固态电子论绪论.pptx

绪 论1绪绪 论论一、课程安排一、课程安排二、课程内容、和其他课程的关系二、课程内容、和其他课程的关系三、固态电子论发展历程三、固态电子论发展历程四、课程特点、四、课程特点、“教教”“学学”方法方法五、教材与参考书目五、教材与参考书目绪 论2一、课程安排一、课程安排n n内容：含内容：含固体物理学固体物理学和和半导体物理半导体物理学学两部分两部分n n性质：专业基础课，本专业的核心课程性质：专业基础课，本专业的核心课程n n学时：共学时：共100学时，课堂讲授学时，课堂讲授80学时，实验学时，实验20学时学时n n学分：学分：5.5学分学分n n考核：平时占考核：平时占40%；期末闭卷考试占；期末闭卷考试占60%绪 论3二、课程内容及与其他课程的关系二、课程内容及与其他课程的关系第一部分第一部分 固体物理基础知识固体物理基础知识1 1 晶体的结构晶体的结构晶体的结构晶体的结构2 2 晶体的结合晶体的结合晶体的结合晶体的结合3 3 晶格振动晶格振动晶格振动晶格振动4 4 晶体中的缺陷晶体中的缺陷晶体中的缺陷晶体中的缺陷5 5 能带论能带论能带论能带论绪 论4第二部分第二部分 半导体物理学半导体物理学1 1 半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4 4 半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性5 5 非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子6 PN6 PN结结结结7 7 金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和半导体的接触8 8 半导体表面与半导体表面与半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构结构结构9 9 异质结异质结异质结异质结10 10 半导体的光学性质和光电与发光现象半导体的光学性质和光电与发光现象半导体的光学性质和光电与发光现象半导体的光学性质和光电与发光现象绪 论5量子力学量子力学统计物理学统计物理学固体物理学固体物理学半导体物理学半导体物理学半导体工艺半导体工艺半导体器件半导体器件半导体材料半导体材料集成电路集成电路电子信息系统电子信息系统绪 论6三、固态电子论发展历程三、固态电子论发展历程（一）固体物理学（一）固体物理学固体材料固体材料固体材料固体材料晶体：原子排列有周期性，晶体：原子排列有周期性，晶体：原子排列有周期性，晶体：原子排列有周期性，“长程有序长程有序长程有序长程有序”非晶体：长程无序非晶体：长程无序非晶体：长程无序非晶体：长程无序准晶体：准晶体：准晶体：准晶体：19841984年发现，无平移周期性但年发现，无平移周期性但年发现，无平移周期性但年发现，无平移周期性但 有位置序有位置序有位置序有位置序研究对象：固体的结构及组成粒子间相互作用与运研究对象：固体的结构及组成粒子间相互作用与运研究对象：固体的结构及组成粒子间相互作用与运研究对象：固体的结构及组成粒子间相互作用与运 动规律动规律动规律动规律绪 论7固体物理学的发展历程：固体物理学的发展历程：n十七世纪，从对晶体外廓十七世纪，从对晶体外廓“规则形状规则形状”的认识；的认识；到惠更斯到惠更斯(Huygens)用用椭球堆积模型椭球堆积模型解释方解石解释方解石的双折射性质和解理面。的双折射性质和解理面。n十八世纪：阿羽依十八世纪：阿羽依(Hay)提出方解石是由坚实的、提出方解石是由坚实的、平行六面形的小平行六面形的小“基石基石”规则堆积成。规则堆积成。n十九世纪；布喇菲十九世纪；布喇菲(Barvais)发展了空间点阵学说，发展了空间点阵学说，概括了晶格周期性特征；费多洛夫概括了晶格周期性特征；费多洛夫-熊夫利熊夫利-巴罗各巴罗各自分别发展了晶体微观几何结构理论。自分别发展了晶体微观几何结构理论。绪 论8固体物理学的发展历程：固体物理学的发展历程：n二十世纪近代物理学的发展，使对固体的认识进二十世纪近代物理学的发展，使对固体的认识进入了新阶段：入了新阶段：1912年，劳厄提出晶体可作为年，劳厄提出晶体可作为X射线的衍射光栅，实验射线的衍射光栅，实验证明了阿羽衣、布喇菲等的证明了阿羽衣、布喇菲等的“空间点阵学说空间点阵学说”的正确；的正确；同时，量子理论的发现使对晶体内部微观粒子的运动同时，量子理论的发现使对晶体内部微观粒子的运动研究更深入。如，爱因斯坦引进了量子化概念来研究研究更深入。如，爱因斯坦引进了量子化概念来研究晶格振动；索末菲发展了固体量子论；费米发展了统晶格振动；索末菲发展了固体量子论；费米发展了统计理论。计理论。三三-四四十年代，十年代，固体物理领域开始形成多个学科分支：固体物理领域开始形成多个学科分支：金属物理、金属物理、半导体物理半导体物理、晶体物理、和晶体生长、磁、晶体物理、和晶体生长、磁学等。学等。绪 论91 1、什么是半导体？、什么是半导体？研究对象：研究对象：半导体的电子运动规律和基本物理性质半导体的电子运动规律和基本物理性质 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 10-6 10-4 10-4 1010 1010（二）半导体物理学（二）半导体物理学绪 论10III-VIII-V族半导体：族半导体：族半导体：族半导体：GaAGaAS S,InP,InP2、半导体的种类、半导体的种类元素半导体：元素半导体：元素半导体：元素半导体：SiSi，GeGe（IVIV族）族）族）族）化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体II-VIII-VI族半导体：族半导体：族半导体：族半导体：ZnSZnSIV-IVIV-IV族半导体：族半导体：族半导体：族半导体：SiCSiC绪 论11（1 1 1 1）电阻率的杂质敏感特性）电阻率的杂质敏感特性）电阻率的杂质敏感特性）电阻率的杂质敏感特性 纯纯Si 2105 cm掺入掺入10-6（原子比）硼原子（原子比）硼原子 0.4 cm注：温度注：温度300K300K（2 2 2 2）温度敏感特性）温度敏感特性）温度敏感特性）温度敏感特性3、半导体的主要性质、半导体的主要性质绪 论12（4 4 4 4）磁敏感特性）磁敏感特性）磁敏感特性）磁敏感特性 霍尔效应、磁阻效应。霍尔效应、磁阻效应。（5 5 5 5）压阻特性）压阻特性）压阻特性）压阻特性（3 3 3 3）光学特性）光学特性）光学特性）光学特性 CdS光敏电阻光敏电阻绪 论134、半导体科学发展史、半导体科学发展史n n二十世纪三十年代以前：经验科学二十世纪三十年代以前：经验科学二十世纪三十年代以前：经验科学二十世纪三十年代以前：经验科学1833年年 法拉第发现法拉第发现ZnS电阻变化负温度系数电阻变化负温度系数 1874年年 德国布劳恩发现德国布劳恩发现PbS整流效应整流效应 1904年年 点接触二极管检波器用于高频电磁接收点接触二极管检波器用于高频电磁接收n n三十年代三十年代三十年代三十年代 四十年代末：理论科学四十年代末：理论科学四十年代末：理论科学四十年代末：理论科学肖特基提出整流理论肖特基提出整流理论贝特提出热电子发射理论贝特提出热电子发射理论布洛赫提出能带理论布洛赫提出能带理论佩尔斯提出空穴概念佩尔斯提出空穴概念绪 论14n n1947 19581947 1958：技术科学、应用科学：技术科学、应用科学：技术科学、应用科学：技术科学、应用科学1947年，贝尔实验室的巴丁（年，贝尔实验室的巴丁（Bardeen），布拉顿），布拉顿Brattain,肖克莱（肖克莱（Shockley）发明晶体管（点接触发明晶体管（点接触Ge晶体管）晶体管）Point-contact transistorJ.Bardeen,W.Shockley,W.Brattain绪 论151958年，德州仪器的柯利比（年，德州仪器的柯利比（J.Kilby）研制成功第）研制成功第一个集成电路。一个集成电路。1958年，快捷半导体公司诺伊斯（年，快捷半导体公司诺伊斯（R.Noyce）发布）发布第一个利用半导体平面工艺制成的集成电路芯片。第一个利用半导体平面工艺制成的集成电路芯片。绪 论16n n19581958以后：高技术以后：高技术以后：高技术以后：高技术 ICIC发展发展发展发展 半导体微电子学半导体微电子学半导体微电子学半导体微电子学 半导体激光器的发明半导体激光器的发明半导体激光器的发明半导体激光器的发明 半导体光电子学半导体光电子学半导体光电子学半导体光电子学n n19581958以后的几个里程碑以后的几个里程碑以后的几个里程碑以后的几个里程碑19581958年，研制出隧道二极管年，研制出隧道二极管年，研制出隧道二极管年，研制出隧道二极管 1962-19631962-1963年，研制出半导体激光器年，研制出半导体激光器年，研制出半导体激光器年，研制出半导体激光器 19631963年，提出异质结激光器年，提出异质结激光器年，提出异质结激光器年，提出异质结激光器 1969-701969-70年，年，年，年，提出半导体超晶格提出半导体超晶格提出半导体超晶格提出半导体超晶格 19731973年，年，年，年，创立非晶态半导体创立非晶态半导体创立非晶态半导体创立非晶态半导体 19821982年，年，年，年，发现量子霍尔效应发现量子霍尔效应发现量子霍尔效应发现量子霍尔效应 19931993年，年，年，年，研制出高亮度研制出高亮度研制出高亮度研制出高亮度GaNGaN蓝光发光二极管蓝光发光二极管蓝光发光二极管蓝光发光二极管绪 论17n n目前的研究重点及今后的发展方向目前的研究重点及今后的发展方向 微米微米 纳米（纳米电子学）纳米（纳米电子学）同质结同质结 异质结（能带工程）异质结（能带工程）三维三维 低维低维（二维、一维、零维）（二维、一维、零维）普通禁带普通禁带 宽禁带宽禁带 单晶单晶 多晶（非晶）多晶（非晶）无机半导体无机半导体 有机半导体有机半导体绪 论18四、课程特点与教学方法四、课程特点与教学方法n n固态电子论是一门实固态电子论是一门实固态电子论是一门实固态电子论是一门实验科学，研究的问题验科学，研究的问题验科学，研究的问题验科学，研究的问题复杂，有大量的假设复杂，有大量的假设复杂，有大量的假设复杂，有大量的假设和模型，理论抽象和模型，理论抽象和模型，理论抽象和模型，理论抽象学学学学习难度大习难度大习难度大习难度大。课程特点课程特点抽象抽象抽象抽象假假假假说说理理理理论论实验实验现现象象象象绪 论19“教教”方法方法n n“教教”对抽象的理论问题从介绍科学前辈对抽象的理论问题从介绍科学前辈如何提出问题入手，进行问题分析，最终如何提出问题入手，进行问题分析，最终给出解决问题方案给出解决问题方案理论理论n n重要的物理现象开设实验课程重要的物理现象开设实验课程n n进行课堂提问，进行课堂提问，“教教”“学学”互动互动n n有阶段小测验有阶段小测验绪 论20“学学”方法方法n n课后应复习课后应复习n n完成作业完成作业n n掌握掌握基本概念基本概念基本概念基本概念;基本原理基本原理基本原理基本原理;基本方法（计算）基本方法（计算）基本方法（计算）基本方法（计算）绪 论211.6 教材与参考书目教材与参考书目n n方俊鑫，陆栋方俊鑫，陆栋方俊鑫，陆栋方俊鑫，陆栋.固体物理学固体物理学固体物理学固体物理学n n黄昆黄昆黄昆黄昆.固体物理学固体物理学固体物理学固体物理学,高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社,1988.,1988.n n刘恩科刘恩科刘恩科刘恩科.半导体物理学半导体物理学半导体物理学半导体物理学,国防出版社国防出版社国防出版社国防出版社,1994.,1994.n n叶良修叶良修叶良修叶良修.半导体物理学半导体物理学半导体物理学半导体物理学,高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社,1987.1987.n n刘文明刘文明刘文明刘文明.半导体物理学半导体物理学半导体物理学半导体物理学,高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社,1987.1987.绪 论22阿羽依阿羽依n n1784年阿羽依年阿羽依(B.Hay,17451822,法国人法国人)在巴黎创办了世界上第一所盲人学校。在巴黎创办了世界上第一所盲人学校。他他主张主张教育盲童学习文化知识、适应社会生教育盲童学习文化知识、适应社会生活，并特别强调盲人的劳动职业教育，应活，并特别强调盲人的劳动职业教育，应教给盲人生存的源泉，使之以自己的劳动教给盲人生存的源泉，使之以自己的劳动获得生存资料，摆脱慈善与贫困，归还社获得生存资料，摆脱慈善与贫困，归还社会健康的手。会健康的手。他还提出他还提出由国家来办盲校，由国家来办盲校，实行义务教育的设想。实行义务教育的设想。