng)相關(guān)的復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。 畢業(yè)要求4：能夠基于半導(dǎo)體物理并采用科學(xué)方法對半導(dǎo)體器件、微電子電路（含集成電路）等領(lǐng)域的工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)果。 畢業(yè)要求12：通過半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)，建立較好的基礎(chǔ)，并逐步具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。,第4頁,2015年9月21日星

4、期一,本課程主要內(nèi)容： 半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體中電子態(tài) 半導(dǎo)體摻雜 半導(dǎo)體中載流子濃度 載流子輸運(yùn)特性 非平衡態(tài)載流子 半導(dǎo)體PN結(jié) 半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu) 金屬半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),第6頁,2011年10月9日星期日,固體,非晶體：玻璃，塑料等,第一章 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷 固體物理基本概念回顧,固態(tài)電子器件是關(guān)心電子在固體中運(yùn)動的性質(zhì)； 而電子的運(yùn)動一定與固體中原子的排列相關(guān)；,第7頁,2011年10月9日星期日,單晶 非晶 多晶 有周期性 無周期性 每個(gè)小區(qū)域有周期性 非晶（無定型材料）：只在幾個(gè)原子或分子內(nèi)有序； 多晶：在許多個(gè)原子或分子的尺度上有序； 單晶：在整個(gè)區(qū)域內(nèi)原子和分子有序；,原子力顯微

5、晶體圖像,第9頁,一、晶格的周期性 基元：每個(gè)最小的重復(fù)單元。 原胞：一個(gè)晶格最小的周期性單元,原胞的選取不是唯一的； 三維晶格的原胞通常是一個(gè)平行六面體。,第10頁,單胞：反映晶體的周期性和對稱性。 如Si、Ge的金剛石結(jié)構(gòu)； 布拉伐格子：基元代表點(diǎn)的空間分布； 面心立方、體心立方、鉛鋅礦結(jié)構(gòu)；,晶格基矢：是指原胞的邊矢量,第11頁,2011年10月9日星期日,二、晶體的對稱性 定義：相同的性質(zhì)在不同的方向或位置上有規(guī)律的重復(fù)的性質(zhì)叫做對稱性； 當(dāng)晶體經(jīng)過一個(gè)運(yùn)動操作后，晶體的各種性質(zhì)不發(fā)生任何變化； 一般該操作稱為對稱操作；,第12頁,2011年10月9日星期日,三、晶向 同一個(gè)格子可以形

6、成方向不同的晶列，每一個(gè)晶列定義了一個(gè)方向，該方向稱為晶向； 晶向指數(shù)標(biāo)記：沿某一晶向，從一個(gè)原子到最近的原子位移矢量為 則該晶向就用l1、l2、l3標(biāo)志，寫成l1l2l3，稱為晶向指數(shù)。,第13頁,2011年10月9日星期日,以簡立方晶格為例， 100 : OA 立方邊 111 : OC 體對角線 110 : OB 面對角線,第14頁,2011年10月9日星期日,等效晶向 由于晶格的對稱性，晶體在一些方向上的性質(zhì)完全相同，統(tǒng)稱這些晶向?yàn)榈刃Ь颉?立方邊共有6個(gè)不同的晶向，寫成100； 面對角線共有12個(gè)，寫成； 體對角線共有8個(gè)，寫成；,第15頁,2011年10月9日星期日,四、晶面 晶格

7、的格點(diǎn)可以看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面，,第16頁,2011年10月9日星期日,晶面指數(shù) 晶面的標(biāo)志即晶面指數(shù),也稱謂密勒指數(shù)。 密勒指數(shù)的確定：晶格中選一格點(diǎn)為原點(diǎn)，并以3個(gè)基矢a1,a2,a3 為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系。該晶面族中任一晶面與3個(gè)坐標(biāo)軸交點(diǎn)的位矢分別為ra1,sa2,ta3，則它們的倒數(shù)連比可化為互質(zhì)的整數(shù)，即 其中h、k、l為互質(zhì)的整數(shù)，晶體學(xué)中以（hkl）來標(biāo)志該晶面，稱為密勒指數(shù)。,第17頁,2011年10月9日星期日,圖中示出了簡立方中某3個(gè)晶面的密勒指數(shù)： 側(cè)面： （100） 對角面：（110） 頂對角面：（111）,第18頁,2011年10月9日星期

8、日,等效晶面 由于晶格的對稱性，晶體在一些晶面的性質(zhì)完全相同，統(tǒng)稱等效晶面 立方晶體中的立方體共有6個(gè)不同的側(cè)面，寫成100; 對角面共有12個(gè)，統(tǒng)稱這些對角面時(shí)，寫成110; 頂對角面共有8個(gè)，統(tǒng)稱這些頂對角面時(shí)，寫111；,第19頁,2011年10月9日星期日,第20頁,2011年10月9日星期日,第21頁,2011年10月9日星期日,第22頁,2011年10月9日星期日,電阻率介于10-3-106.cm，可變化區(qū)間大，介于金屬（106.cm）和絕緣體（1012.cm）之間,不同摻雜類型的半導(dǎo)體做成pn結(jié)后，或是金屬與半導(dǎo)體接觸后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，可以有整流效應(yīng),具有光敏性，用適當(dāng)

9、波長的光照射后，材料的電阻率會變化，即產(chǎn)生所謂光電導(dǎo),半導(dǎo)體中存在著電子與空穴兩種載流子,純凈半導(dǎo)體電阻率為負(fù)溫度系數(shù)，,摻雜半導(dǎo)體在一定溫度區(qū)域出現(xiàn)正溫度系數(shù),1.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì) 一、,第23頁,元素半導(dǎo)體 元素周期表中從金屬到非金屬的過渡區(qū)元素構(gòu)成的半導(dǎo)體。 Si、Ge是常用的半導(dǎo)體材料，用于VLSI，大多數(shù)半導(dǎo)體器件。 化合物半導(dǎo)體 某些族化合物（AIIIBV）和族化合物 （AIIBVI）具有半導(dǎo)體性質(zhì)， ：AL，Ga，In P，As，Sb（碲） ：Zn，Cd，Hg S，Se，Te 常用的有：GaAs ，GaP ，InP，InAs，InSb，PbS, GaN 用于高速器件，高速集成

10、電路，發(fā)光，激光，紅外探測等。,二、常見的半導(dǎo)體材料,第24頁,常見的半導(dǎo)體材料,第25頁,構(gòu)成半導(dǎo)體材料的主要元素及其在元素周期表中的位置,第26頁,混合晶體構(gòu)成的半導(dǎo)體材料 兩種-族化合物按一比例組成: xAC+(1-x)BC 兩種-族化合物按一比例組成: xAC+(1-x)BC 由于可能通過選取不同比例的x，而改變混晶的物理參數(shù)(禁帶寬度， 折射率等)，這樣人們可以根據(jù)光學(xué)或電學(xué)的需要來調(diào)節(jié)配比x。 主要用在異質(zhì)結(jié)，超晶格和遠(yuǎn)紅外探測器。,第27頁,1.2 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu),一、常見半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)類型與共價(jià)四面體 六種常見結(jié)構(gòu)類型 金剛石結(jié)構(gòu)Si、Ge 閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs、InP、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe、 GaP 纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN、AlN 氯化鈉結(jié)構(gòu)PbS、PbS