半导体物理基础教程

在过去半个多世纪的时间里，半导体物理的研究揭示出许多崭新的物理现象（比如量子隧道效应、量子霍尔效应等等）， 并多次获得诺贝尔物理学奖。半导体物理的研究还为人类社会特别是信息社会的发展奠定了几乎全部的基础和支柱（从信息的接受，处理，发射到传输无一不是基于半导体器件）。在这样一个半导体时代，越来越多的人希望能对周围的技术、仪器的原理有所了解。本书尝试用一种通俗易懂的方式和语言介绍半导体物理学的基础理论和器件应用，为那些立志从事微电子科学与技术领域的进一步学习和研发的读者奠定基础。 

本书全面介绍半导体物理学的基本理论，以物理科学、材料科学与工程、电子技术的眼光全面审视半导体物理的发展过程和进展情况。
本书内容包括半导体的晶体结构、常见半导体的能带结构、半导体中杂质和缺陷效应、载流子的统计计算方法、半导体导电特性、光电导效应、光伏效应、金属半导体的接触特性、半导体同质PN结、半导体异质结构、MOS结构的特性及应用、半导体发光特性、半导体量子限域效应、半导体磁效应、半导体隧穿效应等，以及建立在此基础之上的各种半导体器件的原理和应用问题。
本书可作为高等院校电子信息类本科专业的半导体物理课程教材，也可供相关科技人员参考.

郭子政  教授，理学院应用物理系主任。研究领域：1. 凝聚态理论；2. 计算机模。主持参加*、部省级科研课题10余项，发表论文90多篇，其中被SCI、EI收录20余篇。参编、编著教材2部。

目录

 

第1章半导体晶体结构

 

1.1晶体与非晶体

 

1.2晶体结构

 

1.3半导体的晶体结构

 

习题

 

第2章半导体的能带

 

2.1能带的形成

 

2.2半导体中电子共有化运动与能带的量子力学描述

 

2.3半导体中的E(k)~k关系及有效质量

 

2.4硅、锗和砷化镓的能带结构

 

2.5本征半导体、本征激发和空穴

 

2.6能带理论应用举例

 

习题

 

第3章杂质半导体和杂质能级

 

3.1间隙式杂质和替位式杂质

 

3.2施主和受主

 

3.3杂质补偿

 

3.4深能级杂质

 

习题

 

第4章半导体中的平衡载流子

 

4.1加权求和和加权平均

 

4.2理想气体分子按速率的分布

 

4.3导带电子浓度与价带空穴浓度

 

4.4本征载流子浓度与本征费米能级

 

4.5杂质半导体的载流子浓度

 

习题

 

第5章半导体中载流子的输运现象

 

5.1半导体中载流子的运动形式

 

5.1.1无规则运动——热运动

 

5.1.2有规则运动

 

5.2主要散射机构以及迁移率与平均自由时间的关系

 

5.3迁移率、电阻率与杂质浓度和温度的关系

 

5.4强电场效应

 

5.5耿氏效应

 

5.5.1伏安特性

 

5.5.2νd~ε特性

 

5.5.3双谷模型理论

 

习题

 

第6章非平衡载流子

 

6.1过剩载流子及其产生与复合

 

6.2非平衡载流子的寿命

 

6.3准费米能级

 

6.4载流子的扩散运动、爱因斯坦关系

 

6.5连续性方程

 

习题

 

第7章pn结

 

7.1pn结的单向导电性

 

7.1.1平衡pn结

 

7.1.2pn结的伏安特性

 

7.2pn结电容

 

7.2.1势垒电容

 

7.2.2扩散电容

 

7.3pn结击穿

 

7.4pn结隧道效应

 

习题

 

第8章金属半导体接触

 

8.1两类接触

 

8.2肖特基势垒

 

8.3金属半导体整流接触的电流电压关系

 

8.4欧姆接触

 

习题

 

第9章MOS结构

 

9.1MOS电容

 

9.2能带图

 

9.3MOS结构的CV特性

 

9.4MOSFET基本工作原理

 

9.5MOS存储器结构

 

9.6鳍式晶体管

 

习题

 

第10章半导体异质结构

 

10.1异质结

 

10.2异质结的能带图

 

10.3量子阱和超晶格

 

10.4异质结激光器

 

10.5晶格匹配和热匹配

 

习题

 

第11章半导体电光和光电转换效应

 

11.1光是怎么产生的

 

11.2电致发光和LED

 

11.3白光LED

 

11.4OLED

 

11.5半导体光电效应

 

11.5.1光电效应

 

11.5.2半导体的内光电效应

 

11.6半导体光伏效应的应用

 

习题

 

第12章半导体低维结构

 

12.1量子受限系统

 

12.2量子限域效应

 

12.2.1量子阱

 

12.2.2量子线

 

12.2.3量子点

 

12.2.4态密度

 

习题

 

第13章半导体磁效应

 

13.1到了重新发明晶体管的时候了？

 

13.2自旋和自旋电子学

 

13.3半导体的磁效应

 

13.4自旋霍尔效应

 

习题

 

第14章隧道型量子器件基础

 

14.1半导体隧道效应

 

14.1.1共振隧穿二极管RTD

 

14.1.2隧穿场效应管

 

14.2透射系数

 

14.2.1WKB近似

 

14.2.2传输矩阵方法

 

14.3隧穿电流

 

14.4半导体中的隧穿

 

14.4.1p n 结隧穿： 齐纳隧穿

 

14.4.2MIS(MOS)隧穿: FowlerNordheim隧穿

 

14.4.3MIM隧穿： Simmons公式

 

习题

 

习题参考答案

 

参考文献

 

前言

20世纪是发明的世纪。半导体科学和技术在这个发明的世纪中无疑是主角。关于这一点可以从诺贝尔奖的历史中窥见一斑。1909年，布劳恩（Carl Braun）因为无线电报的发明而与马可尼一道获得了诺贝尔奖，布劳恩的贡献包括半导体整流效应的发现，这对于信号检测非常重要。1956年，Bell实验室的肖克莱（W.B.Shockley）、巴丁（J.Bardeen）和布拉顿（W.H.Brattain）因为发明半导体晶体管（1948年）获得诺贝尔物理学奖。 肖克莱后来被称作“硅谷之父”，他在1958—1960年任肖克莱晶体管公司经理，管理着硅谷的第一家半导体企业。他手下曾出现过诺伊斯、摩尔这样的IT精英人物，他们曾创办仙童公司和英特尔公司。而巴丁是历史上唯一一个两次获得诺贝尔物理学奖的人，他将低温超导的BCS理论这样的财富留给了后人。1973年，IBM公司的江崎玲玉奈（L.Easki）因为发现半导体量子隧道效应获得诺贝尔物理学奖。1978年，当时还在Bell实验室，后来在普林斯顿大学的安德森（P.W.Anderson）和英国剑桥大学卡文迪许教授和物理系主任的莫特（N.F.Mott）因为发现金属和半导体中的无序效应及量子输运获得诺贝尔物理学奖。1985年，德国马普固体物理研究所所长克林青（K.von Klitzing）因为发现半导体二维结构中的整数量子霍尔效应获得诺贝尔物理学奖。1998年，当时还在Bell实验室，后来分别在哥伦比亚大学、普林斯顿大学和斯坦福大学的斯托默（H.L.Strmer）、崔琦（D.C.Tsui）、劳克林（R.B.Laughlin）因为发现半导体二维结构中的分数量子霍尔效应获得诺贝尔物理学奖。2000年，苏联科学院物理问题研究所阿尔弗雷夫（Z.I.Alferov）、美国加州大学克罗默（H.Kroemer）和德州仪器公司的基尔比（J.S.Kilby）共同获得诺贝尔物理学奖。前两位因为发明了半导体异质结构，从而奠定了半导体微电子和光电子技术基础而获奖，而基尔比则是因为于1958年发明硅集成电路，即成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。2009年，高锟因为光纤而获奖，Bell实验室的博伊尔（Willard S.Boyle）和史密斯（George E.Smith）因发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而获奖。2010年，诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。2014年，诺贝尔物理奖授予发明有效蓝色发光二极管（Lightemitting diode，LED）的赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)。赤崎勇于1929年出生在日本知览町(Chiran, Japan)，1964年于日本名古屋大学获得博士学位。现为日本名城大学教授、日本名古屋大学特聘教授。天野浩于1960年出生于日本滨松，1989年于日本名古屋大学获得博士学位，现为日本名古屋大学教授。中村修二，美国国籍，1954年出生于日本伊方町(Ikata, Japan)。1994年于日本德岛大学获得博士学位。现为美国加州大学圣巴巴拉分校教授。从上述诺贝尔物理奖获奖情况可以看出： 半导体物理的研究不但可以揭示崭新的物理现象，而且为人类社会特别是信息社会的发展奠定了几乎全部的基础和支柱（从信息的接受、处理、发射到传输，无一不是基于半导体器件）。人类使用材料的历史就是人类的进步史。到目前为止，人类历史经历了石器时代铜器时代铁器时代硅器时代。硅器时代即半导体时代，我们现在处于半导体时代。可以预期的是，今后很长一段时间内，仍将处于半导体时代。为什么历史选择了半导体？半导体材料为何能够担此重任？主要是因为其特性。实际上，半导体确实具有一些重要特性，主要包括： (1)温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降。例如，室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率ρ相应地降低50%左右； (2)微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力，以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率ρ在室温下却由大约214000Ωcm降至0.2Ωcm以下； (3)适当波长的光照可以改变半导体的导电能力，例如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十兆欧，当受光照后电阻值可以下降为几十千欧。此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变。概括起来，半导体的性质容易受到温度、光照、磁场、电场和微量杂质含量等因素的影响而发生改变，而正是半导体的这些特性使其获得了广泛的应用。除此之外，半导体在与半导体以及与其他材料接触而形成界面（结）时，也会表现出与众不同的效应来，这些效应成为各种半导体器件的基础。为什么半导体会有这些出众的表现？材料的性能主要决定于什么？实际上，关于这个问题的困惑久已有之。例如，在化学元素周期表上，铜和金在一族，但它们的性质有天壤之别。铜很容易生锈，而金则可以永葆青春。由不同元素组成的材料，它们的差别究竟是如何造成的呢？即使是同一种材料，当尺度减小时性质也会剧变，例如纳米级别的金会失去其富贵之色而呈现黑色。这其中的缘由又是怎样的呢？对这些问题的回答不是简单几句话就可以完成的。一般而言，材料的性质决定于材料的结构，性质是结构的外在反映，对材料的使用性能有决定性影响，而使用性能又与材料的使用环境密切相关。材料的结构取决于其组成、形成条件（包括制备工艺及加工过程）等因素。材料结构包括三个层次： 第一个层次是原子的空间排列，第二个层次是原子及电子结构，第三个层次是组织结构或相结构。如果材料中的原子排列非常规则且具有严格的周期性，就形成晶态结构； 反之则为非晶态结构。不同的结晶状态具有不同的性能，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而结晶聚乙烯是半透明的。原子中电子的排列在很大程度上决定了原子间的结合方式，决定了材料类型（金属、非金属、聚合物等），决定了材料的热学、力学、光学、电学、磁学等性质。晶粒之间的原子排列变化改变了它们之间的取向，从而影响材料的性能。其中晶粒的大小和形状起关键作用。另外，大多数材料属于多相材料，其中每一相都有自己独特的原子排列和性能，因而控制材料结构中相的种类、大小、分布和数量就成为控制性能的有效方法。作为材料结构第一个层次，本书将首先介绍半导体的晶体结构。在此基础之上讨论半导体中的电子状态与能带结构（材料结构第二个层次）。为什么材料会有导体、半导体、绝缘体之分呢？或者换句话说，什么样的材料可能是导体、半导体或绝缘体呢？固体能带理论很好地回答了这个问题。能带理论告诉我们，导体、半导体或绝缘体的差别在于它们的能带结构，材料导电的条件是存在部分填充的能带和小的禁带。这一点会在第2章详述。如前所述，半导体对掺杂十分敏感，其原因还需要从量子力学能带理论来理解，本书第3章介绍了杂质半导体及其杂质能级。半导体工艺就是控制掺杂的工艺。从而控制电流，即控制载流子的流动。在本书的第4、5章介绍电流的计算方法。首先在第4章介绍载流子浓度的计算方法，在第5章则具体讨论半导体中漂移电流、扩散电流等各种电流的计算和影响因素。其中温度对迁移率和电子浓度等的影响非常巨大，正如前文所述，这是半导体的一个重要性质。第6章介绍光照对半导体的影响。讨论了非平衡载流子的产生与复合。半导体pn结结构、半导体金属结构、MOS结构、半导体异质结构是搭建半导体器件的4种基本结构。本书将在第7~10章分别介绍。目前，硅(Si)和砷化镓(GaAs)是半导体器件和集成电路生产中使用最多的半导体材料。本书的讨论也主要以这两种半导体材料为主。半导体科学与技术经过半个多世纪的发展，仍然充满活力。2014年蓝光LED获得诺贝尔奖就是实例。关于LED以及白光照明等现状及原理肯定是读者所关心的。这部分内容将在第11章介绍。半导体另一个活跃的领域是所谓低维系统。量子限域效应带来的新效应正逐渐获得应用。关于半导体低维结构将在第12章简介。另一方面，从前面关于诺贝尔物理学奖的介绍似乎还可以总结出一个结论，那就是： 诺贝尔物理学奖越来越接近“电子奖”。应用问题始终是物理发现的原动力，这一点对后摩尔时代的人们也是如此。目前，传统电子学理论面临发展的瓶颈，发展新型器件是解决问题的关键。自旋电子器件是近年研究的热点之一。另一种新型器件是隧穿场效应管。关于这方面的内容将在第13、14章做简要介绍。作者30年前毕业于半导体专业，与半导体物理渊源深厚。30年前的半导体物理教学与今天的半导体教学应该有什么样的差别？首先是课时减少了，目前，很多学校进行了教学改革，减少课时量，提倡学生自主学习。另外，学生对象和学习目的不同了。随着学分制改革的不断深入，要求课程适应性更强，对象更广。当然，还有学生兴趣的差别，学生对实践应用内容的要求。所有这些，都对应了教学上的改革，首先应从教材入手。目前，相比于慕课、视频公开课等方面，高校教材改革相对滞后。尽管目前已经出版了不少新教材，但主要是为了满足新专业的需求。传统领域（如半导体物理）的教材改革步伐不大，除强调内容的更新、概念的准确、体系的严密之外，乏善可陈。实际上，教材改革还有一个经常被人忽略的方面，就是教材的科普化。这也是本书编写的初衷之一。教材的科普化就是尽量从科普的角度、用科普的语言对相关内容进行介绍，力求通俗易懂。这对于教材写作还是有一定难度的，所以本书的科普还只限于部分内容。例如第1、2章，本书的科普重点侧重于以下内容。材料的性质究竟是由什么决定的？是晶体结构还是电子结构？第3章讲述杂质和缺陷的作用： 从青铜到铸铁，都是杂质掺杂的结果,半导体工艺就是控制掺杂的工艺。半导体器件多是电流控制型器件，如何计算电流是一个关键问题。实际上，电流就是载流子的运动,载流子浓度的计算其实就是加权平均。这一点成为第4章的科普重点。1833年，英国科学家法拉第(Michal Faraday)发现了半导体的温度效应,即本征半导体电阻率随温度下降，半导体理论如何解释这一古老的发现成为第5章的科普重点。第6章是关于非平衡载流子的理论，并以光导材料为例进行说明。实际上史密斯（W.Smith）于1873年发现的硒的性质是现代激光打印机和复印机的基础。第7章介绍pn结，我们科普的重点是广义欧姆定理。利用广义欧姆定理可以很好地解释平衡时能带平直的现象。第8章的内容是金属和半导体的接触现象，科普重点有两个，首先1874年德国的布劳恩(K.F.Braun)发现硫化物的电导率与所加电压的方向有关的现象就是肖特基结的整流特性； 另外，费米能级是表征掺杂水平的,如果费米能级发生钉扎(不随掺杂改变)会发生什么效应。第9章介绍MOS结构和利用浮栅场效应管的闪存的基本原理，我们看到MOS场效应管类似于水龙头。第10章在半导体异质结构理论中，我们指出钢筋水泥蕴含的材料生长原则对半导体同样适用，另外强调超晶格（人工晶格）和超晶体（人工晶体）是有区别的。第11章的科普重点包括光是如何产生的，另外，目前荧光灯正被白光LED取代、液晶显示正被OLED显示取代，这种变化是如何发生的。第12章半导体低维结构中特别指出电子运动受限是其能量量子化的根源。第13章介绍基于半导体的传统电子学的发展遇到了哪些瓶颈。第14章介绍隧道型量子器件。随着半导体工艺由微米发展到纳米，隧穿原理的应用已经日益广泛。在量子器件中有一类共振隧穿器件，这里的共振技术早有高端应用，例如微波炉等。教材科普化是当前教学改革和形势发展的需要，本书的尝试还只是初步的，希望能得到广大读者的认可。作者

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