半导体物理微电子与固体电子学院
● 能带结构
● 半导体中的缺陷
● 载流子在电磁场中的运动
● 半导体中的载流子的计算
● 非平衡载流子
● 半导体的接触本课程主要内容主要参考书
● 刘恩科：半导体物理学
●叶良修：半导体物理学
● Robert F.Pierret,Semiconductor Device
Fundamentals(Part1)
● Donald A.Neamen,Semiconductor Physics
and Devices
前言
● 什么是半导体
●半导体的分类
●半导体的地位
●半导体的发展一、什么是半导体？
固体材料可分成：超导体、导体、
半导体、绝缘体从导电性（电阻）：
电阻率 ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数 → 半导体
● 电阻率导体,ρ＜ 10-4Ωcm 例如,ρCu=10-6Ωcm
半导体,10-3Ωcm＜ ρ＜ 108Ωcm ρGe=0.2Ωcm
绝缘体,ρ＞ 108Ωcm
T
R
半导体绝缘体
● 电阻温度系数二、半导体材料的分类按功能和应用分微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体
∶
∶
按组成分：
无机半导体：元素、化合物有机半导体按结构分,
晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形
1.无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导体及固溶体半导体。
(1)元素半导体晶体
Si,Ge,Se 等元素化合物半导体
Ⅲ -Ⅴ 族
Ⅱ -Ⅵ 族金属氧化物Ⅳ -Ⅵ 族
Ⅴ -Ⅵ 族
Ⅳ -Ⅳ 族
InP,GaN、
GaAs,InSb、
InAs
CdS,CdTe、
CdSe、
ZnS
SiC
GeS,SnTe、
GeSe,PbS、
PbTe
AsSe3,AsTe3、
AsS3,SbS3
CuO2,ZnO、
SnO2
(2)化合物半导体及固溶体半导体
(1)非晶 Si、非晶 Ge以及非晶 Te,Se元素半导体
(2)化合物有 GeTe,As2Te3,Se4Te,Se2As3、
As2SeTe非晶半导体
2.非晶态半导体有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。
酞菁类及一些多环、稠环化合物，
聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，
他们都具有大 π键结构。
3.有机半导体三、半导体材料的地位国民经济 国家安全科学技术半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、
大容量信息处理、
空间防御、电子对抗、武器装备的微型化、智能化四、半导体的发展萌芽期成长期 成熟期 衰退期第一个点接触式的 晶体管 (transistor)
成为现代电子工业的基础
Ge 晶体管获 1956年诺贝尔物理奖分子束外延 MBE 金属有机化学汽相沉积 MOCVD
半导体超晶格、量子阱材料杂质工程 能带工程电学特性和光学特性可裁剪几种主要半导体的发展现状与趋势
● 硅增大直拉硅（ CZ-Si）单晶的直径仍是今后 CZ-Si发展的总趋势。
● GaAs和 InP单晶
● 世界 GaAs单晶的总年产量已超过 200
吨 （ 日本 1999年的 GaAs单晶的生产量为
94吨,InP为 27吨 ）,其中以低位错密度生长的 2～ 3英寸的导电 GaAs衬底材料为主 。
InP具有比 GaAs 更优越的高频性能,
发展的速度更快；但不幸的是,研制直径 3英寸以上大直径的 InP单晶的关键技术尚未完全突破,价格居高不下 。
● 半导体超晶格、量子阱
III-V族超晶格、量子阱材料
GaAlAs/GaAs,GaInAs/GaAs，
AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP,AlInAs/InP，
InGaAsP/InP等 GaAs,InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。
GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景,而成为目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 。 Si/GeSi
MOSFET 的最高截止频率已达 200GHz，
噪音在 10GHz下为 0.9dB,其性能可与
GaAs器件相媲美 。
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础 。
● 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 II-VI族硫,锡碲化物,氧化物 （ ZnO等 ） 及固溶体等,特别是 SiC,GaN 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 。
● 能带结构
● 半导体中的缺陷
● 载流子在电磁场中的运动
● 半导体中的载流子的计算
● 非平衡载流子
● 半导体的接触本课程主要内容主要参考书
● 刘恩科：半导体物理学
●叶良修：半导体物理学
● Robert F.Pierret,Semiconductor Device
Fundamentals(Part1)
● Donald A.Neamen,Semiconductor Physics
and Devices
前言
● 什么是半导体
●半导体的分类
●半导体的地位
●半导体的发展一、什么是半导体？
固体材料可分成：超导体、导体、
半导体、绝缘体从导电性（电阻）：
电阻率 ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数 → 半导体
● 电阻率导体,ρ＜ 10-4Ωcm 例如,ρCu=10-6Ωcm
半导体,10-3Ωcm＜ ρ＜ 108Ωcm ρGe=0.2Ωcm
绝缘体,ρ＞ 108Ωcm
T
R
半导体绝缘体
● 电阻温度系数二、半导体材料的分类按功能和应用分微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体
∶
∶
按组成分：
无机半导体：元素、化合物有机半导体按结构分,
晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形
1.无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导体及固溶体半导体。
(1)元素半导体晶体
Si,Ge,Se 等元素化合物半导体
Ⅲ -Ⅴ 族
Ⅱ -Ⅵ 族金属氧化物Ⅳ -Ⅵ 族
Ⅴ -Ⅵ 族
Ⅳ -Ⅳ 族
InP,GaN、
GaAs,InSb、
InAs
CdS,CdTe、
CdSe、
ZnS
SiC
GeS,SnTe、
GeSe,PbS、
PbTe
AsSe3,AsTe3、
AsS3,SbS3
CuO2,ZnO、
SnO2
(2)化合物半导体及固溶体半导体
(1)非晶 Si、非晶 Ge以及非晶 Te,Se元素半导体
(2)化合物有 GeTe,As2Te3,Se4Te,Se2As3、
As2SeTe非晶半导体
2.非晶态半导体有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。
酞菁类及一些多环、稠环化合物，
聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，
他们都具有大 π键结构。
3.有机半导体三、半导体材料的地位国民经济 国家安全科学技术半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、
大容量信息处理、
空间防御、电子对抗、武器装备的微型化、智能化四、半导体的发展萌芽期成长期 成熟期 衰退期第一个点接触式的 晶体管 (transistor)
成为现代电子工业的基础
Ge 晶体管获 1956年诺贝尔物理奖分子束外延 MBE 金属有机化学汽相沉积 MOCVD
半导体超晶格、量子阱材料杂质工程 能带工程电学特性和光学特性可裁剪几种主要半导体的发展现状与趋势
● 硅增大直拉硅（ CZ-Si）单晶的直径仍是今后 CZ-Si发展的总趋势。
● GaAs和 InP单晶
● 世界 GaAs单晶的总年产量已超过 200
吨 （ 日本 1999年的 GaAs单晶的生产量为
94吨,InP为 27吨 ）,其中以低位错密度生长的 2～ 3英寸的导电 GaAs衬底材料为主 。
InP具有比 GaAs 更优越的高频性能,
发展的速度更快；但不幸的是,研制直径 3英寸以上大直径的 InP单晶的关键技术尚未完全突破,价格居高不下 。
● 半导体超晶格、量子阱
III-V族超晶格、量子阱材料
GaAlAs/GaAs,GaInAs/GaAs，
AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP,AlInAs/InP，
InGaAsP/InP等 GaAs,InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。
GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景,而成为目 前 硅 基 材 料 研 究 的 主 流 。 Si/GeSi
MOSFET 的最高截止频率已达 200GHz，
噪音在 10GHz下为 0.9dB,其性能可与
GaAs器件相媲美 。
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础 。
● 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 II-VI族硫,锡碲化物,氧化物 （ ZnO等 ） 及固溶体等,特别是 SiC,GaN 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 。
