修订1半导体物理学绪论
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绪论-半导体器件可靠性物理
•金铝合金 •管腿腐蚀
•电迁移
•管腿损伤
•铝腐蚀
•漏气
•铝划伤
•外来物引起漏短路
•铝缺口
•绝缘珠裂缝
•台阶断铝 •标志不清
•过电应力烧毁
• 键合缺陷引起的失效：键合颈部损伤、键合强度不够、键合面沾污金－铝合金、
键合位置不当、键合丝损伤、键合丝长尾、键合应力过大损伤硅片。
• 表面劣化机理：钠离子沾污引起沟道漏电、辐照损伤，表面击穿、表面复合引
课程的重点
绪论
是什么？ 干什么？ 为什么学？ 学什么？
绪论
半导体可靠性物理学
产生过程
产生背景
其产生与其他边缘性学科(例如，环境工程学，系统工程学， 生物工程学)一样，是科学技术发展的必然。随着电子系统的
发展，其复杂性和可靠性成了尖锐的矛盾，系统越复杂，所用 元器件越多，失效的概率就越大，即可靠性越不易保证。
绪论
主要的失效机理
指器件失效的实质原因。即引起器件失效的物理或化学过程。
设计问题引 起的缺陷
体内退化 机理
氧化层 缺陷
金属化系 统退化
封装退化 机理
•版图 •工艺方案 •电路和结构
•二次击穿 •CMOS闩锁效应 •中子辐射损伤 •重金属沾污 •材料缺陷
•针孔 •厚度不均匀 •接触孔钻蚀 •介质击穿等
两个概念
研究领域和任务
强调两个概念：器件的失效和退化
在目前许多的文献中，二者是等效的。但严格地讲，二者有区别。
共同之处：器件特性偏离了正常指标
不同之处：失效－更强调出现不正确的器件、电路 功能
本课程中，二者可互相替换。
绪论
半导体可靠性物理学
研究领域、研究任务
半导体物理_01基础知识概论
3、晶体中电子的状态——布洛赫定理与波函数的形式
波函数的形式——布洛赫定理证明：
定义平移算符Tˆ
r am
:
Tˆ
r am
f
xr
f
xr
mar
特点：Tˆ arm Tˆ arn Tˆ arn Tˆ arm 互易性
可以证明：Tˆ
r am
Hˆ
xr
HˆTˆ
r am
xr
Hˆ
xr
mar
因此，若 xr 是 Hˆ 的本征函数，则经过平移后的 xr mar
− N个Si原子组成晶体，形成的两个能带不与s、p能级相对
应，它们都包含2N个状态，各可容纳4N个电子：下面一个 能带填满4N个价电子，通常称为满带(价带)；上面一个能带 是空的，称为空带(导带)；二者之间是不允许电子状态存在 的禁区——禁带。
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)1
1、数学物理模型和近似
0
a
k
a
布里渊区按照E(k)的不连续点进行划分，对于一维晶体：
第一布里渊区 第二布里渊区
k
a
a
2 k ,
a
a
k 2
a
a
禁带在布里渊区边界，允带 在布里渊区之内
以此类推，有第三、第四布里渊区
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)11
3、晶体中电子的状态——布里渊区与能带 − E~ k关系的不连续点对应禁带，在布里渊区边界；
uk x na uk x
以上就是布洛赫定理
自由电子波函数
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)7
3、晶体中电子的状态——晶体中的电子与自由电子的比较 ➢ 波函数形式相似
半导体物理 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
半导体器件和集成电路采用 的半导体材料都是接近完美的单 晶材料，
制备完美单晶半导体的研究， 当然是材料学家或者结晶学家的 职责，不过，一些基本概念我们 也应该知道。
Semiconductor Physics
Chapter 1
人们在生产和生活实践中早就 发现自然界中许多固体具有高度对 称的、规则的外形。当时，把这类 外形规则的固体称为晶体。 进—步，发现晶体的许多物理 性质都与它们外形的规则性有关， 如总沿—定方位的解理面劈裂等， 使人们联想到晶体外形的规则性可 能是它们内部结构规则性的反映。
Chapter 1
归纳起来 内部原子 ( 离子或分子 ) 排列 具有规则性和周期性是晶体的主耍 特征。 整块材料中内部原子都是有规 则、周期地重复排列起来的晶体称 为单晶体。 多晶体由大量微小 (线度在 0.01 毫米以下 )的晶粒所组成，
Semiconductor Physics
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
NaCl 晶体的单胞通常选择图示立方
体
Na+ Cl -
c
b
a Semiconductor Physics
Chapter 1
现在计算该单胞中合有多少 个布拉伐格点。 立方体共有六个面。整体看， 每个面心格点被两个立方体平分， 因而平均说来，它对一个立方体 的贡献是 1／2。 立方体在八个顶角有八个格 点，而每个顶角格点又被八个立 方体所平分，每个顶角格点对方 方体的贡献是1／8。
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
Chapter 1
半导体器件和集成电路采用 的半导体材料都是接近完美的单 晶材料，
制备完美单晶半导体的研究， 当然是材料学家或者结晶学家的 职责，不过，一些基本概念我们 也应该知道。
Semiconductor Physics
Chapter 1
人们在生产和生活实践中早就 发现自然界中许多固体具有高度对 称的、规则的外形。当时，把这类 外形规则的固体称为晶体。 进—步，发现晶体的许多物理 性质都与它们外形的规则性有关， 如总沿—定方位的解理面劈裂等， 使人们联想到晶体外形的规则性可 能是它们内部结构规则性的反映。
Chapter 1
归纳起来 内部原子 ( 离子或分子 ) 排列 具有规则性和周期性是晶体的主耍 特征。 整块材料中内部原子都是有规 则、周期地重复排列起来的晶体称 为单晶体。 多晶体由大量微小 (线度在 0.01 毫米以下 )的晶粒所组成，
Semiconductor Physics
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
NaCl 晶体的单胞通常选择图示立方
体
Na+ Cl -
c
b
a Semiconductor Physics
Chapter 1
现在计算该单胞中合有多少 个布拉伐格点。 立方体共有六个面。整体看， 每个面心格点被两个立方体平分， 因而平均说来，它对一个立方体 的贡献是 1／2。 立方体在八个顶角有八个格 点，而每个顶角格点又被八个立 方体所平分，每个顶角格点对方 方体的贡献是1／8。
Chapter 1
Semiconductor Physics
Chapter 1
半导体物理(第一章)概要
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场中 运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不过这 个波的振幅uk(x)随x作周期性的变化，且变化周期 与晶格周期相同。——被调幅的平面波
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相同；而 晶体中各点找到电子的几率具有周期性的变化规 律。——电子不再完全局限在某个原子上，而是进 行共有化运动。外层电子共有化运动强，称为准自 由电子。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
下面的能带填满了电子，它们相应于共价键上的电 子，这个带通常称为满带（或价带）；上面一个能 带是空的没有电子（或含少量电子）称为导带。 注意：通常能带图的画法。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒈电子的运动状态 （1）孤立原子中的电子是在其原子核和其它电子的势场
⒋在考虑能带结构时，只需考虑简约布里渊区，在该 区域，能量是波矢的多值函数，必须用En(k)标明是 第几个能带。
⒌ 对于有边界的晶体，需考虑边界条件，根据周期性 边界条件，波矢只能取分立的数值，每一个能带中的 能级数（简约波矢数）与固体物理学原胞数N相等。 每一个能级可容纳2个电子。
⒍能量越高的能带，其能级间距越大。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
共有化状态数---每一个能带包含的能级数。与 孤立原子的简并度有关。 s能级分裂为N个能级（N个共有化状态）； p能级本身是三度简并，分裂为3N 能级（3N 个共有化状态）。 但并不是所有的能带都一一对应着原子中的电 子轨道，我们来观察一下金刚石型结构的价电 子能带示意图。
半导体物理-绪论
高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取 得了突破性成就，获得物理学奖一半的奖金，共500万瑞 典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体 成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享 另一半奖金。
英国曼彻斯特大学物 理学家 安德烈·980－2000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为
21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体 工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集 成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是 以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 德国科学家彼得·格林贝格尔
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时 较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应 开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制 成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在 是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨 烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜 线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定 了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。
《科学》：2009年十大科学突破 石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜
英国曼彻斯特大学物 理学家 安德烈·980－2000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止
太阳能电池、LED， 半导体制冷、IC设
计
从上图中可以得知： 电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为
21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体 工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集 成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是 以半导体物理、半导体器件、微电子工艺的发展为基础的。
半导体物理-绪论
课程介绍
联想？？？
定 位
半导体物理
近年诺贝尔物理学奖
法国科学家阿尔贝·费尔 （2007年） 德国科学家彼得·格林贝格尔
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时 较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应 开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯 （2009年）
“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。2004年制 成的石墨烯已迅速成为物理学和材料学的热门话题，现在 是世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。在改良后，石墨 烯致力于塑造低功率电子元件，如晶体管。相比之下，铜 线和半导体都会产生电脑芯片75%的能量消耗，人们确定 了石墨烯拥有取代硅留名史册的本事。
《科学》：2009年十大科学突破 石墨烯微观结构：六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜
半导体物理学(第一章)
22
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
波函数对动量的周期性
Ψ k ( x) = uk ( x)eikx
uk ( x + na ) = uk ( x)
能量是k的周期函数，准连续的有理数k构成周期性变 化的k空间晶格结构，其晶格参数为：
2π b= a
23
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
12
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。 、单胞是基本的、不唯一的单元。 （ ） 2、按半导体结构来分，应用最为广泛的 、按半导体结构来分， 是（ ）。 3、写出三种立方单胞的名称，并分别计 、写出三种立方单胞的名称， 算单胞中所含的原子数。 算单胞中所含的原子数。 4、计算金刚石型单胞中的原子数。 、计算金刚石型单胞中的原子数。
2
E0
2 2 1 d 2E h k E ( k ) − E ( 0) = 2 k 2 = * 2 dk k =0 2 mn
31
p = * 2 mn
有效质量
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
电子的平均速度
在周期性势场内，电子的平均速度 可表示为波 在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波 包的群速度
h ∆y∆p y ≥ 2
r r p = hk
不确定关系：
h ∆z∆pz ≥ 2 h ∆t ∆E ≥ 2
波粒二象性：
5
E = hω = hν
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
经典描述：
x，y，z，t
适于描述晶体中原子核的运动
定态描述：
01.第一章 半导体物理基础2
1 3 2 mn vth = kT 2 2
其中mn为电子的有效质量，而vth为平均热运动速度。 在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中 约为107cm/s。
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如图所示. 单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发 的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的 净位移为零。 平均自由程(mean free path)： 平均自由程
连续性方程式
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
迁移率（ 迁移率（mobility） ）
迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物 理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中 的一个非常重要的基本概念。
迁移率定义为：
qτ c µ= m
单位： cm2/(V·s)
1 RH = − . qn
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
例 3：一 硅晶 样品掺入每 立方厘米 1016 个磷 原子， 若样品的 W=500µm，A=2.5×10-3cm2 ，I=1mA，Bz=10-4Wb/cm2 ，求其霍 耳电压。 解： 根据有关公式得到霍耳系数
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
电导率(conductivity)与电阻率 与电阻率(resistivity)： 电导率 与电阻率 ： 电导率与电阻率互为倒数，均是描述半导体导电性能的基 本物理量。电导率越大，导电性能越好。 半导体的电导率由以下公式计算：
σ = q(nµn + pµp )
载流子漂移
半导体物理学基本理论
• 注意：
• 实际晶体的能带及电 子的分布不一定与孤 立原子的能级对应
金刚石型结构价电子的能带
•量子力学认为共价键电子对应的能级 •可分为成键能级和反成键能级
• 空带 ，即导带
反成键能级分裂为
成键能级分裂为 满带，即价带
2 、半导体中电子的状态和能带
（由运动的相似性推导电子在周期性势场中运动的薛定谔方程）
• 得出自由电子的速度、能量与波矢的关系： 由此得出结论：波矢可描述自由电子的运动状态
自由电子能量与波矢k 的关系:
• 薛定諤方程的解可以得出自 由电子在空间作自由运动时， 能量与波矢 的关系。
• 对于自由电子来说，波矢k 从0到∞都是允许的状态。
•彷照用薛定諤方程来描述自由电子的运动 •状态的方法来解决晶体中电子状态的问题。
• （1）自由电子的运动：
P m0v
E 1 P2 2 m0
• 德布罗意认为自由电子也具有波动 性，其运动可用平面波来描述：
(r,t)Ai2e (k rv)t
其中： k k 1
自由电子能量、动量与平面波频率 和波矢之间的关系：
Eh
Phk
为简单计，考虑一维情况： – 自由电子的波函数
• 因其在ox方向遵守薛定諤方程
E（k）- k的对应意义：
（1）一个k值与一个能级（又称能量状态）相对应； （2）每个布里渊区有N（N：晶体的固体物理学原胞数）个k状态， 故每个能带中有N个能级； （3）每个能级最多可容纳自旋相反的两个电子，故 每个能带中最多 可容纳2N个电子。 因此波矢具有量子数的作用，它描述晶体中电子共有化运动的量子状 态。
构成材料：Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
化学键: 共价键+离子键
• 实际晶体的能带及电 子的分布不一定与孤 立原子的能级对应
金刚石型结构价电子的能带
•量子力学认为共价键电子对应的能级 •可分为成键能级和反成键能级
• 空带 ，即导带
反成键能级分裂为
成键能级分裂为 满带，即价带
2 、半导体中电子的状态和能带
（由运动的相似性推导电子在周期性势场中运动的薛定谔方程）
• 得出自由电子的速度、能量与波矢的关系： 由此得出结论：波矢可描述自由电子的运动状态
自由电子能量与波矢k 的关系:
• 薛定諤方程的解可以得出自 由电子在空间作自由运动时， 能量与波矢 的关系。
• 对于自由电子来说，波矢k 从0到∞都是允许的状态。
•彷照用薛定諤方程来描述自由电子的运动 •状态的方法来解决晶体中电子状态的问题。
• （1）自由电子的运动：
P m0v
E 1 P2 2 m0
• 德布罗意认为自由电子也具有波动 性，其运动可用平面波来描述：
(r,t)Ai2e (k rv)t
其中： k k 1
自由电子能量、动量与平面波频率 和波矢之间的关系：
Eh
Phk
为简单计，考虑一维情况： – 自由电子的波函数
• 因其在ox方向遵守薛定諤方程
E（k）- k的对应意义：
（1）一个k值与一个能级（又称能量状态）相对应； （2）每个布里渊区有N（N：晶体的固体物理学原胞数）个k状态， 故每个能带中有N个能级； （3）每个能级最多可容纳自旋相反的两个电子，故 每个能带中最多 可容纳2N个电子。 因此波矢具有量子数的作用，它描述晶体中电子共有化运动的量子状 态。
构成材料：Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
化学键: 共价键+离子键
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超大规模IC
半导体器件
计算机的发展史
半导体器件
半导体器件
计算机经历：电子管 → 晶体管 → 集成电路时代
钨、钼电极 半导体器件
锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜
电子管 电极材料：钨、 钼
由大量电子管组成 的第一台计算机重 30吨，用电相当于1 个小城市
三级电子管 图的大小与实物相当
1947年12月23日，巴丁和布拉顿把两根触丝放在 锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放 大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体管也 随之诞生了。
布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导 体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对 电流、电压都有放大作用。
43 半导体器件
在1948年 6月30日，贝尔实验室首次在纽约 向公众展示了晶体管。这个伟大的发明使许多 专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值，人 们大都表示怀疑。当年7月1日的《纽约时报》 只以8个句子、201个文字的短讯形式报道了本 该震惊世界的这条新闻。在公众的心目中，晶 体管不过是实验室的珍品而已。估计只能做助 听器之类的小东西。
半导体器件
半导体器件
1-负电阻温度系数
1834年,法拉第发现硫化银电阻能随着温度 的上升而下降----负的温度系数----区分半导 体和金属及一些不良导体----不充分----金属 薄膜同性质。
半导体器件
2-光电导效应
1873年，W.Smith在实验电路中发现Se的 光电导效应--光照而电阻减小的现象
半导体物理学
Semiconductor Physics
半导体器件
绪言
半导体器件
晶体结构
基础
能带结构
主体 应用
载流子 pn结 M/S导体接触 MIS结构
课程任务
阐述半导体物理的基础理论和半导体的主 要性质，为专业课程和科学研究奠定基础, 拓宽知识领域。
课程学时
32；课堂讲授（PPT）+板书；自学
半导体器件
Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
半导体器件
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40 行时间：7min
现代计算机的 发展历史
晶体管的发明
41 半导体器件
威廉·肖克利1910,伦敦。美国麻省
理工学院学习量子物理，1936年博士学 位，进入贝尔实验室工作。
半导体器件
16K内存器
由大量电子管组成的16K 内存器。图中的女士要 用显微镜才能看到现在 的集成电路16K内存器
半导体器件
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
半导体器件
1985年度诺贝尔物理学奖
1980年冯.克利青(Klausvon Klitzing)发现 了量子霍尔效应这一低维物理现象。半导 体物理的发展经历了从简单到复杂、从三 维到低维、从有序到无序的过程,已发展成 为一个庞大的理论体系,并具有多个分支学 科,象半导体表面物理、半导体超晶格物理 、非晶态半导体物理等,现在仍处在科学研 究的前沿地位。
肖克利当即决定暂时放弃原来追求的 场效应晶体管，集中精力实现一种新型 晶体管 .
46 半导体器件
1948年11月，肖克利构思出一种新型晶体管 -“三明治”结构--N型半导体在两层P型半导体 之间。这是一个多么富有想象力的设计啊！可 惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实 验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制 造出第一个PN结型晶体管。
4-Hall效应
1879年，E.H.Hall（美国）发现当电流垂 直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于 磁场和电流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。
用于区分半导体和导电差的物质
半导体器件
霍尔效应此后在测量、自动化、计算机和 信息技术等领域得到了广泛的应用，比如 测量磁场的高斯计。
半导体器件
6-光电池效应
光生伏特现象
半导体器件
1909年K.Baedeker,1914年 J.Konigsberger对深入研究霍尔效应发现 半导体中载流子的数目比金属中少的多,但 一般来说它们的迁移率要稍高一些。
1930年左右,技术的应用要求激发对半导体 研究的更大兴趣。C.wagner（德国瓦格纳 ）发现了两种不同类型的半导体,即电子“ 欠缺”半导体和“过剩”半导体；化学组 分小的偏离将影响到化合物半导体的性质 。
半导体器件
原子内壳层一般都填满,电子能最很高的能 级是空的.类似于原子.品体的能里较低的能 带被电子填满.较高的能带则可能是空的、 半满的或全满的.布洛赫曾指出在外电场的 作用下,导体中的电子可以无阻碍的在完整 的品体中运动:有的不导电的物体.当电子从 电场中接受能最,既被激发到更高的空带中. 也可能产生导电。
半导体器件
半导体器件
经典理论—能带
M.斯特拉特1927年-波动力学应用到固体中 理论的核心是:“价电子互相独立,就可以对价电子
在固体内的行为得到一个合理的模型, 在平均效应 上, 必须考虑电子间的相互作用 对于晶体来说原子间将会有相互作用,分立的原子 能级扩展为属于整个晶体的能带。由此可引进充 满整个晶体的电子波,这个电子波不是在真空中运 动,而是受到原子场的干扰。
用量子力学讨论了电子在这种势场中的运 动。 V(x)=V(x+na)
半导体器件
依据薛定谔方程，
波函数是振幅随x做周期变化的平面波，其 变化周期也与晶格的相同；电子在整个晶 体中做共有化运动。
半导体器件
布里渊(Brillouin)提出布里渊区的概念,后 来他和布洛赫合作用E(k)-k的曲线图说明电 子在周期势场中运动的特征,这使得人们对 能带结构一目了然,有一个完整的认识。
约翰·巴丁1908年美国，1928年和1929年 在威斯康星大学获得两个学位。又转入普林 斯顿大学攻读固体物理，1936年博士学位。 1945年来到贝尔实验室工作。
沃尔特·布拉顿1902，厦门。1929年明尼 苏达大学博士学位，进入贝尔研究所从事真 空管研究工作。
42 半导体器件
1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克 莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、 巴丁等人。
半导体器件
德鲁德（1863-1906) 洛伦兹H.A.Lorentz, 1853-1928) 索末菲1928年将量子力学应用到固体中解
释电子运动
半导体器件
经典理论—能带
布洛赫(F.BIueh)：凝聚态物理学、原子物 理学、分子物理学和量子电动力学。
假设原子实位于晶体的格点上,电子仍是在 独立的运动着。电子运动受到势场作用--具 有与晶格相同的周期势场。
44 半导体器件
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
半导体器件
获得1956年Nobel 物理奖
45
缺点：点接触晶体管--触须接点，很不 稳定，噪声大，频率低，放大功率小， 性能还赶不上电子管，制作又很困难。
晶体管同电子管产生于完全不同的 物理现象，这就暗示晶体管效应有其独 特之处。
半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第六/七版)，刘恩科等编著， 电子工业出版社
参考:
《 半导体物理学》上册 叶良修编； 《半导体物理学》 顾祖毅编； 《Physics of Semiconductor Devices》 施敏.
半导体器件
授课重点 1、强调概念理解 2、注重基本理论 3、紧密联系实际
半导体、绝缘体 电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负 的电阻温度系数→半导体
半导体器件
半导体器件
百年历史
1904
diode
Si
1947
1952 Dummer 1958 Kilby
transistor IC技术 Ge集成
1954----体积大？？
第一个产品
MOS器件发明，大规模IC产业化
半导体器件
德国Rudolf Peierls1929年，指出一个几 乎完全填满的能带，其电特性可以用一些 带正电的电荷来解释--电洞；并提出的微扰 理论，解释了能隙(Energy gap)存在。
1931年英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson) 建立了他的半导体理论--正常状态的电子将 处于能量最小的状态；遵循泡利不相容原 理.
1954年，成就了“本世纪最伟大发明”的晶体 管之父肖克利，离开贝尔实验室返回故乡寻求 发展----硅谷。
50 半导体器件
集成电路的发明
在硅谷嘹望山， 肖克利宣布成立半导体实验室。
1956年， 以罗伯特·诺依斯 （N.Noyce）为首的8位年轻的科学家 从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。 他们的年龄都在30岁以下，学有所成， 有获得双博士学位者，有来自大公司 的工程师，有著名大学的研究员和教 授，都处在创造能力的巅峰。
50’s PN结、M/S接触理论成熟
半导体器件
半导体器件
1958年,安德森(P.W.Anderson)提 出了局域态理论,开创了无序系统 研究的新局面,为非晶态半导体物 理的研究莫定了基础。
1970年,江崎(LeoEsaki)等提出可 以通过人工调制能带的方法制备半 导体超晶格,使人们得以对人工调 制的周期性结构独特的物理特性和 二维电子气进行研究姆逊研究认为阴 极射线是由带负电荷的粒子组成的。
带负电的粒子究竟是原子、分子，还是更 小的物质微粒？-测量阴极射线粒子的电荷 与质量的比值-荷质比
半导体器件
计算机的发展史
半导体器件
半导体器件
计算机经历：电子管 → 晶体管 → 集成电路时代
钨、钼电极 半导体器件
锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、SiO2、铬薄膜
电子管 电极材料：钨、 钼
由大量电子管组成 的第一台计算机重 30吨，用电相当于1 个小城市
三级电子管 图的大小与实物相当
1947年12月23日，巴丁和布拉顿把两根触丝放在 锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放 大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体管也 随之诞生了。
布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导 体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对 电流、电压都有放大作用。
43 半导体器件
在1948年 6月30日，贝尔实验室首次在纽约 向公众展示了晶体管。这个伟大的发明使许多 专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值，人 们大都表示怀疑。当年7月1日的《纽约时报》 只以8个句子、201个文字的短讯形式报道了本 该震惊世界的这条新闻。在公众的心目中，晶 体管不过是实验室的珍品而已。估计只能做助 听器之类的小东西。
半导体器件
半导体器件
1-负电阻温度系数
1834年,法拉第发现硫化银电阻能随着温度 的上升而下降----负的温度系数----区分半导 体和金属及一些不良导体----不充分----金属 薄膜同性质。
半导体器件
2-光电导效应
1873年，W.Smith在实验电路中发现Se的 光电导效应--光照而电阻减小的现象
半导体物理学
Semiconductor Physics
半导体器件
绪言
半导体器件
晶体结构
基础
能带结构
主体 应用
载流子 pn结 M/S导体接触 MIS结构
课程任务
阐述半导体物理的基础理论和半导体的主 要性质，为专业课程和科学研究奠定基础, 拓宽知识领域。
课程学时
32；课堂讲授（PPT）+板书；自学
半导体器件
Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
半导体器件
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40 行时间：7min
现代计算机的 发展历史
晶体管的发明
41 半导体器件
威廉·肖克利1910,伦敦。美国麻省
理工学院学习量子物理，1936年博士学 位，进入贝尔实验室工作。
半导体器件
16K内存器
由大量电子管组成的16K 内存器。图中的女士要 用显微镜才能看到现在 的集成电路16K内存器
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第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
半导体器件
1985年度诺贝尔物理学奖
1980年冯.克利青(Klausvon Klitzing)发现 了量子霍尔效应这一低维物理现象。半导 体物理的发展经历了从简单到复杂、从三 维到低维、从有序到无序的过程,已发展成 为一个庞大的理论体系,并具有多个分支学 科,象半导体表面物理、半导体超晶格物理 、非晶态半导体物理等,现在仍处在科学研 究的前沿地位。
肖克利当即决定暂时放弃原来追求的 场效应晶体管，集中精力实现一种新型 晶体管 .
46 半导体器件
1948年11月，肖克利构思出一种新型晶体管 -“三明治”结构--N型半导体在两层P型半导体 之间。这是一个多么富有想象力的设计啊！可 惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实 验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制 造出第一个PN结型晶体管。
4-Hall效应
1879年，E.H.Hall（美国）发现当电流垂 直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于 磁场和电流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。
用于区分半导体和导电差的物质
半导体器件
霍尔效应此后在测量、自动化、计算机和 信息技术等领域得到了广泛的应用，比如 测量磁场的高斯计。
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6-光电池效应
光生伏特现象
半导体器件
1909年K.Baedeker,1914年 J.Konigsberger对深入研究霍尔效应发现 半导体中载流子的数目比金属中少的多,但 一般来说它们的迁移率要稍高一些。
1930年左右,技术的应用要求激发对半导体 研究的更大兴趣。C.wagner（德国瓦格纳 ）发现了两种不同类型的半导体,即电子“ 欠缺”半导体和“过剩”半导体；化学组 分小的偏离将影响到化合物半导体的性质 。
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原子内壳层一般都填满,电子能最很高的能 级是空的.类似于原子.品体的能里较低的能 带被电子填满.较高的能带则可能是空的、 半满的或全满的.布洛赫曾指出在外电场的 作用下,导体中的电子可以无阻碍的在完整 的品体中运动:有的不导电的物体.当电子从 电场中接受能最,既被激发到更高的空带中. 也可能产生导电。
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半导体器件
经典理论—能带
M.斯特拉特1927年-波动力学应用到固体中 理论的核心是:“价电子互相独立,就可以对价电子
在固体内的行为得到一个合理的模型, 在平均效应 上, 必须考虑电子间的相互作用 对于晶体来说原子间将会有相互作用,分立的原子 能级扩展为属于整个晶体的能带。由此可引进充 满整个晶体的电子波,这个电子波不是在真空中运 动,而是受到原子场的干扰。
用量子力学讨论了电子在这种势场中的运 动。 V(x)=V(x+na)
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依据薛定谔方程，
波函数是振幅随x做周期变化的平面波，其 变化周期也与晶格的相同；电子在整个晶 体中做共有化运动。
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布里渊(Brillouin)提出布里渊区的概念,后 来他和布洛赫合作用E(k)-k的曲线图说明电 子在周期势场中运动的特征,这使得人们对 能带结构一目了然,有一个完整的认识。
约翰·巴丁1908年美国，1928年和1929年 在威斯康星大学获得两个学位。又转入普林 斯顿大学攻读固体物理，1936年博士学位。 1945年来到贝尔实验室工作。
沃尔特·布拉顿1902，厦门。1929年明尼 苏达大学博士学位，进入贝尔研究所从事真 空管研究工作。
42 半导体器件
1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克 莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、 巴丁等人。
半导体器件
德鲁德（1863-1906) 洛伦兹H.A.Lorentz, 1853-1928) 索末菲1928年将量子力学应用到固体中解
释电子运动
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经典理论—能带
布洛赫(F.BIueh)：凝聚态物理学、原子物 理学、分子物理学和量子电动力学。
假设原子实位于晶体的格点上,电子仍是在 独立的运动着。电子运动受到势场作用--具 有与晶格相同的周期势场。
44 半导体器件
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
半导体器件
获得1956年Nobel 物理奖
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缺点：点接触晶体管--触须接点，很不 稳定，噪声大，频率低，放大功率小， 性能还赶不上电子管，制作又很困难。
晶体管同电子管产生于完全不同的 物理现象，这就暗示晶体管效应有其独 特之处。
半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第六/七版)，刘恩科等编著， 电子工业出版社
参考:
《 半导体物理学》上册 叶良修编； 《半导体物理学》 顾祖毅编； 《Physics of Semiconductor Devices》 施敏.
半导体器件
授课重点 1、强调概念理解 2、注重基本理论 3、紧密联系实际
半导体、绝缘体 电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负 的电阻温度系数→半导体
半导体器件
半导体器件
百年历史
1904
diode
Si
1947
1952 Dummer 1958 Kilby
transistor IC技术 Ge集成
1954----体积大？？
第一个产品
MOS器件发明，大规模IC产业化
半导体器件
德国Rudolf Peierls1929年，指出一个几 乎完全填满的能带，其电特性可以用一些 带正电的电荷来解释--电洞；并提出的微扰 理论，解释了能隙(Energy gap)存在。
1931年英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson) 建立了他的半导体理论--正常状态的电子将 处于能量最小的状态；遵循泡利不相容原 理.
1954年，成就了“本世纪最伟大发明”的晶体 管之父肖克利，离开贝尔实验室返回故乡寻求 发展----硅谷。
50 半导体器件
集成电路的发明
在硅谷嘹望山， 肖克利宣布成立半导体实验室。
1956年， 以罗伯特·诺依斯 （N.Noyce）为首的8位年轻的科学家 从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。 他们的年龄都在30岁以下，学有所成， 有获得双博士学位者，有来自大公司 的工程师，有著名大学的研究员和教 授，都处在创造能力的巅峰。
50’s PN结、M/S接触理论成熟
半导体器件
半导体器件
1958年,安德森(P.W.Anderson)提 出了局域态理论,开创了无序系统 研究的新局面,为非晶态半导体物 理的研究莫定了基础。
1970年,江崎(LeoEsaki)等提出可 以通过人工调制能带的方法制备半 导体超晶格,使人们得以对人工调 制的周期性结构独特的物理特性和 二维电子气进行研究姆逊研究认为阴 极射线是由带负电荷的粒子组成的。
带负电的粒子究竟是原子、分子，还是更 小的物质微粒？-测量阴极射线粒子的电荷 与质量的比值-荷质比