刘诺-半导体物理学-第一章

半导体物理课程性质：专业必修 学分：3 成绩：作业,20％；期中考试,30％；期末考试,50％。

时间：本周：周三（3,4）、周五（3,4）； 下周起：周三（2，3，4） 教室：Z2204授课：刘冉（Ran 授课：刘冉（ Ran Liu） Liu）rliu@邯郸校区微电子学楼202室（55664548） 助教：方姜荣(082052060@) 瞿敏妮(072021077@) 刘宗明(072021059@)Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)本课程内容安排第一章 预备知识 第二章 半导体中的电子状态 第三章 半导体中的载流子统计分布 第四章 半导体中的载流子输运 第五章 非平衡载流子 第六章 p-n 结 第七章 金属－半导体接触 第八章 半导体表面 第九章 半导体光学性质 第十章 异质结Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)教材和参考资料教材：„刘恩科，朱秉升，罗晋生 等，《半导体物理学》，国防工业 出版社（1994）参考资料：„ „ „ „上述教材相关章节引用的文献 叶良修，《半导体物理学》，高等教育出版社（1987） 刘文明，《半导体物理学》，高等教育出版社（1987） C. Kittel, “Introduction to Solid State Physics”, 7th Edition, (Wiley, 1995) P. Yu & M. Cardona , “Fundamentals of Semiconductors”, (Springer, 1996)„Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)教学理念和目的教学理念“Is a student a vessel to be filled or a torchto be lit? lit?”From a US student newspaper “ELECTRIC”, 1959教学目的„掌握并灵活应用半导体的基本知识 －Know “what? why? how?” 培养提出、分析及解决问题的能力„Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)MotivationImportance of new semiconductor devices for modern civilization，Paul Romer (1990s) “The wealth is created by innovations and inventions, such as computer chips p .” „ 西方国家人均107 - 108 MOSFETs „ 电子工业是世界的最大工业 „ 2005年中国进口集成电路总金额高达788.21亿美元，集成电路产品是中国外贸逆差最大的单项产品„ 2004年全球IC销量为2190亿美元，中国大陆生产其中的4%，可满足国内16%的需求.但大陆自行研发的产品，仅占世界总量的0.3%„ “国家中长期科学和技术发展规划纲要” (2006 ━ 2020年）确定的16个重大专项中，核心电子器件、高端通用芯片及基础软件，极大规模集 成电路制造技术及成套工艺，被列在前二位„ IC是是知识高度密集的产业，中国仍缺乏大量的半导体行业的优秀人才Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)信息技术的发展1st electronic computer ENIAC (1946)Pentium IV1st computer(1832) 1st transistor Vacuum Tuber 1947Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)Transistor Scaling10 Minimum Feature SizeRed Blood Cell1000001 0.1Viruses90nm 90 65nm 45nm1000.01 1970198019902000201010 2020(From Mark Bohr, Intel)Transistor dimensions scale to improve performance and power and to reduce cost per transistorN Nanomet ers1 Microns s1000Economics of Moore’s Law1010 10 100 10-1 10-2As the number of transistors goes UP109 108 107Trans sistors per Chip C$p per Transistor10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 ’70 ’75 ’80 ’85 ’90Price per transistor goes DOWN106 105 104 103’95’00’05Source: WSTS/Dataquest/Intel8晶体管的产量指数增长(Gordon Moore, Intel)Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)晶体管的单价指数下降(Gordon Moore, Intel)Semiconductor Physics – Ran Liu (2009)半导体产值指数上升(Gordon Moore, Intel)1.1 半导体概观1.2 量子力学基础1.3 晶体结构1.1 半导体概观1.2 量子力学基础1.3 晶体结构导体半导体绝缘体电阻率ρ(Ω⋅cm)：10-6~10-410-4~109 > 109 禁带宽度E g (eV)：0 0~4 > 4什么是半导体电阻率的杂质敏感性纯Si300 K ρ~ 2×105Ω⋅cm掺入10-6（原子比）B 硼ρ~ 0.4 Ω⋅cm电阻率的温度敏感性金属：正的温度系数半导体：很大的负温度系数电阻率的光照敏感性CdS光敏电阻元素半导体：IV(Si, Ge), V(P), VI(Se, Te, S)化合物半导体：III-V (GaAs, AlAs,GaN, InP,…), II-VI(CdTe, CdSe, ZnSe, …), V-VI(SnTe, …)氧化物半导体: CuO, Cu2O, ZnO, …有机半导体: Polyacetylene([(CH2)n])（聚乙炔）, 磁性半导体: Cd1-x Mn x Te, EuS, …Bridgman(区熔法)方法: 体材料化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition, CVD) 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy－MBE） 原子层淀积（Atomic Layer Deposition－ALD）液相外延（Liquid Phase Epitaxy）1833: Michael Faraday 报道了AgS 电阻率的负温度效应, “Experimental Researches inElectricity”, Bernand Quaritch, London (1839). 1873: Willoughby Smith 发现Se 内光电效应, "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current ", Nature, 20 (1873). 1874: Ferdinand Braun 发现PbS 整流效应, “Über die Stromleitung durch Schwefelmetalic ”, Annalen der Physik and Chemie, (1874).半导体的发展简史－19世纪1875: Werner von Siemens 发明Se 光度计1897: Jagadish Chandra Bose 金属/半导体/金属(MSM) 电磁波探测器－半导体器件的先驱1907: Henry Joseph Round 发现SiC的电荧光1911: J. Königsberger and J. Weiss 首次引入了术语半导体，“Halbleiter”(semiconductor), Ann.Phys. 35, 1 (1911)为何半导体在19世纪和20世纪初没有被广泛应用？Lack of theoretical foundation was also a reason why these materials did not find the attention of the 19th century scientists. The intriguing properties could not be explained by classical physics of the pre quantum era. In the 1930s a complete theoretical foundation of semiconductors was established.-Asif Islam Khan,“Pre-1900 Semiconductor Research and Semiconductor Device Applications”1940:Russell Ohl演示Si“p-n”结1947: Bardeen, Brattain, andShockley 发明第一个（点接触）晶体管1949: William Shockley开发了第一个结晶体管.19561957: Herbert Kroemer和ZhoresAlferov提出半导体异质结构（Heterostructure)1958: John Kilby and Robert Noyce发明集成电路, Integrated Circuit (IC).20001958: Leo Esaki发现了隧道二极管(Esaki diode).1960: David Kahn and John Atalla演示首个金属/氧化物/半导体场效应晶体管(MOSFET).1962: Nick Holonyak, Bardeen的第一个学生, 用GaAsP发明了首个实用的光电二极管，light-emitting diode (LED).19731963: John Gunn 在GaAs和InP中发现微波振荡效应(Ridley-Watkins-Hilsum-Gunn effect).1963: Frank Wanlass and Chih-Tang Sah首次提出Complementary MOS（CMOS）的技术.1977: Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid and Hideki Shirakawa发现有机导体和半导体2000化学奖1965: Gordon Earl Moore 提出著名的摩尔定律.1975：P. W. Anderson, N. F. Mott 创立非晶态半导体理论。

半导体物理学（刘恩科第七版）半导体物理学课本习题解⼀到四章第⼀章1．设晶格常数为a 的⼀维晶格，导带极⼩值附近能量E c (k)和价带极⼤值附近能量E V (k)分别为：E c =0220122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。

试求：为电⼦惯性质量，nm a ak 314.0,1==π（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）eVm k E k E E E k m dk E d k m kdk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064338232430)(2320212102220202020222101202==-==<-===-==>=+===-+ 因此：取极⼤值处，所以⼜因为得价带：取极⼩值处，所以：在⼜因为：得：由导带：043222*83)2(1m dk E d mk k C nC===sN k k k p k p m dk E d mk k k k V nV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11-===?=-=-=?=-== 所以：准动量的定义：2. 晶格常数为0.25nm 的⼀维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电⼦⾃能带底运动到能带顶所需的时间。

解：根据：t k hqE f ??== 得qEkt -?=? sat sat 137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(----?=??--==--=ππ补充题1分别计算Si （100），（110），（111）⾯每平⽅厘⽶内的原⼦个数，即原⼦⾯密度（提⽰：先画出各晶⾯内原⼦的位置和分布图）Si 在（100），（110）和（111）⾯上的原⼦分布如图1所⽰：（a ）(100)晶⾯（b ）(110)晶⾯（c ）(111)晶⾯补充题2⼀维晶体的电⼦能带可写为)2cos 81cos 87()22ka ka ma k E +-= （，式中a 为晶格常数，试求（1）布⾥渊区边界；（2）能带宽度；（3）电⼦在波⽮k 状态时的速度；（4）能带底部电⼦的有效质量*n m ；（5）能带顶部空⽳的有效质量*p m解：（1）由0)(=dk k dE 得 an k π= （n=0，±1，±2…）进⼀步分析an k π)12(+= ，E （k ）有极⼤值，214221422142822/1083.7342232212414111/1059.92422124142110/1078.6)1043.5(224141100cm atom a a a cm atom a a a cm atom a a ?==?+?+??==?? +?+?=?==?+-）：（）：（）：（222)mak E MAX =（ ank π2=时，E （k ）有极⼩值所以布⾥渊区边界为an k π)12(+=(2)能带宽度为222)()ma k E k E MIN MAX =-（ (3）电⼦在波⽮k 状态的速度)2sin 4 1(sin 1ka ka ma dk dE v -== （4）电⼦的有效质量)2cos 21(cos 222*ka ka mdkEd m n-== 能带底部 an k π2=所以m m n 2*= (5)能带顶部 an k π)12(+=，且**n p m m -=，所以能带顶部空⽳的有效质量32*mm p =第⼆章1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：（1）理想半导体：假设晶格原⼦严格按周期性排列并静⽌在格点位置上，实际半导体中原⼦不是静⽌的，⽽是在其平衡位置附近振动。

半导体物理第一章习题答案半导体物理第一章习题答案在半导体物理学的学习中，习题是非常重要的一部分。

通过解答习题，我们可以加深对理论知识的理解，巩固所学内容，并培养解决问题的能力。

下面是一些关于半导体物理第一章的习题及其答案，希望对大家的学习有所帮助。

1. 什么是半导体？答：半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。

它的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过施加外界电场或温度的变化来改变其电导率。

2. 半导体的能带结构有哪些特点？答：半导体的能带结构具有以下特点：- 价带和导带之间存在禁带，禁带宽度决定了材料的导电性能。

- 价带和导带中的能级数目与电子数目之间存在关联，即保持电中性。

- 价带和导带中的电子分布符合费米-狄拉克分布。

3. 什么是载流子？答：载流子是指在半导体中参与电流传输的带电粒子。

在半导体中，载流子主要有电子和空穴两种类型。

4. 什么是固有载流子浓度？答：固有载流子浓度是指在材料中由于温度引起的自发激发和热激发所产生的载流子浓度。

它与材料的能带结构和温度有关。

5. 什么是掺杂？答：掺杂是指向纯净的半导体中加入少量杂质，通过改变杂质的电子结构来改变半导体的电导性能。

掺杂分为n型和p型两种。

6. 什么是pn结？答：pn结是由n型和p型半导体通过扩散或外加电场形成的结构。

在pn结中，n型半导体中的自由电子会扩散到p型半导体中，而p型半导体中的空穴会扩散到n型半导体中，形成电子-空穴复合区域。

7. 什么是势垒？答：势垒是指pn结两侧带电粒子所形成的电场引起的电位差。

势垒的存在导致了电子和空穴的扩散和漂移，从而产生电流。

8. 什么是正向偏置和反向偏置？答：正向偏置是指在pn结上施加外加电压，使得p区的正电荷和n区的负电荷相吸引，势垒减小，电流得以流动。

反向偏置是指在pn结上施加外加电压，使得p区的负电荷和n区的正电荷相吸引，势垒增大，电流被阻断。

9. 什么是击穿？答：击穿是指在反向偏置下，当外加电压达到一定值时，pn结中的电场强度足够大，使得势垒被完全破坏，电流急剧增大的现象。