半导体材料08(1)

随着电子技术应用的不断推广和 电子产品发展的日趋复杂，电子 设备中应用的电子器件越来越多。 为确保设备的可靠性，缩小其重 量和体积，人们迫切需要在电子 技术领域来一次新的突破。
最早的集成电路的定义：
1952年英国科学家达默指出： “随着晶体管的出现和对半导 体的全面研究，现在似乎可以 想象，未来电子设备是一种没 有连接线的固体组件。”
Jack S. Kilby
1962年 12个晶体管的小规模集成电路 SSI（Small-Scale Integration）
1966年 100－1000个晶体管的中规模集 成 电 路 MSI （ Medium-Scale Integration）
1967－1973年，1000个至10万个晶体管 的 大 规 模 集 成 电 路 LSI （ Large-Scale Integration）
h k E ( k ) E0 * 2m

2 2
上式中E0为k＝0时的电子能量，h为普朗常数， m*是电子或空穴的有效质量。
4.半导体的电导： 外电场载流子运动
vn n E
vp p E
n,p称为电子或空穴的漂移迁移率
半导体中的电流密度：
J (nvn pvp )e
1904年英国的弗莱明（John Ambrose Fleming）在 真空中加热的电丝(灯丝)前加了一块板极，从而发 明了第一只电子管。装有两个极的电子管称为二极 管。利用新发明的电子管，可以给电流整流，使电 话受话器或其它记录装置工作起来
1906年美国发明家德福雷斯特（Lee de Forest，1873～1961） ，在二极管的灯 丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从 而发明了第一只真空三极管。它集检波、 放大和振荡三种功能于一体。
1876-7 年英国物理学家亚当斯 (W.G.Adams)发现晶体硒（Se）和金属接 触在光照射下产生电动势的半导体光生 伏打效应 1906年美国物理学家皮尔士 (George Washing Pierce ,1872-1956)等人发现金属与硅晶体接触 能有整流作用的半导体整流效应
什么是半导体
n,p分别是半导体中电子和空穴的浓度， e为电子电荷，设材料的电导率为，则
j E
(n n p p )e
1 [(n n p p )e] 1
半导体中的霍尔效应
以p型材料为例： J x pqvx 空穴电流 在垂直磁场Bz作用下，空穴受洛伦兹力 （ qvxBz）的作用，向－y方向偏转，而在y 方向形成电场，当两个力平衡时
1919年德国人肖特基发明了真空四极管 1931年荷兰菲利普公司发明真空五极管 1939年美国人瓦里安兄弟（R.H.Varian 和S.E.Varian）发明超短波速调管 1940年英国人布特(H.A.H.B-oot)和兰德尔 (J.T.Randall)以及苏联人阿列克谢耶夫和 马略罗夫分别独立发明微波多磁控管
第一章 导论
1.1 从真空电子学到固体电子学 1.2 半导体发展的简史 1.3 半导体材料的基本性质
1.1、从真空电子学到固 体电子学
1883年 爱迪生(Thomas Alva Edison ) 在研究白炽灯的寿命时，在灯泡的碳丝 附近焊上一小块金属片。结果发现了一 个奇怪的现象：金属片虽然没有与灯丝 接触，但如果在它们之间加上电压，灯 丝就会产生一股电流，趋向附近的金属 片。这股神秘的电流是从哪里来的？称 之为“爱迪生效应”。后来证明电流的 产生是因为炽热的金属能向周围发射电 子造成的。
晶体管是半导体做的固体电子元件 早期最常见的为锗和硅两种 现在半导体材料的种类已经非常多 分类也比较复杂
1.2 半导体的发展简史
1782年，沃尔特（Volta A）首先使用半导 体（Semiconductor）一词 1833年英国物理学家法拉第 (Michael Faraday,1791-1867)发现氧化银 的电导率随温度的升高而增加 （负温度系 数） 1873年，英国物理学家施密斯 (WilloughSmith)发现晶体硒在光照射下电 阻变小的半导体光电现象
吴正云
先修基础： 固体物理（晶体与能带概念） 半导体物理 半导体器件物理 量子力学基础
参考书目
1、半导体材料 邓志杰、郑安生 编著 化学工业出版社 2、半导体材料 杨树人、王宗昌、 王兢编著 科学出版社 3、信息材料 干福熹 主编 天津 大学出版社 4、纳米电子材料与器件 李言荣 等编著 电子工业出版社
结论：具有四面体结构的半导体材料在 半导体技术中具有极其重要的地位。
2.化学键：
元素半导体：纯共价键：两个原 子之间的一对自旋相反的共有电 子所形成 饱和性和方向性 化合物半导体：共价键＋一定的离 子键 不同原子间存在负电性差，
3.半导体的能带：
大量原子组成晶体，孤立原子的各个电子 壳层（相对于一定的能级）发生不同程度 的交叠，电子也不再完全局限于某一原子， 而可以在整个晶体中作“共有化”运动 价电子的共有化运动＋晶格周期性势场作 用 从孤立原子的能级到能带
John Bardeen
Walter Houser Brattain
"for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect"
贝尔实验室John Bardeen和 Walter Brattain的工作台的第 一只晶体管
qEy qvx Bz
霍尔电场：
Jx E y vx Bz Bz pq
1 RH pq
令霍尔系数
Ey RH J x Bz
对n型半导体,其霍尔系数<0
考虑载流子的统计分布，则有
H 1 RH ( ) p pq H 1 RH ( ) n nq
式中， H分别为载流子和霍尔迁移率
1977年在30平方毫米的硅晶片上集成15万 个晶体管的超大规模集成电路VLSI（Very Large-Scale Integration），第四次重 大突破，微电子时代 1993 年 1000 万 个 晶 体 管 的 16M FLASH 和 256M DRAM的研制成功，进入了特大规模 集 成 电 路 ULSI (Ultra Large-Scale Integration)时代 1994年1亿个元件的1G DRAM的研制成功， 进入巨大规模集成电路GSI（Giga Scale Integration）时代。
价带 VB ： 电子先“填充”低能量能 带 导带 CB： 没有“填充”电子的高能 量 能带 满带或全空带，不导电 价带中的电子一旦被激发进入导带，就 成为自由电子而可以参与导电
量子力学观点：电子的波粒二象性，用具有频 率、波长的平面波表示。波矢k描述平面波的 传播方向，其大小为波长的倒数 以电子能量E与其波矢k的关系表述半导体的能 带结构 在导带底或价带顶附近
硅的存在和用途
天然石英 CPU 玛瑙珠链
宝石
P型硅半导体
N型硅半导体
半导体材料的发展历程
1、Si材料（第一代半导体材料时代）：超大 规模集成电路
2、Ga、In、As材料（第二代半导体材料时 代）：光电通讯、发光器件 3、宽禁带半导体（第三代半导体材料时 代） ：高温高频、大功率器件、蓝光LED、 （全色显示）LD、紫外探测器
特点（共性）：两个面心立方晶格沿空 间对角线位移1/4长度套购而成，每个 原子周围都有4个最近邻得而原子且 总是处于一个正四面体的顶点而呈四 面体结构 差异： 金刚石晶格格点相近邻原子是同种 原子 闪锌矿的格点上相邻原子是异种原 子
纤锌矿： GaN、BN、InN、SiC
氯化钠： PbS、PbSe
电子管的应用与缺点
无线电电子学 电话、海上和空中通讯、家庭娱乐领域 电子管十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大， 制造工艺也十分复杂。 第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴露无 遗。在雷达工作频段上使用的普通的电子管， 效果极不稳定。移动式的军用器械和设备上使 用的电子管更加笨拙，易出故障。
寻找取代产品
硅半导体的发展历程
1923年 第一只硒半导体整流器 1947年 贝尔实验室巴丁(John Bardeen )、布拉顿(WalFra Baidu biblioteker Houser Brattain) 和肖克莱(William Bradford Shockley )第一只点接触 锗晶体管（1956年获诺贝尔物理奖）
William Bradford Shockley
以物质内部的载流子运动定义：
载流子：通过其在物质内部的运动可以形 成宏 观电流的带电载体，如电子、空穴等 导 体： 载流子可以极自由在其内部活动 绝缘体：载流子只能在其固定位置的周围做轻微运 动 半导体：可以通过某些手段，使其内部出现部分可 以自由运动的载流子
金属、半导体和绝缘体的能带
Schematic energy band representations of (a) a conductor with two possibilities (either the partially filled conduction band shown at the upper portion or the overlapping bands shown at the lower portion), (b) a semiconductor, and (c) an insulator.
2010年预计目标
最小线宽：0.07μ ｍ(70nm) DRAM： 64Gb MPU和ASIC集成度：90M和40M个晶体管/cm2 衬底最大尺寸：400-450mm。
1.3 半导体材料的基本性质 1.晶体结构 金刚石： Si、Ge、金刚石 闪锌矿： GaAs、InP、 ZnO、GaN、SiC
金刚石型结构的晶胞
纤锌矿：六角晶系，由六角排列 的双原子层堆叠而成，也是以四 方体结构为基础，每个原子处于 异种原子构成的正四面体中心 NaCl：立方晶系，有两种原子分 别构成的两套面心立方晶格沿 〔100〕方向位移晶胞边长1/2套 构而成
注意：
有些半导体晶体具有两种结构类型，有的还可以结 晶成多种晶型，如SiC 有些半导体除单晶结晶形态外，还可以有非晶（无 定型）态、微晶态，如单晶Si、非晶Si（－Si）、 微晶Si（c－Si）、纳米Si（nc－Si） 有些三元化合物半导体晶格为黄铜矿结构，也具有 四面体结构
若半导体中存在两种载流子，可以证明 其霍尔系数为
H 1 ( p nb2 ) RH q ( p nb) 2 n b p
当磁场很强时，其霍尔系数为
1 1 RH q pn
半导体的光学性质
1、光吸收和光电导
1.24 / Eg (eV )(m)
金属的能带结构
绝缘体、半导体、导体的能带图
半导体的简单分类：
无机半导体 半导体 有机半导体
结晶形半导体 无机半导体 无定型半导体
按材料性质分类
直接带隙 半导体材料 间接带隙
按材料结构分类
同质结构 晶体半导体 低维结构 异质结构
}
自组织生长的InAs量子点
电阻率的概念 其中 与不同材料的性质有关而且与温度有 关 以电阻率分类，可以有： 很大>1010欧姆· 绝缘体 厘米 中等(10-4到1010欧姆· 半导体 厘米之 间) 很小< 10-4欧姆· 导体（超导） 厘米
l R s
半导体：导电性介于金属与绝缘体 之间的材料
铂 硫化镉 铋
集成电路： 在一块几平方毫米的极其微小 的半导体晶片上，将成千上万的 晶体管、电阻、电容、包括连接 线做在一起。真正是立锥之地布 千军。它是材料、元件、晶体管 三位一体的有机结合。
1959年德克萨斯仪器公司（TI）的26 岁的青年研究人员基尔比（J. kilby） 在一块1.2厘米长的锗单晶片上焊上锗 晶体管芯片等元件并连线电极而制成 了由五个元器件（其中四个晶体管） 组成的移相振荡器,当输入10V电压时, 该电路输出了一条正弦波曲线,于是在 TI公司实验室里便诞生了世界第一块 集成电路。 (2000年获诺贝尔物理奖）