半导体器件物理_1孟庆巨
半导体物理 刘恩科 第四版 知识点总结
2268半导体器件与物理考试大纲2268 半导体器件与物理[1] 《半导体物理学》，刘恩科、朱秉升、罗晋生，国防工业出版社；[2] 《半导体物理学》，顾祖毅、田立林、富力文等，电子工业出版社；[3] 《半导体器件物理》，孟庆巨、刘海波、孟庆辉，科学出版社。
网上提供考试大纲。
第一部分：半导体中的电子状态一、理解下列基本概念能级：原子中的电子只能在一些特定的分离能级上运动，这些特定能级称为原子的能级；能层（英语：Energy level）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。
它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。
电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。
能级简并化：共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。
这种运动称为电子的共有化运动。
注意：因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。
因此，共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠，例如2p、3s支壳层的交叠。
由于内外壳层交叠程度很不相同，所以只有最外层电子的共有化运动才显著。
能带（导带，价带，满带，空带）：晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
能带：原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量随之分裂为能带。
当N个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。
当N很大时，分裂能级可看作是准连续的，形成能带。
分裂的每一个能带都称为允带。
导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。
导带能量最低称为导带底，Ec；整个能带中只有部分能态被电子填充。
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（1-166）
Jp = Ip A = −qpµ p dϕ p dx （1-167） = −σ p (x ) dϕ p dx
（1-166）式和（1-167）式称为修正的欧姆定律，其中 σ p ( x ) = qpµ p σ n ( x ) = qnµ n 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 dϕ n dx = 0，ϕ p dx = 0 ）是电流为零的条件。处于热平衡的半 d 导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费 米能级。
利用电流密度表达式，式（1-211）式和（1-212）可以分别 写成
v ∂p 1 ∆p = − ∇ ⋅ jp + G − （1-213） ∂t q τp
v ∂n 1 ∆n = ∇ ⋅ jn + G − ∂t q τn
（1-214）
在一维情况下，
∂n ∂ 2n ∂n ∆n （1-219） ∂p ∂2 p ∂p ∆p = Dn 2 + µ n ε +G− = D p 2 − µ pε +G− （1-218） ∂t ∂x τn ∂x ∂t ∂x τp ∂x
和同样，对于型半导体，有
Na ψ = −VT ln ni
（1-152）
ε=
VT dN a N a dx
（1-153）
1.6非平衡载流子 非平衡载流子
在非平衡状态下可以定义 E 和 E 两个量以代替 E F ， 使得
Fn
Fp
E Fn − Ei n = ni exp KT
第一章半导体物理基础-孟庆巨第2部分
迁移率/[cm2(V S)1]
2000
迁移率在低杂质浓度下达 1000
到一最大值，这与晶格散射 500
所造成的限制相符合；
200
电 子 及 空 穴 的 迁 移 率 皆 随 着杂质浓度的增加而减少，
100 50 1014 20
1015
并于最后在高浓度下达到一 10000
个最小值；
5000
迁移率/[cm2(V S)1]
所以，阻率亦为
1
1
.
q(nn p p )
第一章
载流子漂移
一般来说，非本征半导体中，由于两种载流子浓度有好几 次方的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的。
如对n型半导体而言，可简化为（因为n>>p）
1 . qnn
而对p型半导体而言，可简化为（因为p>>n）
1 . qp p
平均自由程(mean free path)：
碰撞间平均的距离。
平 均 自 由 时 间 (mean free
time)τc： 碰撞间平均的时间。
1
E=0 2
6
5 4
平均自由程的典型值为10-5cm， 平均自由时间则约为1微微秒 (ps, 即10-5cm/vth≈10-12s）。
3 (a)随机热运动
第一章
随温度增加而增加，在高温下晶格散射自然变得显著，迁移率 也因此随着温度的增加而减少。理论分析显示晶格散射所造成 的迁移率µL将随T-3/2方式减少。
第一章 杂质散射：
载流子漂移
杂质散射是当一个带电载流子经过一个电离的杂质时所引 起的。
由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会偏移。杂质 散射的几率视电离杂质的总浓度而定。
课程名称半导体器件物理
3. BJT 被 划 分 为 均 匀 基 区 和 缓 变 基 区 两 类 。均 匀 基 区 晶 体 管 的 基 区 杂 质 浓 度 等 于 常 数 ，不 随 位 置 不 同 而 变 化 ，低 注 入 下 基 区 少 子 的 运 动 形 式 是 扩 散 。缓 变 基 区 晶 体 管 的 基 区 掺 杂 浓 度 是 随 位 置 变 化 的 ，低 注 入 下少子的运动既有扩散也有漂移，曾被称作漂移晶体管。
4. 双极晶体管有四种工作模式
正 向 有 源 模 式 （ VE >0， VC <0）； 反 向 有 源 模 式 （ VE <0， VC >0）； 饱 和 模 式 （ VE >0， VC >0）； 截 止 模 式 ：（ VE <0， VC <0）。
5. 基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的关键。如果基区较宽（远 大 于 电 子 扩 散 长 度 ）， 注 入 到 基 区 的 过 量 电 子 在 到 达 集 电 结 之 前 被 复 合殆尽，此时晶体管是两个背靠背的 PN 结，不可能有放大作用。 6.BJT 的电流分量：
10. 穿 透 电 流 ICE0 是 共 发 射 极 接 法 基 极 开 路 ，集 电 极 — 发 射 极 之 间 的
电流，也叫做漏电流。
11.在 共 发 射 极 电 路 中
IC = hFE IB + ICE0
（ 3-12）
由于 IB 与 VCE 无关，IC0 也与 VCE 无关，因此公式（3-12）中的 IC 的 斜率为零。
授课内容
半导体器件物理__1孟庆巨
CCD器件
1970
1980
分水岭：
1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管
1970年前发明
的器件全部实 现商业化
1984年 电荷注入晶体管 CHINT
1985年
共振隧穿热 电子晶体管 纳米电子 学器件
1980
1990
1980 年 后 出 现了大量的 异质结构器 件和量子效 应器件
MOS场效应晶体管 TFT及其制造技术
第一章绪论
什么是微电子技术 晶体管的发明和半导体器件的发展 集成电路的发展历史和现状
什么是微电子学？
电 子 学
微电子学
30m
100 m 头发丝粗细
50m
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理 学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设 计、测试与加工、图论、化学等多个学科。
微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成 度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发 展的方向。
微电子学以实现电路和系统的集成为目的， 故实用性极强。 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学 科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如 微机电系统(MEMS)、生物芯片等。
1939年Schottky 肖特基势垒
1949年Shockley pn结双极晶体管 （BJT）
1952年Schockley 结型场效应晶体 管JFET 第1个半导体场效 应器件 成 长 期
1950
1958年 1954年 Chapin, Fuller, Pearson，硅太阳 能电池，6％ Esaki
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 J. Bardeen, W. Schokley, W. Brattain 获得1956年
半导体器件物理复习指导纲要.doc
4•导出NPN缓变基区晶体管：
1）基区的缓变杂质分布引入的自建电场:
2）基区内电子分布（3-55）：
3）电流（3-56）：
4）基区输运因子（3-59）：
解:1•教材P112-113推导
2•学习指导
5.利用和Z间的关系证明：o
证明：
比较，有：
06.根据基区电荷控制方程导出：（3-98）。
解：详见学习指导
%1.《半导体器件物理学习指导》孟庆巨编 吉林大学国家精品课程 网站一半导体器件物理
四•学生作业
五…历年期末试题
六.历年吉林大学微电了学与固体电了学专业攻读硕士学位研究生入 学试题及复试试题
第二章PN结
一.基本概念与问题解释(37个)
PN结同质结异质结O同型结O异型结O高低结金属-半导体结 突变结线性缓变结单边突变结空间电荷区中性区耗尽区耗尽 近似势垒区少子扩散区扩散近似正向注入反向抽取正偏复合 电流反偏产牛电流隧道电流产纶隧道电流的条件隧道二极管的 主要特点过渡电容(耗尽层电容)扩散电容等效电路反向瞬变 电荷贮存贮存电荷隧道击穿雪崩击穿 临界电场雪崩倍增因子 雪崩击穿判据
※乞导出基区穿通电压
解：见学习指导
三重要图、表（8个）
1.画出图3.6并根据图3-6说明BJT的放大作用。
解:教材P98-99
2.画出BJT电流分量示意图3.7,写出各极电流及极电流之间关系公 式。（3T）~ （3-4）。
解：教材P100
3.解释图3.13中的电流增益随集电极电流的变化。
解答：1•学习指导
2.学生作业
2-19（补）解答:学生作业。
五更高能力考察问题（3个）
1.利用少子分布示意图2-22定性解释PN结反向瞬变现象。
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
16
PPT课件
三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （Qfc），金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
4 PPT课件
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
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1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
半导体器件及其发展
1939年 Schottky 肖特 基势垒
1949年 Shockley pn结
双极晶体管 （BJT）
1952年 Schockley结型 场效应晶体管 JFET
第1个半导体场效 应器件 成 长 期
1950
1954年
Chapin, Fuller, Pearson，硅太 阳能电池，6％
• 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法。
• 集成电路IC（Integrated Circuit） ： 一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产 业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成。
• 芯片：chip 没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作 为集成电路的又一个名称.
第一章绪论
➢什么是微电子技术 ➢晶体管的发明和半导体器件的发展 ➢集成电路的发展历史和现状
什么是微电子学？
电 子
微电子学
学
100 m 头发丝粗细
30m 50m
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
微电子：Microelectronics
微电子科学技术的战略地位
信息技术的领域
核心和基础： 微电子
信息显示
关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信
基础： 软件、 微（纳）电子与光电子
实现社会信息化的网络及其关键部件 不管是各种计算机和/或通讯机，它
们的基础都是微电子。
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
半导体器件物理
参考书： 《微电子学概论》 张兴/黄如/刘晓彦，北京大学出版社,2000.1。 《微电子概论》 郝跃/贾新章/吴玉广，高等教育出版社，2003.6 《半导体器件物理》 孟庆巨/刘海波/孟庆辉，科学出版社，2005。
课程介绍
半导体物理基础知识 pn结及金属半导体接触 集成电路制造工艺 MOS场效应晶体管 TFT及其制造技术
• Bardeen提出了表面态理论， Schokley给 出了实现放大器的基本设想，Brattain设计 了实验。
• 1947年12月23日，第一次观测到了具有放 大作用的晶体管－transistor。
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
J. Bardeen, W. Schokley, W. Brattain
半导体器件的发展历程
1874年F.Buran半导 体器件的第1项研究
金属－半导体接触
萌 芽 期
1870
量子力学的发展 以及半导体材料 制备技术的成熟
半导体的光电导、 光生伏特效应、 整流效应。
1907年
H.J.Round，发 光二极管LED
1947年晶体管
1956年诺贝尔 奖
1930 1940
1950
获得1956年 Nobel物理奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
NPN Ge 晶体管 成为现代电子
工业的基础
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上
1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器
晶体管的发明
第一只晶体管什么时候发明的?
A. 1945 B. 1947 C. 1951 D. 1958
哪家公司发明的？
A. IBM B. Bell Lab C. TI D. Motorola
晶体管的发明
• 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研 究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H.Brattain。
微电子技术——微型电子技术
核心——集成电路
微电子学是研究在固体材料上构成微小型化电子线路、 子系统及系统的电子学分支学科。是电子学最重要的组 成部分，是计算机科学、信息科学、固态电子学、医用 电子学等的发展基础。－《固体物理学大词典》
微电子的特点
微电子学是信息领域的重要基础学科 微电子学是电子学的一门分支学科 微电子学是一门综合性很强的边缘学科
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相 关的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
▪ M-S 结构 ▪ PN结 ▪ MOS结构 ▪ 异质结 ▪ 量子阱
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
– 目前，全世界计算机不包括微机在内有几 百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机 完成的工作量过4000亿人年工作量。
集成电路的作用
小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低
几个概念
• 微电子学： Microelectronics 一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封 装等全过程的学科。
1946年2月14日
Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
– 1946年第一台计算机：ENIAC
– 这样的计算机能够进入办公室、车间、连 队和家庭？当时有的科学家认为全世界只 要4台ENIAC。
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、 材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、 测试与加工、图论、化学等多个学科。
微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成 度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发 展的方向。
微电子学以实现电路和系统的集成为目的， 故实用性极强。
微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学 科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如 微机电系统(MEMS)、生物芯片等。