半导体物理与器件第一章1..
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理与器件课后练习题含答案
半导体物理与器件课后练习题含答案1. 简答题1.1 什么是p型半导体？答案： p型半导体是指通过加入掺杂物（如硼、铝等）使得原本的n型半导体中含有空穴，从而形成的半导体材料。
具有p型性质的半导体材料被称为p型半导体。
1.2 什么是n型半导体？答案： n型半导体是指通过加入掺杂物（如磷、锑等）使得原本的p型半导体中含有更多的自由电子，从而形成的半导体材料。
具有n型性质的半导体材料被称为n型半导体。
1.3 什么是pn结？答案： pn结是指将p型半导体和n型半导体直接接触形成的结构。
在pn结的界面处，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子会相互扩散，形成空间电荷区，从而形成一定的电场。
当外加正向电压时，电子和空穴在空间电荷区中相遇，从而发生复合并产生少量电流；而当外加反向电压时，电场反向，空间电荷区扩大，从而形成一个高电阻的结，电流几乎无法通过。
2. 计算题2.1 若硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，电子迁移率为1350 cm²/Vs，电离能为1.12 eV，则硅片的载流子浓度为多少？解题过程：根据硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，可以判断硅片的类型为n型半导体。
因此易知载流子为自由电子。
根据电离能为1.12 eV，可以推算出自由电子的有效密度为：n = N * exp(-Eg / (2kT)) = 6.23e9/cm³其中，N为硅的密度，k为玻尔兹曼常数（1.38e-23 J/K），T为温度（假定为室温300K），Eg为硅的带隙（1.12 eV）。
因此，载流子浓度为1e16 + 6.23e9 ≈ 1e16 /cm³。
2.2 假设有一n+/p结的二极管，其中n+区的掺杂浓度为1e19/cm³，p区的掺杂浓度为1e16/cm³，假设该二极管在正向电压下的漏电流为1nA，求该二极管的有效面积。
解题过程：由于该二极管的正向电压下漏电流为1nA，因此可以利用肖特基方程计算出它的开启电压：I = I0 * (exp(qV / (nkT)) - 1)其中，I0为饱和漏电流（假定为0），q为电子电荷量，V为电压，n为调制系数（一般为1），k为玻尔兹曼常数，T为温度。
半导体物理课后习题
半导体物理学课后习题第一章 半导体的电子状态1. [能带结构计算]设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量)(k E c 和价带极大值附近能量)(k E v 分别为()()02120223m k k m k k E c -+= ()022021236m k m k k E v -= 式中，0m 为电子惯性质量，a k /1π=，nm a 314.0=。
试求： ① 禁带宽度；② 导带底电子有效质量； ③ 价带顶电子有效质量；④ 价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。
解：①先找极值点位置()023201202=-+=m k k m k dk dE c 得出，当143k k =时，0212(min)4m k E c =同理由0=dk dE v 得当0=k 时，0212(max)6m k E v = 所以禁带宽度0212(max)(min)12m k E E E v c g =-==0.636eV ②830222*m dk E d m c nc== ③60222*m dk E d m v nv-==④由①可知，准动量的变化为)(109.7834301291--⋅⋅⨯-=-=⨯-⨯=∆=-=∆s m kg ahk k P P P c v2. [能带动力学相关]晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试分别计算电子能带底运动到能带顶所需要的时间。
解：设晶格常数为a ，则电子从能带底到能带顶过程中准动量的变化为ak π=∆，因为dt dk qE f==，所以qEdt dk =所以所需要的时间为：E =∙∆=∆=∆qa qE k dtdk k t π，当m V /102=E 时，s t 81028.8-⨯=∆ 当m V /107=E 时，s t 131028.8-⨯=∆第二章 半导体中杂质和缺陷能级1. [半导体、杂质概念]实际半导体与理想半导体的主要区别是什么？ 解：杂质和缺陷的存在是实际半导体和理想半导体的主要区别。
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件
电 子的浓度是一定的，反向电流在一定
的电压范围内不随外界电压的变化而
子 变化，这时的电流称为反向饱和电流，第
技 以IR(sat) 表示。
一
术 章
基
础
电
少数载流子的浓度很小，由
子 此而引起的反向饱和电流也很小， 技 但温度的影响很大。表1.2.1是硅 第
管的反向电流随温度的变化情况 一
术 章
基
础
三、PN结的伏安特性
一
术 温度每升高8℃，硅的载流子浓度增加一倍。
章
基
+4
+4
+4
+4
+4
+4 自
由
础
+4
+4
+4
+4
+4
+4 电
子
空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1.3 杂质半导体的导电特性
电
掺杂后的半导体称为杂质半导体，
子 杂质半导体按掺杂的种类不同，可分为N 第
技 型（电子型）半导体和P型（空穴型）半
一
术 导体两种。
1.2.1 PN结的形成
电
当P型半导体和N型半
子 导体相互“接触”后，在
它们的交界面附近便出现
第
技 了电子和空穴的扩散运动。
一
术 N区界面附近的多子电子将 基 向P区扩散，并与P区的空
同样，P区界面形章 成一个带负电的薄电
础穴复合，N区界面附近剩下 荷层。于是在两种半 了不能移动的施主正离子， 导体交界面附近便形
成了一个空间电荷区，
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
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Chenminghu (胡正明) 著 王燕等译 《现代集成电路半导体器件》 S.M.SZE (施敏）等著，耿丽等译 《半导体器件物理》（第三版） 田敬民《半导体物理问题与习题》
考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试 （闭卷）70%
课程学习内容
半导体物理部分（共约32课时） 第一章 固体的晶体结构（2学时） 第三章 固体量子理论初步 （7学时） 第四章 平衡状态下的半导体（8学时） 第五章载流子输运（6学时） 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子（9学时）
课程性质
半导体物理与器件物理是集成电路设计专业的专 业基础课，偏重材料物理特性、电子运动规律、 器件物理模型、器件工作原理的学习。
可编程系统、通信系统、嵌入式系统等系统级课程
半导体物理与器件物理必 备先学课程为 高等数学：微积分、 微分方程求解 大学普通物理：量子 力学，固体物理，统 计力学等 电子学：元器件在电 路中的功能、 元器件 外特性 电磁场与电磁波：电 磁波的传输特性
Beyond Moore’S Law 2030？？？
晶圆焊接和布图转移
低K介质绝缘层
FD SOI CMOS
纳米级化学 纳米器件的连接与互连 机械抛光
2005
硅纳米技术
微电子
微纳电子
总结
一、半导体领域是一个充满活力而有广泛用 途领域，在学术界和工业界均大有可为。 二、集成电路技术和工具将不断革新，而半 导体物理与器件的基本理论将长期有效，它 是技术创新的源泉和学术研究的热点，在专 业学习中居于先导和基础位置。 三、各大研究生院微电子、集成电路设计、 固体电子专业、光电子专业的主要考研科目 之一
固体半导体分类：
按组分
无机半导体
有机半导体
元素半导体
化合物半导体
半导体定义与分类
无机半导体种类与应用：
半导体材料革新代系：
第一代：元素半导体 硅Si、锗Ge、
第二代：化合物半导体
砷化镓GaAs,磷化铟InP 氮化镓GaN、碳化硅SiC 纳米材料，低维材料等，如石墨烯 graphene 、碳纳米管CNT。
a
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格 常数为a，具有立方对称性
例题
例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为 a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供 八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个 等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
2010年诺贝尔物理奖授予英国曼彻斯特大学科 学家安德烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫，他们 发现了一种新型半导体材料：石墨烯
具预测可用 来发展出更薄、 导电速度更快的 新一代电子元件 或晶体管，具有 替代硅材料的可 能。
集成电路的革新有赖于半导体新材料、新器件、 新工艺的创新。 Moore’S Law
晶体总是按某一个方向生长，而且晶体在不同的 方向上具有不同的生长和被腐蚀速度。 晶列：任意两个格点的连线称为晶列。 晶向指数：在坐标系中晶列的方向用晶向指数表 示，它们是该晶列对应的矢量的分量。用[hkl]表 述
晶向[100][110][111]垂直于晶面(100)(110)(111)
[1 1 1]
2个原子 22 3 体密度 1 . 6 x 10 个原子 / cm 3 （ 5x108）
例题
简立方的原子体密度是3x1022cm-3.假定原子是刚 球并与最近相邻原子相切。确定晶格常数和原子半 径。
a r
1个等效原子 3x10 a 3.22 A 3 a a 3.22 r 1.61 A 2 2 22
用于制造集成电路的晶圆模型
晶面和密勒指数
半导体器件总是做在半导体的某个表面上，我们可以用 晶格参数描述这些面。 晶面：通过格点做的平面。 密勒指数：某一晶面在晶格坐标轴上的截距的倒数可以 化为互质的整数hkl来表示晶面的取向，称为密勒指数。 用符号（hkl）来表述晶面。
2c 3b
1 1 1 ( , , ) (3,4,6) 4 3 2
半导体物理与器件
电子设计自动化技术研究所 集成电路设计与集成系统专业 陈延湖
chenyanhu@
课程学习意义重大
半导体集成电路 产业应用市场巨 电子计算机 大，产值超3000 互联网 亿美元，是信息 产业的基石，属 国家战略新兴产 业。已设立千亿 产业投资基金， 个人通信手机 助力产业发展。
基矢
基矢：三个相互独立的边矢量，用于确定原胞 （晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周 期排列构成晶格，因此，基矢的大小又称为晶格 常数。
对左图，a，b，c为晶胞基矢； a1，a2，a3为原胞基矢。
基矢的坐标轴即为晶轴
基本的晶格结构
根据原胞或晶胞的结构，所有晶体的结构可归结为 14种晶格结构。主要的半导体材料晶格结构可归结 为三种基本结构：简单立方，体心立方，面心立方
尖端武器
微电子 半导体
现代网络通信设备 ，大型云计算服务 器，超级数据中心
移动互联网
各类集成电路
电话，电视，MP3，可穿戴 等电子消费品
物联网，工业控制，节能环保， 汽车电子
智能IC卡， 金融支付
硅等半导体材料是制造集成电路等新型产品的载体，晶体管等半导体器件是设计 集成电路的核心元器件。
事实上半导体产业是一个巨大的产业，除了集成电路产业 外，还包括电力电子器件、光电子器件、M/NEMS传感 器等，半导体物理与器件无疑是从事相关产业工作的基础 必备知识
第一章 固体晶格结构
1.1半导体材料
半导体基本特性 半导体分类 固体半导体类型 固体晶格 固体晶胞：晶胞与原胞、密勒指数、晶向指数 金刚石结构和闪锌矿结构：硅、砷化镓晶胞结构
1.2 固体类型
1.3 空间晶格
1.4 原子价键
1.1 半导体材料
半导体基本特征：
导电性介于金属和绝缘体之间,根据掺杂不同，电阻率 可在很大范围内变化，具有两种导电类型。 纯净半导体为负温度系数 具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率 会变化，即产生所谓光电导 气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影 响
晶格
晶体=基元+晶格
晶体种类很多，但可以归纳为有限的晶格结构
晶胞与原胞
晶胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的一小部分晶体。 原胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的最小晶胞。
b4 D a4 A a1 b3 a3 C
A,B,C,D中为 原胞的是？ A和B
b1
b2 a2
B
二维晶格中的几种不同的晶胞选取
集成电路 制造工艺
半导体集成电路设计…
半导体物理与器件
低频电子线路 高频电子线路 数字电子线路
电路理论基础 高等数学、大学物理、电磁场与电磁波
课程教材与考核
教科书： 教1：Donald A. Neamen 著，赵毅强等译《半导 体物理与器件》 教2:刘恩科等 《半导体物理学》
参考资料：
课程特点与学习目标
课程特点 理论性强，涉及基础物理、高等数学、化学等 知识内容广，涉及半导体材料、器件、工艺的相关知 识 概念、术语多。如：晶格结构、电子有效质量、空穴、 费米能级、载流子浓度、迁移率等 理论与工程相结合、定性与定量相结合。需要一定的 数学公式推导与计算
学习目标、要求、建议 目标：掌握基本物理概念，基本物理理论，模 型，器件基本工作原理， 领会其中的物理意义， 物理过程，学会基本的推导和计算。 要求：独立完成课后作业习题，认真进行课后 自修与总结 建议：注重物理概念，物理原理，物理意义的 思考和学习，提倡问答式学习，讨论式学习； 关注学科背景及发展现状，理论联系实际，培 养钻究能力，激发专业学习兴趣。
90nm 铜线 65nm 45nm 金属栅 高数值孔径的193nm光刻 193nm浸渍 氮氧化物栅氧化层 技术特征 (Add on’s) 3维晶体管 纳米管 三维异质整合 自组装 15nm 2 nm
BJT 1947
MOSFET 1960’s
体硅CMOS
高k介质栅 硅化物技术 高迁移率应变硅
空气桥
分子器件
学术研究的热点
自1956年以来半 导体物理相关的诺 贝尔奖多达8项
每年发表在IEEE顶 级期刊的半导体理 论与技术论文达数 千篇
1947年由肖克利和他 的两助手布拉顿、巴丁 在贝尔实验室工作时发 明的点接触式晶体管该 晶体管用半导体锗制作。 1956年为此获诺贝尔 物理学奖
基尔比于1958年发 明了世界上第一块 集成电路，并于 2000年获得诺贝尔 物理学奖
课程学习内容
半导体器件部分（共约32课时）
第七章 PN结 （4学时） 第八章 pn结二极管 （5学时） 第九章 金属半导体和半导体异质结 （4学时） 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础（10学时） 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入（3学时） 第十二章双极晶体管（6学时）
导体： 10-6Ωcm< ρ＜10-4Ωcm ρCu:10-6Ωcm 半导体：10-4Ωcm＜ρ＜1010Ωcm ρGe=0.2Ωcm
电阻
绝缘体：ρ＞1010Ωcm
温度
二极管 晶体管等电子器件及 集成电路 图像传感器、激光器等光电子器件 气敏传感器 压力传感器 霍尔传感器 重力传感器
半导体分类