半导体物理 Semiconductor Physics - USTC

中国科学技术大学物理系

2021/3/6 1Semiconductor Physics

半导体物理Semiconductor Physics

主讲：徐军2021年3月联系方式：东区物质科研楼701电话：63601070，13965010623Email：[email protected]

课件：http://staff.ustc.edu.cn/~xujung


Semiconductor Physics2021/3/6 2

绪论

这门课在学科群中的地位(位置)

--课程定位

半导体物理的发展简介

--历史与趋势

一些具体问题的说明

--教材,习题,考试



本课是一门重要的专业基础课

了解半导体物理的基础理论，物理概念和主要性质。

探讨半导体在热平衡态和非平衡态下所发生的物理过程、规律以及相关应用。

掌握研究半导体原理和测量技术的基本方法，为从事光电子技术、半导体器件、传感器的研究及应用、集成电路等方面的工作打下必备的基础。

讨论VLSI技术相关的半导体材料和器件中的基本物理问题，在物理和微电子技术之间建立联系的桥梁。

绪论



Ⅰ 课程定位:从固体物理到半导体物理半导体物理及其相关领域

从普通物理四大力学 --基础课

♦物理学是实验科学

♦物理学的理论体系:

宏观和低速领域—牛顿力学和麦克斯韦方程组

微观和高速领域—相对论和量子力学

♦前者为经典物理,后者为近代物理.



凝聚态物理学:

以固体物理学为主干，是固体物理学的向外延拓，在非固体材料中的应用，是研究凝聚态物质的微观结构、运动状态、物理性质及其相互关系的科学，分支学科：

♦晶体学；金属物理学；半导体物理学；磁

学；电介质物理学；低温物理学；高压物理学；发光学；

♦表面物理学；非晶态物理学；液晶物理学；高分子物理学；低维固体物理学；……


凝聚态物理主要研究凝聚态物质本身的性质和它在各种外界条件（如力、热、光、气、电、磁、各种微观粒子束的辐照及各种极端条件）下发生的变化，发现新的物理现象和效应，揭示出新的规律，形成新的概念。

多粒子体系的复杂性，反映物质结构概念上的统一性

为新材料、元件、器件的研制和发展，提供牢固的物理基础。




固体物理学:

讨论固体物理领域中最基本的一些问题—固体中的各种运动状态(重点是固体中电子的运动状态):

♦晶体结构; 固体的结合; 晶格振动;

♦能带理论; 晶体中电子运动;金属电子论；

♦半导体; 磁性; 固体光学; 超导;……



半导体物理学:

♦与固体物理学同为专业基础课--应用已有的固体物理基础,讨论半导体中最基本的一些问题;

♦所讨论的物理问题有强烈的应用背景

半导体材料,器件,集成电路物理基础♦物理基础为固体能带论

♦研究在微小尺度下(纳米量级)，半导体材料上构成的器件、电路及系统中电子运动规律的学科

♦是半导体器件和微电子技术的理论基础



高等半导体物理学:

♦半导体专业课--讨论近代半导体物理学中比较活跃的几个领域的基本成就和新的发展;

♦ 讨论当代半导体物理研究发展的前沿，介绍各个领域中开展活跃的研究，包括所依据的主要理论及采用的研究方法。♦物理基础为固体能带论，量子力学，半导体有效质量近似，赝势方法和LCAO方法

♦是纳米尺度半导体材料及结构和微纳电子学器件技术的理论基础



本课程讨论的主要对象

—典型的半导体(Si,Ge,GaAs, ……)

本课程讨论的基本问题—

♦材料的基本物理性质: 晶体结构;能带结

构;电子基本运动状态; (第一章)

♦半导体中的载流子(电子,空穴)及其运

动状态: p型,n型半导体; 电场,磁场中的载流子; 非平衡载流子; (第二,三,四章)

♦器件物理基础: pn结; M/S接触;MOS

结构; (第五,六章)



相关课程(领域)

♦物理 (对物理问题更深入,更专门的讨论):

高等半导体物理; 半导体理论;

半导体表面物理; 非晶态半导体物理;

半导体光学 ……

♦材料 (材料性质,应用的物理模型,材料制备,新材料的研制):

体材料; 薄膜材料; 微结构材料; 人工设计材料;……



♦器件 (器件物理; 器件原理; 器件工艺):

电子器件(双极型器件,MOS器件,各种特种器件);

光电子器件(激光器,发光管,光电转换器件);

其他各种效应的应用(热电,压电 ……)

♦半导体集成电路—

集成电路原理及其设计(线路设计,版图设计,工艺设计);

集成电路中的物理问题,材料问题……



半导体物理发展进程

半导体物理的发展序幕晶态半导体物理

原子排列从有序向无序的转变非晶态半导体物理

材料性质从体内向表面的转变半导体表面物理

能带特征从自然向人工的转变半导体超晶格物理

体系结构从三维向低维的转变纳米半导体物理

元素组成从原子向分子的转变有机半导体物理

Ⅱ发展简介













晶体管的发明是固体物理理论研究、半导体材料、技术科学研究取得重大突破后的必然结果。

量子力学诞生于19世纪末，现代物理学的一系列发现揭示了微观物理世界的基本规律，以此为基础诞生了现代物理学的理论基础－>量子力学（以海森堡和薛定锷建立的量子力学体系为基础，其中薛定锷提出的薛定锷方程已经成为量子力学最基本和广泛使用的方程）

量子力学理论的建立，实际上是近代在物理学研究方面取得的一系列理论和实验成果共同推动的结果。



海森堡（Heisenberg）提出的不确定关系(Uncertaintyrelation）和动力学变量变算符的概念；

薛定谔方程（Schrodinger Equation）和海森堡建立了量子力学方程。

Born提出的概率波（Probability wave）概念和波函数(wave function) ，为量子力学的应用奠定了基础；

基于量子力学的能带论建立，构成了固体物理学的基础。

现代固体物理学的成熟、完善和应用，为晶体管的发明奠定了理论基础。





获得2000年诺贝尔物理学奖






2021/3/6 25Semiconductor Physics



Si Substrate

Metal Gate

High-kTri-Gate

S

G

D

III-V

S

Carbon Nanotube

FET

50 nm

35 nm

30 nm

SiGe S/D

Strained

Silicon

Future options subject to research & change

SiGe S/D

Strained

Silicon

Source: Intel

20 nm10 nm

5 nm5 nm

5 nm

Nanowire

Transistor Research

Research Options:High-K & Metal Gate

Non-planar Trigate

III-V, CNT, NW



21世纪半导体发展趋势

新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，Ⅲ-Ⅴ族复合半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、GaN），高K/金属栅，低K介质，SOI

新技术：光刻，EUV光刻技术新结构器件新互连方法：铜连线、低K，光互连等。纳米技术超大尺寸晶片的不断增大亚100nm分辨率的光刻系统超小尺寸的逻辑存贮器件深亚微米尺度下量子理论和模型新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等



Ⅲ 教材,习题与考试

教材— 半导体物理学,刘恩科等,电子工业出版社（第7版）2008.5

习题— 30%

做习题的目的是帮助理解课程内容,且应用之讨论和解决问题.

每章会有一次课后习题 20%（平时作业）

每章会有一次课堂习题 10%（代替点名）

考试— 70%

范围在平时就会交代, 重点是应该自己找的



内容：课程章节

绪论第一章半导体中的电子状态

常见半导体的晶格结构和结合性质，能带论的主要结果，半导体中电子的运动及其描述，重要半导体的能带结构，半导体中的杂质能级。

第二章半导体中载流子的平衡统计分布状态密度，分布函数，载流子浓度，本征半导体和杂质半导体。

第三章电磁场中的输运现象载流子的漂移运动，半导体的主要散射机构，迁移率与杂质浓度和温度的关系，霍尔效应。



内容：课程章节

第四章非平衡载流子非平衡载流子的注入与复合，准费米能级，复合理论，载流子的扩散与漂移运动、连续性方程。

第五章 p-n结pn结及其基本概念，pn结电流电压特性，pn结电容，pn结击穿，pn结隧道效应，pn结的光生伏特效应。

第六章半导体界面问题金属-半导体接触和肖特基势垒，半导体表面电场效应，MOS结构的C-V特性。

第七章异质结、量子阱和超晶格



主要参考书

参考书：（1）Donald A.Neamen: Semiconductor Physics

and Devices（U.S.A.）（2）Robert F.Pierret: Semiconductor Device

Fundamentals(Part1)（3）Chih-Tang Sah： Fundamental of Solid-State

Electronics（U.S.A.）（4）钱佑华，徐致中：《半导体物理》（5）叶良修：《半导体物理学》（6）李名復：《半导体物理学》（7）夏建白：《现代半导体物理》

Documents

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