半导体物理

半导体物理基本概念、发展及前沿刘金平华中师范大学纳米科技研究院半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来，半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展，而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉。极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。Differentkindsofsemiconductingdevices主要参考资料《半导体物理基础》，黄昆，韩汝琦；科学出版社。《半导体物理学》刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社《半导体物理与器件——基本原理》(第3版)(美)DonaldA.Neamen著Abriefhistoryof...Semiconductors，作者：TudorJenkins21世纪初微电子技术的新生长点及其发展趋势作者：彭英才主要内容半导体物理的基本概念半导体材料、物理及器件的发展历史半导体物理若干前沿应用领域基本概念载流子：半导体的导电与金属不同，存在两种载流子：电子和空穴。空穴：可以自由移动的缺位。掺杂：掺杂是控制半导体中载流子浓度，从而控制半导体导电性的重要手段。（1）施主掺杂施主杂质：杂质原子提供自由电子而本身变成带正电的离子。N型半导体：依靠电子导电的半导体。纯SiV主族元素掺杂（P,As,Sb,Bi）（2）受主掺杂纯SiIII主族元素掺杂（B,Al,Ga,In）受主杂质：杂质原子提供空穴而本身变成带负电的离子。P型半导体：依靠空穴导电的半导体。电导率：从微分欧姆定律中引出：描述半导体内各点电流强弱的不均匀性。j为通过单位横截面积的电流强度，称为电流密度。称为半导体的电导率。E为电场强度。jE电导率:欧姆-1•厘米-1（•cm-1）电阻率:欧姆•厘米（•cm）1迁移率：单位电场作用下的漂移速度。因此：n型半导体：p型半导体：vEjnqEEnq;npnqpq集体个体迁移率的意义：迁移率是反应半导体中载流子导电能力的重要参数。同样的掺杂浓度，迁移率越大，材料的电导率就越高。迁移率直接决定着载流子运动（漂移、扩散）的快慢，对半导体器件工作的速度有重要影响。电阻率是半导体单晶材料的主要技术指标。四探针法是目前检测硅单晶电阻率的主要方法。减除接触电阻的问题1、4探针间电流I；2、3探针间的电势差VVcIc是与样品几何参数和探针间距有关的系数。四探针法量子态和能级（原子）能级图：用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能量。量子态的能量只能取特定的值。在原子中，内层电子的能级都是被电子填满的。原子组成晶体后，与这些内层的能级相对于的能带也是被电子所填满的。在这些电子填满的能带中，能量最高的是价电子填充的能带，称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的带称为导带。能带（半导体）能带基础上的电子和空穴比如Si和Ge，构成共价键的电子就是填充价带的电子；电子摆脱共价键的过程，从能带上看，就是电子离开价带留下空的能级。摆脱束缚的电子到导带中需要的能量最小。电子从价带到导带的量子跃迁过程-------电子、空穴的产生！本征半导体半导体中没有杂质，而完全靠半导体本身提供载流子的半导体称为本征半导体（理想情况）。这种情况下，载流子的形成完全依靠电子-空穴对的产生，因此，每产生一个电子，就同时产生一个空穴，电子和空穴的浓度保持相等。费米能-电子填充能带的“水平”填充能带的水平类似于水箱中水面达到的高度。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。PN结PN结的正向注入（正偏压）,反向抽取（反偏压）。单向导电性！金属-半导体接触传统地，在半导体片上沉积一层金属而形成紧密的接触，称为金属-半导体接触。金属-半导体接触的伏安特性可以有两类典型：（i）具有单向导电性的金属-半导体接触，称为肖特基势垒二极管，简称SBD。图中1曲线.（ii）此时无论加正向还是反向电压，电流都随电压很快增大，称为欧姆接触。图中3曲线.半导体物理发展历程早期的理论准备能带理论尚未建立，也没有完整的理论体系来说明半导体的性质及实验中的现象。但这一时期，已有很多对半导体性质及应用的研究，正是在这些工作的基础上，半导体能带理论建立以后，半导体物理才得以在很短的时间内发展成为一个完整的理论体系。*1834年，法拉第用硫化银进行实验时，发现半导体的电阻能随着温度的上升而下降，而金属及其它一些不良导体不具有这种性质。*1873年到1874年，半导体研究有了两项进展。F.Braun利用类似于硫化铅和黄铁矿的物质观察到了整流现象。此后，对半导体的研究工作大量的开展。K.Lark-Horowitz写了一篇有关这方面早期工作的评论。*1879年霍尔(E.H.Hall)发现了霍尔效应：半导体电导的实验中发现垂直于磁场放置，并通有电流的半导体上会出现横向电压。1909年K.Baedeker,1914年J.KtSnigsberger对霍尔效应和已经发现的各种性质进行了研究。引领了接下来20年半导体实验和技术研究的热潮。能带理论的建立*1927年斯特拉特将波动力学应用到固体中，提出了能带模型初步设想。*德鲁德(P.Drude,1863-1906)和洛伦兹(H.A.Lorentz,1853-1928)分别在1900年和1905年提出用自由电子气模型来解释固体电导与热导之间的关系。洛伦兹*索末菲（A.Sommerfeld,1868-1957）1928年真正将量子力学应用到固体中解释电子运动，对金属电导进行了论述(平滑势场)。*1928年布洛赫（F.Bloch）提出了著名的布洛赫定理，成功说明了电子并不是被完全束缚在原子的周围，而是在整个晶体中做共有化运动(周期性势场)。*同年，布里渊（Brillouin）提出布里渊区的概念，后来他和布洛赫合作用E(k)-k的曲线图说明电子在周期势场中运动的特征，这使得人们对能带结构一目了然，有一个完整的认识。*1931年，威尔逊（W.H.Wilson（利用能带理论给半导体下了一个明确的定义，并阐明了导体、半导体和绝缘体的导电机理（电子在能带中填充情况和在外场下电子的状态）。能带理论的建立为半导体物理的发展(实际上也是为固体物理)莫定了理论基础。它的建立使得以前所做的半导体的研究工作，象整流理论、半导体的光电热现象、半导体在外场下的运动状态等工作统一起来，使得它们以后得以发展成为一个完整的理论体系。事实上，了解了半导体的能带，我们就可以了解半导体的电子态，从而进一步了解半导体的电学和光学特性。直至现在，半导体能带的计算、能带的人工调制等研究工作仍是半导体物理研究的重要组成部分。晶体管的发明（重要里程碑）1947年12月16日在贝尔实验室诞生了世界上第一个具有放大和功率增益性能的点接触晶体管。（1956年获得了诺贝尔物理奖）威廉.肖克莱(Williamshockley,1910-1989)约翰.巴丁(JohnBardeen,1908-1991)沃尔特.布拉顿(walterH.Brattain)半导体物理研究的展开*PN结的研究PN结制成的晶体管有很高的实用价值。实验研究的积累：1938年以前戴维道（B.Davidov）就曾讨论过半导体接触。并研究了其整流性质和光生伏特性质。1947年S.Benzer,1949年M.Becker和H.Y.Fan都对Ge的PN结作过某些测量。1947年，L.sosnowski、J.Starkiewicz和O.Simpson曾讨论过PN结的光生伏特效应和PbS薄膜的光电导特性。理论的突破：肖克莱（W.shockley）。1949年他在“theBellSystemTechnicalJournal”上发表了题为“TheTheoryofPNJunctioninsemiconductorandPNJunctionTransistors”的文章。肖克莱1955年G.G.G.Low等人曾更细致地研究了各种接触的现象。1958年对PN结的研究又出现了重大突破，在这一年.日本的固体物理学家江崎(L.Csaki)在PN结中发现了隧道效应并因此制成了隧道二极管。1960年IvarGiaever实验上给出了超导能隙存在的直接证据，这是超导微观理论的一个关键的预测。B.Josephson在1962年发表文章，预言了完全新的出人意料的超导现象。这个现象被称为Josephson效应。（以上三人获1973年度诺贝尔物理奖）*金属半导体接触理论（肖特基(W.Schottky)势垒）*半导体表面研究（从体内到体外。1932年塔姆(I.Y.Tamm，l895-1971)首先指出：晶格的不完全性使势场的周期性受到破坏，周期势在表面处发生中断，形成一个势垒，这个势垒对电子的运动产生束缚作用，使得晶体内部在禁带中产生附加的能级。）*非晶态半导体物理（从晶态到非晶态。安德森(P.W.Anderson)局域态理论；莫特（Mott）等非晶体的能带理论）*半导体超晶格（从自然向人工的转变。江崎(L.Esaki)和朱兆祥（R.Tsu）等；比如N型和P型两种半导体材料的交替成层制备。）*低维物理和量子霍尔效应由于量子阱在一个方向上限制了电子的运动，使得产生了许多新的量子效应，并且具有新的应用，这也引起了人们对低维物理的兴趣。量子霍尔效应的发现是低维物理发展中的一个重大事件。在人工微结构材料之中，薄层内电子被势垒限制在二维方向上运动，构成量子阱中的二维电子气。1980年由冯·克利青（KlausVonKlitzing）等人从金属-----氧化物-------半导体场效应晶体管的氧化物表面上发现了量子霍尔效应，获1985年的诺贝尔物理奖。之后，崔琦（DanialCheeTusi)和HorstL.Störmer发现了分数量子霍尔效应。这一发现使得崔琦和Störmer和后来对这一现象做出解释的劳林(RobertB.Laughlin)获得了1998年的诺贝尔物理奖。我国固体物理和半导体物理学科的先辈先贤2001年，获国家最高科学技术奖，瑞典皇家科学院院士，第三世界科学院院士美国工程院院士美国物理学会的Fellow，第三世界科学院院士黄昆的主要贡献：1945-1947年，在英国布列斯托（Bristol）大学物理系学习，获哲学博士学位；发表《稀固溶体的X光漫散射》论文，理论上预言黄散射。1948-1951年，任英国利物浦大学理论物理系博士后研究员，这期间建立了黄方程，提出了声子极化激元的概念，并与李爱扶（A.Rhys）建立了多声子跃迁理论。1947-1952年，与玻恩教授合著《晶格动力学》一书（英国牛津出版社，1954年）。回国后，致力于凝聚态物理科学研究和教育，以勤奋、严谨、严于律已和诲人不倦而著称，培养了一大批中国物理学家和半导体技术专家。半导体物理领域若干前沿新材料的出现和新效应的产生为新器件的设计开辟了广阔的道路。超高速逻辑器件、高性能光电子器件及其集成电路系统代表了当今器件发展的趋势，小型化、功能化和量子化显示了器件发展的新特点。如今，采用各种纳米结构，设计和制作纳米量子器件已经成为半导体科学技术中最为活跃的前沿领域。单电子器件与电路基于库仑阻塞和单电子隧穿的单电子器件，是纳米量子器件研究的主攻方向，它是克服集成电路物理极限和工艺极限的一条重要途径。纳米光电子器件光探测器激光器发光二级管单根纳米线太阳能电池基于半导体的纳米发电机石墨烯晶体管*半导体业著名的摩尔定律：在同样芯片价格水平上，每过18-24个月，集成电路单位面积上可容纳的晶体管数目便会增加一倍。*硅晶体管技术的加工极限是10纳米线宽。人们普遍认为，10年之后以硅为核心的传统微电子器件将面临无法避免的困境，摩尔定律将很难继续有效。石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中