第一章半导体物理学绪论.ppt

* * 1.2 半导体材料的发展趋势 1.2.1 禁带宽度的变化趋势 1.2.2 维度的变化趋势 * 1.2.1 发展趋势之一 第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eV 第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表; GaN: Eg=3.3 eV * 1.1.2 发展趋势之二 半导体材料另一发展趋势是：由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。 维度是一个空间的概念，长、高和宽是三个空间的维度。 * 三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。 二维超晶格、量子阱材料：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向，由于它很薄，电子运动受到了限制。 一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。 量子点：电子在三个方向，X、Y、Z三个方向上都不能进行自由运动，即三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。 * 电子态密度与维度 * * * * * 1.3 半导体材料的种类 * * 1. 禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN 2. 化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等 3. 使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等 * * * * 主要成员 组长是半导体物理学理论家肖克利（B. Shockley） 实验物理学家布拉坦（W. Brattain ） 固体物理学家巴丁（J. Bardeen） 电子线路专家摩尔（H.R. Moore） 物理化学家摩根（S. Morgan）和吉布尼（R.B. Gibney）， 半导体专家皮耳逊（G.L. Pearson），欧尔（R.S. Ohl）和蒂尔（G.K. Teal）。 * 第一个晶体管 1947年，巴丁和布拉顿制备出了第一个点接触晶体管。 在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，并加上微电流，这时，通过锗片电流突然增大起来。这就是一种信号放大现象。 因为这种晶体管的结构，只是金属与半导体晶片的某一“点”接触，故称之为“点接触晶体管”。 这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作困难等缺点。 * * * * * * * 世界上第一个晶体管 * 第一个结型晶体管 肖克利提出另一个新设想：在半导体的两个P区中间夹一个N区的结构就可以实现晶体管放大作用。 1950年，第一个“结型晶体管”试制成功。 这种晶体管是利用电子和空穴的作用原理制成，它是现代晶体管的雏型。 它克服了“点接触晶体管”的不稳定性，而且噪声低、功率大。 1956年，肖克利和巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理奖。 * 1.1.10 集成电路的出现 1950年，R. Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺； 1956年，S. Fuller发明了扩散工艺； 1960年，H. Loor和E. Castellani发明了光刻工艺； 1958年，德州仪器的基尔比发明了第一块用Ge材料制成的集成电路 1958年，仙童公司的诺伊斯发明了第一块用硅材料制成的集成电路 * * 第一块集成电路 1958年，第一块集成电路：12个器件，Ge晶片 TI公司Kilby ，2000年获Nobel奖 * 集成电路的意义 60年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展中的一次飞跃。 它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。 所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。 * 集成电路的种类 按功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类； 集成电路按其制作工艺不同，可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类； 按集成度高低不同，可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类。 * * * 集成度的概念 集成电路的集成度指单块芯片上所容纳的原件数目。集成度越高，容纳的原件数目越多。 小规模集成电路：集成度小于100个元件； 中规模集成电路MSI：集成度在100~1000个元件之间； 大规模集成电路LSI：集