n型和p型半导体 态密度和载流子密度
电子材料工学-半导体材料
29
本征半导体
一个半导体如果没有杂质和缺陷，它就是本征的。 个半导体如果没有杂质和缺陷，它就是本征的。
Si Si Si
Si Si SiSi Si 来自iEgEc Ev
T=0 K
电子材料工学-半导体材料 30
电子空穴对
自由电子
电子 Ec Eg Ev
太阳能发电站 太 能发
/id/15413317/
超薄显示器 Sony OLED
/393667/sonys-howard-stringer-tounveil-new-03mm+thick-oled-displays-today
13
提纲
半导体基本概念和历史发展 能带概念 能带概 本征和非本征半导体的性质
电子材料工学-半导体材料
14
氢原子模型
m0 q 4 13.6 2 eV En 2 8( 0 nh) n
+
n=1 n=2 n=3 3
Electron Binding Energy En 电子结合能 m0 自由电子质量 q 电子电荷大小 0 介电常数 h 普朗克常数 量子数 n 主量子数
1023个3s 原子轨道
硅晶体
电子材料工学-半导体材料 25
能带结构(0 K)
导带 导带
禁带能隙 Eg 禁带能隙 Eg
导带 价带
价带
价带
绝缘体 Eg>5 eV
半导体 Eg~1 eV
金属
电子材料工学-半导体材料
26
禁带能隙
晶 体 BaTiO3 C(金刚石) Si SiO2 PbS PbSe PbTe Cu2O Fe2O3 AgI KCl MgO Al2O3 Eg(eV) 2.5~3.2 5.2~5.6 11 1.1 2.8~3 0.35 0.27~0.5 0.25~0.30 2.1 3.1 2.8 7 >7.8 >8 晶 体 TiO2 CaF2 PN CdO LiF Ga2O3 CoO GaP CdS GaAs ZnSe Te Al2O3 Eg(eV) 3.05~3.8 12 48 4.8 2.1 12 4.6 4 2.25 2.42 1.4 2.6 1.45 2.5
15
氢原子模型 （Ni l Bohr) （Niels B h )
电子材料工学-半导体材料
原子的电子层结构
n=1 l=0 1s 原子数/元素 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 1 2 1 2 2 2 helium core 2 2 electrons 2 2 2 2 0 1 2s 2p 电子数 3 0 1 2 3s 3p 3d 4 0 1 4s 4p 符号 1s1 1s2 1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2 1s22s22p3 1s22s22p4 1s22s22p5 1s22s22p6 1 2 2 2 2 2 2 2 3s1 3s2 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 3s23p6
ITRS 2007
International Technology Roadmap for Semiconductor
h // /Links/2007ITRS/ExecSum2007.pdf i / i k /200 S/ S 200 df
电子材料工学-半导体材料
N个独立Si原子
电子 能量
N个Si构成晶体
电子 能量
4N个能态（导带）
E
绝大多数空
p s n=3
6N个能态上有2N电子
2N个能态上有2N电子
4N个能态（价带）
Eg
EC EV
绝大多数满
电子 6N个能态上有2N电子 能量 p s
2N个能态上有2N电子
4N个能态上 有0个电子
2N+2N个被电子占据的能态
独立Si原子
22
Li分子
能量 反*键状态
原子处于 2s状态 键状态 Li分子的形成
原子处于 2s状态
原子轨道重叠导致了在锂中形成键和反键。
电子材料工学-半导体材料 23
硅sp3杂化
sp3杂化后的成键和反键轨道
电子材料工学-半导体材料 24
硅
31023个3p 原子轨道
空带 41023个sp3 杂化轨道 21023 sp3个反 键轨道 满带 21023 sp3个成 键轨道
“Ueber Halbleiter sollte man nicht arbeiten, das ist eine Schweinerei, wer weiss, ob es uberhaupt Halbleiterg ibt” (1931) 翻译: “On “O semiconductors i d one should h ld not do any work, that’s a mess, who knows whether there are semiconductors at all”
电子材料工学-半导体材料
11
摩尔法则和ITRS
Moore s Law from Moore's 1970 - 2005 (Intel)
/pressroom/kits/events/moores_law_ 40th/index.htm?iid=tech_mooreslaw+body_presskit
h // /semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html hi / i d / i li / i h l
Intel 22nm SRAM test chip h ( (2009. 9) ) 29亿个晶体管
htt //bl /idf/ i t l /idf/
/history/transistor-1947.html
第一个晶体管的复制品
/moores-law1.htm
电子材料工学-半导体材料
10
集成电路
20世纪60年代第一个平面 集成电路(1960-1961) 4个晶体管
1 2 3 4 5 6
n 主量子数 l 角量子数 m 磁量子数 ms 自旋量子数
neon core 10 electrons
1 2 3 4 5 6
[Ne]
能量最低 原理和泡 利不相容 原理
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原子轨道
电子材料工学-半导体材料
17
单个Si原子
+14
n=1 2e n=2 8e 3s
电子材料工学-半导体材料
4
基本特征
基本特性（非绝对） 材料中有两类载流子：电子和空穴 光照、掺杂等外界条件很容易改变其电性质 光照 掺杂等外界条件很容易改变其电性质 电导率随温度上升而上升，电阻率反之 金属的电阻率随温度升高而(升高/降低)？为什么?
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半导体材料分类
按功用
Si Si Si
Si Si Si
空穴
Si Si Si T>0 K
半导体材料
课时 三周 课时：三周 讲师：李亮亮 参考书： 参考书
1. 半导体器件基础，B. L. Anderson等著，邓宁等译，清华大学出版社， 2007 2. 半导体器件物理基础，曾树荣著，北京大学出版社，2007 3. 半导体材料，邓志杰等著，化学工业出版社， 半导体材料，邓志杰等著，化学工业出版社，2004 00 4. 半导体材料，杨树人等著，科学出版社，2004 5. Semiconductor Physics and Devices, D. A. Neamen, 清华大学出版 社影印，2003 6. Semiconductor Device Fundamentals, R. F. Pierret, AddisonWesley Publishing Company Company, Inc Inc., 1996
电子材料工学-半导体材料
7
Ag2S半导体性质的争论
Ag2S 的电阻率随温度 升高而降低 (1833)
Michael Faraday
？
Johann W. Hittorf 1841 Straints 1902
？
Juband 1920 Carl Wagner 1933
电子材料工学-半导体材料
8
对半导体的预见
Alessandro Volta
“Semiconductor” (1911)
J. Weiss Johann Koenigsberger J. Koenigsberger的博士生
Georg g busch, , “Early y history y chemistry y of the physics p y of semiconductors - from douts to facts in a hundred years”, Eur. J. Phys., 1989
电子材料工学-半导体材料
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第 部分小结 第一部分小结

半导体的三个基本特性
材料中有两类载流子 电子和空穴 材料中有两类载流子：电子和空穴 光照、掺杂等外界条件很容易改变其电性质 电导率随温度上升而上升，电阻率反之

能带的概念和能级分裂
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提纲 半导体基本概念和历史发展 能带概念 本征和非本征半导体的性质
12
视频
/HTMAC/animated.html p pp htt // /v_show/id_XODIwMzkzOTI=.html k / h /id XODI M k OTI ht l
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