半导体物理47132new

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1、绪论本门课的主要内容；与其他课程的关系；半导体科技发展简介；未来的发展趋势；教与学的方法。一、半导体科技发展简介（170多年）1.萌芽时期（1834～1931近100年时间）1834年，Faraday提出半导体判定条件：金属：半导体：绝缘体：半导体具有负的电阻温度系数，这一年成为该学科进入萌芽时期的标志。1873年，W.SmithSe光电导效应。1874年，F.BrawnPbS等矿石的整流作用。1879年，HallHall效应。表明半导体的导电机构与金属不同。直到20世纪30年代以前，虽然有些发现，但是不系统。2.理论形成和系统发展时期

2、（1931～1980近50年时间）1931年，Wilson提出能带论奠定了半导体理论的基础，解释了金属、半导体、绝缘体的本质区别。1949年，W.Shockley(晶体管之父)。p-n结,双极晶体管（BipolarTransistor）理论。1947年与J.Barden和W.H.Brattain发明点接触晶体管。为此获得诺贝尔物理学奖。标志现代半导体理论的形成，半导体科技进入系统发展时期。1957年，Kroemer异质结晶体管。半导体领域第二次获得诺贝尔物理学奖。1958年，Esak:隧道二极管第三次获得诺贝尔物理学奖。这一时期，所用的

3、半导体材料主要是锗。锗晶体管开创了第二代计算机（后来为硅管所取代）。3.集成化的微电子时期（1960～1980）1957硅晶体管实用化1960半导体平面工艺的出现，为IC的发明提供了技术支持。1962Noyce单片集成1970年，LSIC逻辑电路出现。该时期内，半导体行业得到了全面发展，主要有三个方向。(1)微型化(2)功率器件(3)敏感器件4.VLSIC的成熟阶段=IT业的快速发展时期（1980～2000）同时与其他学科结合出现了MEMS产业。一、面对未来的发展趋势1.从微型化的发展方面看：20年从60年代的几十微米至80年代1微米。

4、20年从80年代1微米至21世纪初30nm未来的器件会更多地考虑量子效应进入Nanoelectronics时代未来20年内很可能会达到几个nm的水平。2.系统集成方面看SOC向——传感+执行+嵌入式系统——方向发展MEMS（传感+执行+控制系统）向单片集成方向发展3.高频、大功率器件和换能器件（传感器、光电池、光电器件）三、教与学的方法1.调整心理。从认识论中寻找理解和领会现代物理的方法2.需要空中楼阁式的学习方法3.多下功夫（时间）第一章、半导体中的电子状态1.1能带论方法及重要结论简介能带论：利用量子力学的方法来确定晶体中的电子状态

5、和E～k关系，进而给出电子的运动规律。为解决晶体的电学、光学和磁学等方面的问题提供了理论基础，这样一门理论就是能带理论。此名称由来:该理论指出晶体中电子的能量，在某些区间（禁带）是不可能的，而在其他区间是准连续（允带）的，其示意图为带状由此得名。1.1.1势能分布场的近似化处理一定状态下的电子，其波函数所遵守的薛定谔方程为：严格说来每个电子所受的势能场作用均不同，所以晶体是复杂的多体问题，要想确定其电子状态，需解多元微分方程组，几乎是无法求解。因此采用两个近似方法，将其简化为单体问题。a.绝热近似：认为晶格振动对电子运动影响很小而略之，

6、就好象原子的整体运动和电子运动之间不交换能量，最后再把格波当作微扰来处理。（以声子散射的形式加以考虑）。因此，可以认为原子都固定在平衡位置，形成一个周期性势能场。b.单电子近似：研究一个电子的运动时，其他电子在晶体各处对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑。所以每个电子所受的这种作用可以认为是相同的，且是周期性的。结论：可以认为所有电子处在相同的以晶格矢量为周期的总势场中。这样只需要解一个微分方程即可。能带理论就是在这种假设前提下建立的。1.1.2能带论中几个重要结论的介绍i)布洛赫定理晶体中电子的波函数为调幅的平面

7、波，即（1-14）调幅函数为以晶格矢量为周期的函数。即为晶格矢量k是波矢ii)周期性边界条件要求，波矢量只能取如下值。其中L为立方晶体的边长。这说明k不是连续的。在k空间上只有特定的点才能成为电子的波矢，称为k的取值点。一个取值点也称为一个k状态，代表两个电子状态，可以容纳两个电子。iii)E(k)是k的单值周期性偶函数iv)满带不导电。1.1克隆尼克-潘纳模型与能带1.2.1简单一维晶体势场的模型即周期a=b+c的方波分布a）当时,(相当于自由电子情况)电子的能量E不受限制。b）当时，与无限深势阱中电子或单电子的情况相近，应该为分立能

8、级。模型结果c)当为有限值时，相当于晶体中电子的情况E与k的关系由模型所定的方程求得如图5-13E是k的单值周期性偶函数。E不连续，分为禁带和允带，且能量高的能带较宽。1.2.2原子能级分裂形成能带N个原子