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半导体物理学第一章1

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第一章 半导体物理基础解析

第一章 半导体物理基础解析
• 态密度
– 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(第一章)概要

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。

半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态

半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态

The End of Preface
第一章 半导体中的电子状态
主要内容：
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子运动－－有效质量 1.4 本征半导体的导电机构－－空穴 1.5 常见半导体的能带结构 （共计八学时）
本章重点：
*重 点 之 一:Ge、Si 和GaAs的晶体结构
晶体结构周期性的函数 uk (x) 的乘积。
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的
相应位置，电子的分布几率一样的。 波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
它是按照晶格的周期 a 调幅的行波。
这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的 倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。
只有在 uk (x) 等于常数时，在周期场中运动的 电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。
硅基应变异质结构材料一维量子线零维量子点基于量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代量子器件的基宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石iii族氮化物碳化硅立方氮化硼以及iivi族硫锡碲化物氧化物zno等及固溶体等特别是sicgan和金刚石薄膜等材料因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
(2)化合物半导体及固溶体半导体
SiC
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
InP、GaN、 GaAs、InSb、

半导体物理学简答题及答案知识讲解

半导体物理学简答题及答案知识讲解

第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。

答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。

当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。

组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。

2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。

答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。

惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。

4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。

5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。

6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同；答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。

半导体物理学-第1章

半导体物理学-第1章
由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp杂化轨道的过程称为sp 杂化，所形成的轨道称为sp杂化轨道。每个sp杂化轨道均含有 1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。为使相互间的排斥能最小， 轨道间的夹角为180。当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成 键后就形成直线型分子。
2015-5-7
Prof.LEI
2015-5-7
Prof.LEI
25
§1.2 半导体中的电子状态与能带
零势场与周期势场中的电子状态
一、零势场中自由电子的能量状态
自由电子的能量 E 和动量 P 与描述其波动性的平面波 频率 和波矢 k 之间的关系分别为 E h p hk or p k
k E 2m0
§1.1 半导体中的晶体结构
2、闪锌矿结构和混合键 III-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿结构。 闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞 沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套 构成的。每个原子被四个异族原子包围。 双原子层堆积
原子键合：共价键 + 离子键，共价键合占优。
2015-5-7 Prof.LEI 6
杂化轨道理论（hybrid orbital theory）是1931年 由Pauling 等人在价键理论基础上提出，在成键能力、 分子的空间构型等方面丰富和发展了价键理论。 1、杂化轨道理论的要点：
1）在成键过程中，因原子间的相互影响，同一原 子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（波函数）可 以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成 数目相等的新的原子轨道。这种轨道重新组合的过程称 为杂化（hybridization），杂化后形成的新轨道称为 杂化轨道（hybrid orbital）。
图1-10 一维周期势场中电子的E(k)函数及其与自由电子E(k)函数（虚线）的比较

半导体物理第一章

半导体物理第一章


2、闪锌矿结构和混合键

III-V族化合物半导体绝大 多数具有闪锌矿型结构。闪 锌矿结构由两类原子各自组 成的面心立方晶胞沿立方体 的空间对角线滑移了1/4空 间对角线长度套构成的。每 个原子被四个异族原子包围。 例: GaAs、GaP、ZnO

2、闪锌矿结构和混合键

两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定 的离子键成分，但共价键结合占优势。 以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠 库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。 由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体 是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族 化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、 ZnS等。

⑴ 每一个BZ 内包含了所有能带中的全部电子状态。或者说，每一个区 域所包含的波矢数（即 k 的取值个数）等于晶体所包含的原胞数（ N）。 因此，电子的运动状态可以在一个 BZ内进行讨论，注意，在同一个BZ内， 电子的能量是准连续的。
布里渊区有如下若干主要特点：
布里渊区与能带：

求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程，可以得到如图所 示的晶体中电子的E(k)~k关系，虚线是自由电子 E(k)~k关 系。
1.自由电子的运动状态
（1）孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中 运动 （2）自由电子是在恒定势场中运动 （3）晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动
单电子近似——晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运 动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周 期相同。

原子间通过共价键结合。
共价键的特点：饱和性、方向性。

⑴ 饱和性：共价键的饱和性是指，一个原子只能形成一定数目的共价 键。由于共价键是两个原子通过共用各自未配对的电子而形成的，而原 子的电子结构是确定的，某一原子在与其它原子化合时，能够形成共价 键的数目就完全取决于原子外层电子中未配对的电子数。此乃饱和性的 实质。 ⑵ 方向性：共价键的方向性是指，原子只能在某些特定的方向上形成 共价键。按量子理论，共价键实际上是由于相邻原子的电子云交叠而形 成的，电子云交叠程度的大小决定了共价键的强弱。因此，原子形成共 价键时，总是取电子云密度最大的方向。这就是方向性的根源。

半导体物理学刘恩科全部章节ppt


原因： “轨道杂化”（sp3） p 导带 空带
s 价带 满带
禁带
32N
0
电子
2NN
4N
电子
二、半导体中电子的状态和能带
微观粒子的波粒二象性
实验验证：
戴维逊-革末实验：电流出现周期性变化
I
将电子看成粒子则无法解释
电
流
阴级 U
Ni单晶
计
1927年戴维孙和革末用加速后的电子投射到在镍（Ni)晶体 特选晶面上进行电子反射时的干涉实验
二、半导体中电子的状态和能带
➢微观粒子的波粒二象性
– 微观粒子的粒子性：
各种微观粒子都有其独特的特征：如质量、电荷等 同种微观粒子具有等同性
微观粒子的运动表现粒子运动的特性：动量、能量
– 微观粒子的波动性：
微观粒子的运动表现波动的特性：波长、频率 但微观粒子的波动不是电磁波，而是徳布罗意波
➢微观粒子的波粒二象性
由两种原子结构和混合键
– Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体绝大多数具 – 有闪锌矿型结构：
• 闪锌矿型结构和混合键
– 注意几点：
1. 正四面体结构中心也有一个原子，但顶角原子与中心 原子不同，因而其结合方式虽以共价结合为主，但具 有不同程度的离子性，称极性半导体
2. 固体物理学原胞同金刚石型结构，但有2个不同原子
3. 结晶学原胞可以看成两种不同原子的面心立方晶胞沿 立方体空间对角线互相错开1/4长度套构而成，属于双 原子复式晶格
4. 一个晶胞中共有8个原子，两种原子各有4个
纤锌矿型结构
材料: Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、CdS、CdSe
– 此时定态薛定谔方程为：

半导体物理学 固体物理1-2ppt


图１-３５ 立方晶体的旋转轴 ３５
•旋转对称性 旋转对称性
旋转操作： 旋转操作：将晶体绕某轴旋转一定角度 后，晶体 能自身重合的操作。 能自身重合的操作。 将晶体绕某一固定转轴转动θ=2π/n，晶体能 ， 将晶体绕某一固定转轴转动 自身重合的操作称为旋转操作，该旋转为n度 自身重合的操作称为旋转操作，该旋转为 度（次） 旋转轴，计为n。 旋转轴，计为 。 由于晶体周期性的制约， 只能取 只能取1、 、 、 、 由于晶体周期性的制约， n只能取 、2、3、4、 6，五种转轴。常用 1，C2，C3，C4，C6以及图形 ，五种转轴。常用C 表示。 表示。
− − − − − -
•旋转反演操作 旋转反演操作
具有 n 对称性的晶体不一定同时也具有i与n的 对称性，n度象转操作不是独立的基本对称操作。
−
3= 6+m
图1 − 38
n度旋转反演对称轴n
-
图1 − 38
n度旋转反演对称轴n
-
可选以下操作为晶体结构基本点对称操作
C1，C2，C3，C4，C6， i,σ, C4 i,
•镜象操作 镜象操作
在晶体中选一平面， 在晶体中选一平面，以这平面为镜面进行镜象 操作，若操作后晶体能自身重合， 操作，若操作后晶体能自身重合，则说该晶体具 有镜象操作对称性。 有镜象操作对称性。 若镜面是与X轴垂直的 轴垂直的Y－ 面 若镜面是与 轴垂直的 －Z面，镜象操作相当 于坐标变换： 不变。 于坐标变换：x → -x，y，z不变。用m或σ表示。 ， ， 不变 或 表示。
图1-22 晶刚石晶体结构
• 闪锌矿结构
闪锌矿结构又称为立方硫化锌结构。 闪锌矿结构又称为立方硫化锌结构。具有和金 刚石相似的结构，只是此时A、 两类原子是元素 两类原子是元素S 刚石相似的结构，只是此时 、B两类原子是元素 和Ｚn。由两个面心子晶格彼此沿立方体空间对角 。 线位移1/4 的长度套构而成。 的长度套构而成。 线位移

半导体物理学 固体物理1-3ppt


解决方法如下：人为地加入合理的限制条件（也称 21 0 1
为等价性条件）——前三个指标之和为0。例如， 晶向指标为［uvtw］，则u+v+t=0，故a1轴的指标只


能选
。
晶向四指数的解析求法：先求待求晶向在三轴系a1、a2、 c下的指数U、V、W，然后通过解析求出四指数［uvwt］。由 于三轴系和四轴系均描述同一晶向，故 ua1+va2+ta3+wc=Ua1+Va2+Wc
例如，六棱柱的两个相邻的外表面在晶体学上
应是等价的，但其用三指数表示的晶面指数却分别 为(100)和(110)；夹角为120°的密排方向是等价的， 但其晶向指数却为［100］和［110］。在晶体结构
上本来是等价的晶面、晶向却不具有类似的指数，
这给研究带来不方便。
解决的办法是引入第4个指数，即
引入4个坐标轴：a1、a2、a3和c。其中 a1、a2、c不变，a3= - (a1+a2)，如图146(a)所示，相互夹角为120°的三个轴 和原来的c轴一起构成四轴体系。引入 四指数后，晶体学上等价的晶面即具 有类似的指数。
图1-44 立方晶体中晶面族的米勒指数
图1-45 立方晶格(111)及其等效晶面
通常晶面指数表示晶面族中某一个具体 的晶面时，也可以不化为互质整数。 可以证明，在立方晶系中，晶面指数和 晶向指数相同的晶面和晶向，彼此互相垂直。 例如［100］⊥(100)、［110］⊥(110)、 ［111］⊥(111)。在其它晶系中，这种关系 不一定成立。

晶向指数：
对无限大的理想晶体，通过布拉菲格 子中任意两个格点连一直线，这一直 线将包含无限多个周期性分布的格点， 这样的直线便称为晶列。

安徽大学物理与材料科学学院半导体物理学2MK_第一章第一节半导体的晶格结构和结合性质

理论体系半导体物理学是固体物理学的一个分支固体物理学的理论基础：(1) 晶体学: 晶体周期结构的确定1669: 晶面角守恒律(Steno)1784: 有理指数定律和晶胞学说(Hauy)1848: 空间点阵学说(Bravais)1889-1891: 空间群理论(Federov和Schvenflies) 1912: 晶体X射线衍射实验(Laue)(2) 固体比热的理论: 初步的晶格动力学理论1907: 独立振子的量子理论(Einstein)1912: 连续介质中的弹性波的量子理论(Debye)1912: 周期结构中的弹性波(Born 和von Karman)(3) 金属导电的自由电子理论: Fermi 统计1897: 电子的发现(Thomson)1900: 金属电导和热传导的经典自由电子理论(Drude) 1924: 基于Fermi统计的自由电子理论(Pauli和Sommerfield) (4) 铁磁性研究:自旋量子理论1894: 测定铁磁--顺磁转变的临界温度(Curie)1907: 铁磁性相变的分子场理论(Weiss)1928: 基于局域电子自旋相互作用的铁磁性量子理论另外:电子衍射的动力学理论(Bethe)金属导电的能带理论(Bloch)基于能带理论的半导体物理(Wilson)标志: 1940年Seitz “固体的现代理论”凝聚态物理学凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.和固体物理相比, 凝聚态物理:(1) 研究对象日益扩大和复杂；(2) 基本概念和理论工具已大为丰富；(3) 作为固体物理学分支的金属物理, 半导体物理, 磁学, 低温物理, 电介质物理之间交叉日益密切；(4) 一些新的分支如无序系统物理学, 准晶物理学, 介观系统物理学, 团簇物理学被开拓和建立起来。

要讲授的内容：半导体的晶格结构和电子状态(第一章)杂质和缺陷能级(第二章)载流子的统计分布(第三章)载流子的散射及电导问题(第四章)非平衡载流子产生、复合及其运动规律(第五章)半导体的表面和界面-包括p-n结、金属和半导体的接触、半导体表面及MIS结构、异质结(第六~九章)第一章半导体中的电子状态§1.1 半导体的晶体结构和结合性质一、金刚石型结构和共价键硅和锗属于Ⅳ族元素(元素周期表)。

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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
4a
3b
(1 , 1 , 1) = (3,4,6) 432
（a) (1 0 0) (b) (1 1 0) (c) (1 1 1)
立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶 格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统 称这些等效晶面时，写成{100}，同理等效对角面 {110}，等效顶对角面{111}。
面密度 = 2个等效原子 = 5.66x1014个原子 / cm2 a⋅a⋅ 2
(1 1 0)平面
总结：
重要知识点： 晶胞，原胞及其区别 晶格常数 晶面与密勒指数 晶列与晶向指数 基本要求： 掌握三种简单晶格结构的特征。 会计算原子体密度和面密度。 会使用密勒指数和晶向指数标示和识别晶面和晶向。
砷化镓GaAs,磷化铟InP
第三代：宽禁带半导体 最新研究热点
氮化镓GaN、碳化硅SiC 石墨烯graphene
半导体定义与分类
固体半导体分类：
按固体内部 原子
排列结构
非晶体： 基本无序
多晶体：
长程无序，
短程有序
单晶体：
长程有序
（a）非晶体：基本无序，仅在几个原子尺度（纳米级）内有序
（b）多晶体：短程有序，长程无序，在多个原子尺度（微米级）具 有几何周期性形成晶粒，晶粒之间是无序的
3维晶体管
三维异质整合
硅化物技术 高迁移率应变硅
空气桥
晶圆焊接和布图转移
2 nm 自组装
纳米管
分子器件
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、半导体是一个充满活力而有广泛用途和 前途的领域，在学术界和工业界均大有可 为。
a=5x108cm。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。
体密度 =（25个x1原0−8子）3 = 1.6x1022个原子 / cm3
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 晶格描述这些面。
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
基本的晶体结构
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
ar
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格常数为a
练习题
例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为
因为晶胞的选择可以更灵活，很多时候用晶胞比用原胞更 方便。
在结晶学中常采用晶胞，称为结晶学原胞，考虑周期性和 对称性
在固体物理学的研究中常采用原胞，称为固体物理学原 胞。仅考虑周期性。
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。
（c）单晶体：长程有序，整体范围（毫米级）内具有几何周期性， 结构均匀对称，具有良好的电子特性，目前应用最广研究最多的半导 体材料均为固体单晶。
绪论
半导体简介 固体晶格结构
晶格
一个典型的单元或原子团在三维的每一 个方向上按某种间隔规则重复排列就形 成了单晶体。
为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒 子（单元或原子团）（基元）抽象为一 个点，这个抽象出的点称为格点。
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。 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
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
低频电子线路 高频电子线路 数字电子线路
电路理论基础
集成电路 制造工艺
器件物理
集成电路 版图
固
体 物 理 等
半 导 体 物
理
下
层
为
量
子
Hale Waihona Puke 力学半导体物理
，
半导体物理是集成电路设计 专业的专业基础课，偏重理 论和物理。
课程学习内容
绪论（2） 半导体晶格结构与电子状态(12) 半导体中的杂质和缺陷能级(2) 半导体中载流子的统计分布(12)
二、集成电路技术和工具将不断革新，而半 导体基本理论将长期有效，它是技术创新和 学术研究的源泉，在专业学习中要树立理工 结合的观念和意识。
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
课程特点与学习目标
课程特点 理论性强。 知识内容广，需要一定的量子力学，固体物理基础， 概念、术语多，需要公式推导 理论与工程相结合，定性与定量相结合。
学习目标、要求、建议 课堂上边思考、边听课、边学习，掌握基本物理概 念，模型，领会相关的物理意义，学会基本的推导和 计算。 课后自修，独立完成课后作业习题， 提倡问答式学习，讨论式学习。
绪论
半导体简介 固体晶格结构
半导体定义与分类
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。
用< h k l >表示时，代表所有的等效晶向
本节练习题
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
3x1022
=
1个等效原子
→
a
=
o
3.22 A
a3
r
=
a
=
3.22
o
= 1.61A
22
本节练习题
某一体心立方结构的晶格常数是5Å。计算 (1 1 0)平面的原子面密度。
温度
晶体管及集成电路
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
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：
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
电话，电视，MP3
汽车电子
工业控制，节能环保，物联网
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，还包括分立器件、光电子器件等， 半导体物理是从事半导体产业工作的基础必备知 识
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
晶列和晶向指数
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
[1 1 1]
等效晶向
所有立方边方向等效
所有面对角线方向等效 所有体对角线方向等效
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。
MOS
90nm 65nm 45nm
铜线
金属栅
高数值孔径的193nm光刻
193nm浸渍
体硅CMOS
氮氧化物栅氧化层 高k介质栅
15nm
技术特征 (Add on’s)
A,B,C,D中为 原胞的是？
A和B
b4 D a4
b1 A a1
b3 C
a3 b2 B
a2
二维晶格中的几种不同的晶胞选取
原胞与晶胞的区别
原胞的格点在原胞的顶角上，内部 和面上不含其它格点。原胞的选择 只考虑晶体的周期性，原胞的边一 般是非正交的。
晶胞的格点可以在顶角上，也可在 其内部和面上，晶胞除了考虑晶体 的周期性外，还可根据晶胞的特殊 对称性来选取。晶胞的边可以选择 正交的边。
《半导体物理问题与习题》：田敬民等。 《半导体物理课程辅导教案》：郝修田。
考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试 （闭卷）70%
课程性质

工
艺 器 件 版 图 ， 电 子 线 路 等
半 导 体 物 理 上 层 为 集 成 电
路
信号与系统、通信系统原理等系统级课程
半导体集成电路
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
导体： 10-6Ωcm< ρ＜10-4Ωcm
电阻
ρCu:10-6Ωcm
半导体：10-4Ωcm＜ρ＜1010Ωcm ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞1010Ωcm
半导体导电特性(8) 非平衡载流子(8)
p-n结（10） 金属和半导体的接触（8）
异质结（2）
课程学习意义
半导体是集成电路等新型器件的载体，2008年半导体产业产值达 2486.03亿美元，带动整个电子信息技术成为当今第一大产业。
电子计算机 个人通信手机
微电子
尖端武器