晶面：通过格点做的平面。
密勒指数：某一晶面在晶格坐标轴上的截距的倒数可以 化为互质的整数hkl来表示晶面的取向，称为密勒指 数。用符号（hkl）来表述晶面。
2c
4a
3b
(1 , 1 , 1) = (3,4,6) 432
（a) (1 0 0) (b) (1 1 0) (c) (1 1 1)
立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶 格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统 称这些等效晶面时，写成{100}，同理等效对角面 {110}，等效顶对角面{111}。
面密度 = 2个等效原子 = 5.66x1014个原子 / cm2 a⋅a⋅ 2
(1 1 0)平面
总结：
重要知识点： 晶胞，原胞及其区别 晶格常数 晶面与密勒指数 晶列与晶向指数 基本要求： 掌握三种简单晶格结构的特征。 会计算原子体密度和面密度。 会使用密勒指数和晶向指数标示和识别晶面和晶向。
砷化镓GaAs,磷化铟InP
第三代：宽禁带半导体 最新研究热点
氮化镓GaN、碳化硅SiC 石墨烯graphene
半导体定义与分类
固体半导体分类：
按固体内部 原子
排列结构
非晶体： 基本无序
多晶体：
长程无序，
短程有序
单晶体：
长程有序
（a）非晶体：基本无序，仅在几个原子尺度（纳米级）内有序
（b）多晶体：短程有序，长程无序，在多个原子尺度（微米级）具 有几何周期性形成晶粒，晶粒之间是无序的
3维晶体管
三维异质整合
硅化物技术 高迁移率应变硅
空气桥
晶圆焊接和布图转移
2 nm 自组装
纳米管
分子器件
低K介质绝缘层
FD SOI CMOS
纳米级化学 纳米器件的连接与互连 机械抛光
2005
硅纳米技术
微电子
微纳电子
总结
一、半导体是一个充满活力而有广泛用途和 前途的领域，在学术界和工业界均大有可 为。
a=5x108cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供 八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个 等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
体密度 =（25个x1原0−8子）3 = 1.6x1022个原子 / cm3
晶面和密勒指数
半导体器件总是做在半导体的某个表面上，我们可以用 晶格描述这些面。
对左图，a，b，c为晶胞基矢； a1，a2，a3为原胞基矢。
基矢的坐标轴即为晶轴
基本的晶体结构
根据原胞或晶胞的结构，所有晶体的结构可归结为 14种晶格结构。主要的半导体材料晶格结构可归结 为三种基本结构：简单立方，体心立方，面心立方
ar
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格常数为a
练习题
例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为
因为晶胞的选择可以更灵活，很多时候用晶胞比用原胞更 方便。
在结晶学中常采用晶胞，称为结晶学原胞，考虑周期性和 对称性
在固体物理学的研究中常采用原胞，称为固体物理学原 胞。仅考虑周期性。
基矢
基矢：三个相互独立的边矢量，用于确定原胞 （晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周 期排列构成晶格，因此，基矢的大小又称为晶格 常数。
（c）单晶体：长程有序，整体范围（毫米级）内具有几何周期性， 结构均匀对称，具有良好的电子特性，目前应用最广研究最多的半导 体材料均为固体单晶。
绪论
半导体简介 固体晶格结构
晶格
一个典型的单元或原子团在三维的每一 个方向上按某种间隔规则重复排列就形 成了单晶体。
为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒 子（单元或原子团）（基元）抽象为一 个点，这个抽象出的点称为格点。
1947年由肖克利和他 的两助手布拉顿、巴丁 在贝尔实验室工作时发 明的点接触式晶体管。 1956年为此获诺贝尔 物理学奖
基尔比于1958年发 明了世界上第一块 集成电路，并于 2000年获得诺贝尔 物理学奖
2010年诺贝尔物理奖授予英国曼彻斯特大学科学 家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，他们发现 了一种新型半导体材料：石墨烯
低频电子线路 高频电子线路 数字电子线路
电路理论基础
集成电路 制造工艺
器件物理
集成电路 版图
固
体 物 理 等
半 导 体 物
理
下
层
为
量
子
Hale Waihona Puke 力学半导体物理
，
半导体物理是集成电路设计 专业的专业基础课，偏重理 论和物理。
课程学习内容
绪论（2） 半导体晶格结构与电子状态(12) 半导体中的杂质和缺陷能级(2) 半导体中载流子的统计分布(12)
二、集成电路技术和工具将不断革新，而半 导体基本理论将长期有效，它是技术创新和 学术研究的源泉，在专业学习中要树立理工 结合的观念和意识。
三、各大研究生院微电子、集成电路设计、 固体电子专业、光电子专业的主要考研科目 之一
课程特点与学习目标
课程特点 理论性强。 知识内容广，需要一定的量子力学，固体物理基础， 概念、术语多，需要公式推导 理论与工程相结合，定性与定量相结合。
学习目标、要求、建议 课堂上边思考、边听课、边学习，掌握基本物理概 念，模型，领会相关的物理意义，学会基本的推导和 计算。 课后自修，独立完成课后作业习题， 提倡问答式学习，讨论式学习。
绪论
半导体简介 固体晶格结构
半导体定义与分类
半导体基本特征：
导电性介于金属和绝缘体之间,根据掺杂不同，电阻率 可在很大范围内变化，具有两种导电类型。
用< h k l >表示时，代表所有的等效晶向
本节练习题
简立方的原子体密度是3x1022cm-3.假定原子是刚 球并与最近相邻原子相切。确定晶格常数和原子半 径。
a r
3x1022
=
1个等效原子
→
a
=
o
3.22 A
a3
r
=
a
=
3.22
o
= 1.61A
22
本节练习题
某一体心立方结构的晶格常数是5Å。计算 (1 1 0)平面的原子面密度。
温度
晶体管及集成电路
图像传感器、激光器等光电子器件 气敏传感器 压力传感器 霍尔传感器 重力传感器
半导体分类
固体半导体分类：
按组分
无机半导体
有机半导体
元素半导体 化合物半导体
半导体定义与分类
无机半导体种类：
半导体材料革新代系：
第一代：元素半导体
硅Si、锗Ge、
第二代：化合物半导体
电话，电视，MP3
汽车电子
工业控制，节能环保，物联网
事实上半导体产业是一个巨大的产业，除了集成 电路产业外，还包括分立器件、光电子器件等， 半导体物理是从事半导体产业工作的基础必备知 识
自1956年以来半 导体物理相关的诺 贝尔奖多达8项
每年发表在IEEE顶 级期刊的半导体理 论与技术论文达数 千篇
晶列和晶向指数
晶体总是按某一个方向生长，而且晶体在不同的 方向上具有不同的生长和被腐蚀速度。
晶列：任意两个格点的连线称为晶列。 晶向指数：在坐标系中晶列的方向用晶向指数表
示，它们是该晶列对应的矢量的分量。用[hkl]表 述
[1 1 1]
等效晶向
所有立方边方向等效
所有面对角线方向等效 所有体对角线方向等效
具预测可用 来发展出更薄、 导电速度更快的 新一代电子元件 或晶体管，具有 替代硅材料的可 能。
集成电路的革新有赖于半导体新材料、新器件、 新工艺的创新。
MOS
90nm 65nm 45nm
铜线
金属栅
高数值孔径的193nm光刻
193nm浸渍
体硅CMOS
氮氧化物栅氧化层 高k介质栅
15nm
技术特征 (Add on’s)
A,B,C,D中为 原胞的是？
A和B
b4 D a4
b1 A a1
b3 C
a3 b2 B
a2
二维晶格中的几种不同的晶胞选取
原胞与晶胞的区别
原胞的格点在原胞的顶角上，内部 和面上不含其它格点。原胞的选择 只考虑晶体的周期性，原胞的边一 般是非正交的。
晶胞的格点可以在顶角上，也可在 其内部和面上，晶胞除了考虑晶体 的周期性外，还可根据晶胞的特殊 对称性来选取。晶胞的边可以选择 正交的边。
《半导体物理问题与习题》：田敬民等。 《半导体物理课程辅导教案》：郝修田。
考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试 （闭卷）70%
课程性质

工
艺 器 件 版 图 ， 电 子 线 路 等
半 导 体 物 理 上 层 为 集 成 电
路
信号与系统、通信系统原理等系统级课程
半导体集成电路
纯净半导体为负温度系数 具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率
会变化，即产生所谓光电导 气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影
响
导体： 10-6Ωcm< ρ＜10-4Ωcm
电阻
ρCu:10-6Ωcm
半导体：10-4Ωcm＜ρ＜1010Ωcm ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞1010Ωcm
半导体导电特性(8) 非平衡载流子(8)
p-n结（10） 金属和半导体的接触（8）
异质结（2）
课程学习意义
半导体是集成电路等新型器件的载体，2008年半导体产业产值达 2486.03亿美元，带动整个电子信息技术成为当今第一大产业。
电子计算机 个人通信手机
微电子
尖端武器