半导体器件物理ppt

现代半导体器件物理天津工业大学简介1现代半导体器件物理第一章简介PhysicsofModernSemiconductorDevices现代半导体器件物理天津工业大学简介2课程概况课程名：现代半导体器件物理学时：32时间：秋季学期5-21周授课方式：讲授+自学+课后作业+小型科技论文考核比例：总分（100）=考勤（10）+作业（10）+小型科技论文（10）+最后闭卷考试（70）现代半导体器件物理天津工业大学简介3学习目标掌握半导体器件物理的基本理论第1章：了解半导体器件的过去、现状和未来第2、3章：掌握半导体器件基本特性和传导过程第4~9章：讨论所有主要半导体器件的物理过程和特性现代半导体器件物理天津工业大学简介4教材和参考资料半导体器件物理与工艺(第二版)施敏苏州大学出版社现代半导体器件物理施敏科学出版社半导体物理学刘恩科电子工业出版社半导体器件物理基础(第二版)曾树荣北京大学出版社微电子学概论张兴北京大学出版社固体物理黄昆高等教育出版社以及其他的papers、conferences、handouts现代半导体器件物理天津工业大学简介5半导体器件物理研究什么？研究半导体器件中电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工程“(构造特定形状的势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求。以及在不同器件结构下，研究其不同方面的电性能和光性能。现代半导体器件物理天津工业大学简介6为什么要学习该课程？身为一个电子工程、电机工程、应用物理或材料科学领域的学生，你可能会自问:为什么要学习这门课程？？？？？？？？现代半导体器件物理天津工业大学简介7科学技术与人类社会的发展内容农业社会工业社会信息社会技术特证手工机械电气电子信息开始时间6000年前１８世纪中１９世纪中２０世纪初２0世纪40年代生产手段手工工具蒸汽机电机电子技术计算机系统代表学科天文学热力学电磁学电子学信息科学劳动性质劳动密集资本密集资本与技术密集技术与资本密集知识密集主导产业粮食机械汽车电子工业高科技产业生产方式小农分散式大规模、集中式、标准化、耗能多、更新慢多样化，更新快主要资源动、植物矿产、燃料、木材等电子科学技术信息科学技术说明人类历史自6000年前开始1774瓦特1831电机1872发电机1895电磁波通信1921广播电台1946计算机1948晶体管1957卫星现代半导体器件物理天津工业大学简介8信息产业特点材料:石器，铜器，铁器半导体材料资源:土地，灌溉，矿藏半导体器件及人才信息产业周期：缩短知识更新：加快现代半导体器件物理天津工业大学简介9半导体工业的核心集成电路【IntegratedCircuit：IC】通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂的电子系统。现代半导体器件物理天津工业大学简介10IC的战略地位集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%。日本经济学家认为，谁控制了超大规模集成电路技术，谁就控制了世界经济。英国人认为，如果哪个国家不掌握半导体技术，则哪个国家就立即加入了不发达国家行列。现代半导体器件物理天津工业大学简介11据美国半导体协会（SIA）预测电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备6-8万亿美元集成电路产值1万亿美元GDP≈50万亿美元2012年现代半导体器件物理天津工业大学简介12世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE商业部）现代半导体器件物理天津工业大学简介13两个列子1985-1990年间世界半导体商品市场份额日本公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均IC产值年增长率人均电子工业年增长率人均GDP年增长率日本美国日本美国日本美国2.2%1.1%0.1%80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。现代半导体器件物理天津工业大学简介1490年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。1990199219941996199820001416182022242628303234363840日日日日日日日日市场变化—日本市场缩减—市场份额现代半导体器件物理天津工业大学简介15中国台湾地区60年代后期人均GDP—200-300美元（1967年为267美元）70-80年代大力发展集成电路产业90年代IT业高速发展97年人均GDP=13559美元现代半导体器件物理天津工业大学简介16中国IT企业与Intel公司利润的比较销售额利润利润率Intel公司294亿美元73亿美元24.8%我国中关村一家很著名的以计算机销售生产为主的IT企业200亿人民币5亿人民币2.5%我国的VCD产业2%同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。现代半导体器件物理天津工业大学简介17半导体器件的重要性1.半导体器件是世界上规模最大的电子工业的基础。1998年以来，全球电子工业销售量超过1万亿美元，产品遍及生活方方面面。拉动国民经济发展，提高人民生活水平。2.半导体器件物理是开展电子学领域知识学习的基础。半导体器件物理为集成电路提供了基础知识，是半导体工业的发展平台。要更深入了解电子学的相关课程，拥有半导体器件最基本的知识是必要的。1980－2010年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量15%9%3%对GDP的贡献率钢材1汽车5电视10计算机1000集成电路2000现代半导体器件物理天津工业大学简介183.促进传统产业技术改造几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用IC芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春；全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的36%，仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电659亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)；半导体照明工程对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)。......其它成功案例不胜枚举!!!小结：是信息科学的基石；是国家经济实力的重要标志；是优化传统产业的动力源泉。（能否回答疑问？）现代半导体器件物理天津工业大学简介19器件的基础结构人类研究半导体器件已经超过135年，迄今大约有60多种主要的器件以及上百种和主要器件相关的变异器件。但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。金属-半导体用来做整流接触、欧姆接触；利用整流接触当作栅极、欧姆接触作漏极(drain)和源极(source)。形成MESFET。p-n结是半导体器件的关键基础结构，其理论是半导体器件物理的基础。可以形成p-n-p、n-p-n双极型晶体管，形成p-n-p-n结构的可控硅器件。现代半导体器件物理天津工业大学简介20异质结是快速器件和光电器件的关键构成要素。用MOS结构当作栅极，再用两个p-n结分别当作漏极和源极，就可以制作出MOSFET。现代半导体器件物理天津工业大学简介21晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。为人类社会拉开步入电子时代的序幕，涉及生活、生产甚至战争等方方面面。获得1956年Nobel物理奖现代半导体器件物理天津工业大学简介22集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以（德州仪器公司）TI的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。Intle公司德诺宜斯（RobertNoyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)获得2000年Nobel物理奖现代半导体器件物理天津工业大学简介23其他的重要里程碑布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿，copperpyrite)接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。在1907年，朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管，light-emittingdiode，LED)，观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时，晶体会发出淡黄色的光。1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件—可控硅器件(thyristor)提出了一个基本的模型。以硅p-n结制成的太阳能电池(solarcell)则在1954年被阕平(Chapin)等人发明。太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能。1957年，克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunctionbipolartransistor，HBT)来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。现代半导体器件物理天津工业大学简介24其他的重要里程碑（续）1958年江崎(Esaki)则观察到重掺杂(heavilydoped)的p-n结具有负电阻的特性，此发现促成了隧道二极管(tunneldiode，或穿透二极管)的问世．隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunnelingphenomenon，或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)发明的MOSFET，是先进集成电路最重要的器件。1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(laser)。1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructurelaser)，奠定了现代激光二极管的基础，使激光可以在室温下连续工作。激光二极管后来被广泛应用到数字光碟、光纤通信、激光影印和监测空气污染等方面。现代半导体器件物理天津工业大学简介25其他的重要里程碑（续）1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electrondiode，TED)，又称为冈二极管(Gunndiode)，被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。姜士敦(Johnston)等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATTdiode）,是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波（continuouswave,CW）功率器件。1966年由密德（Mead）发明金半场效应晶体管（MESFET），并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC）的关键器件。三种重要的微波器件相继被发明制造出来：现代半导体器件物理天津工业大学简介26其他的重要里程碑（续）1967年姜(Kahng)和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatilesemiconductormemory，NVSM)，可以在电源关掉以后，仍然保持其储存的信息。成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)发明电荷耦合器件(charge-coupleddevice，CCD)它被大量地用于手提式摄像机(videcamera)和光检测系统上。1974年张立纲等发明了共振式隧道二极管(resonanttunnelingdiode，RTD)，它是大部分量子效应(quantum-effect)器件的基础．量子效应器件因为