现代半导体器件物理与工艺(全套课件) 上PPT资料.pptx
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20期末考试:
60%致谢承蒙参考书目、论文为课件提供了理论承蒙许多网站提供了各种资料承蒙其他课件各种提供声明此课件仅仅用于课堂教学,不得用于其他商业用途,课程内容,概论Introduction第一部分半导体物理SemiconductorPhysics第二部分半导体器件SemiconductorDevices,第一部分半导体物理,概述Introduction第一章热平衡时的能带和载流子浓度BandLevelandCarriersdensityinThermalEquilibrium第二章载流子输送现象CarriersTransportPhenomena,第二部分半导体器件,第四章p-n结PNJunction第五章双极型晶体管及相关器件BipolarJunctionTransistor&
RelatedDevices第六章MOSFET及相关器件MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor&
RelatedDevices第七章MESFET及相关器件MetalSemiconductorFieldEffectTransistor&
RelatedDevices第八章微波二极管、量子效应和热电器件MicrowaveDiode,QuantumEffect&
PyroelectricDevices第九章光电器件PhotoelectricDevices,第三部分半导体工艺,半导体产业介绍硅片制作中的沾污控制测量学和缺陷检查晶体生长和外延薄膜淀积图形曝光与光刻杂质掺杂,半导体器件物理研究什么?
研究半导体器件中电子或空穴的运动规律,如何通过“能带裁剪工程“(构造特定形状的势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动,使其载流子的运动行为满足特定的要求。
以及在在不同器件结构下,研究其不同方面的电性能和光性能。
为什么要学习该课程?
身为一个应用物理、电机工程、电子工程或材料科学领域的学生,你可能会自问:
为什么要学习这门课程?
理由很简单,自从1998年以来,电子工业是世界上规模最大的工业,其全球销售量超过一万亿美元。
而半导体器件正是此工业的基础。
另外,要更深入地了解电子学的相关课程,拥有半导体器件的最基本的知识是必要的,它也可以使你对现代这个由电子技术发展而来的信息时代有所贡献。
19802000年的全球国民生产总值(WGP)及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量,并外插此曲线到2010年止,半导体工业的核心是什么?
从上图中可以得知:
电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业,成为21世纪的高附加值、高科技的产业。
电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高,而在半导体工业中其核心是集成电路(电集成、光集成、光电集成),集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、半导体制造工艺的发展为基础的。
核心是:
集成电路【IntegratedCircuit:
IC】通过一系列特定的平面制造工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互连关系,“集成”在一块半导体单晶片上,并封装在一个保护外壳内,能执行特定的功能复杂电子系统。
半导体器件物理为其提供了基础知识,是半导体工业的发展平台。
IC的战略地位,集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。
进入信息化社会的判据:
半导体产值占工农业总产值的0.5%。
据美国半导体协会(SIA)预测,电子装备6-8万亿元,集成电路产值1万亿美元,电子G信D息P服务50业万亿30万美亿元美元相当于1997年全世界GDP总和,2012年,世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较(资料来源:
ICE商业部),两个列子,1985-1990年间世界半导体商品市场份额,日本公司,39%,美国公司51.4%,50%37.9%,人均IC产值年增长率,人均电子工业年增长率,人均GNP年增长率,日本美国,日本美国,日本美国,2.2%,1.1%,0.1%,80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施,重新夺回领先地位。
90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展,而其基础是集成电路产业与技术创新。
90年代日本经济萧条的同时,集成电路市场份额严重下降。
市场变化日本市场缩减,市场份额,中国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元(1967年为267美元)70-80年代大力发展集成电路产业90年代IT业高速发展97年人均GDP=13559美元,中国IT企业与Intel公司利润的比较,同样,TI公司的技术创新,数字信号处理器(DSP)使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。
几乎所有的传统产业与微电子技术结合,用集成电路芯片进行智能改造,都可以使传统产业重新焕发青春;
全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%,仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造,每年即可节电500亿度以上,相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年);
固体照明工程,对白炽灯进行高效节能改造,并假设推广应用30%,所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)。
微电子对传统产业的渗透与带动作用,对国家安全与国防建设的作用,在农业社会:
大刀长矛等冷兵器;
在工业化社会:
枪、炮等热兵器信息化社会:
IC成为武器的一个组成元,电子战、信息战。
对信息社会的重要性,Internet基础设施各种各样的网络:
电缆、光纤(光电子)、无线.路由和交换技术:
路由器、交换机、防火墙、网关.终端设备:
PC、NetPC、WebTV.网络基础软件:
TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.Internet服务信息服务:
极其大量的各种信息交易服务:
高可靠、高保密.计算服务:
“网络,微电子产业的战略重要性,2020年世界最大的30个市场领域:
其中与微电子相关的22个市场:
5万亿美元(NikkeiBusiness1999),是否回答你的疑,器件的基础结构人类研究半导体器件已经超过125年,迄今大约有60种主要的器件以及100种和器件相关的变异器件。
但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。
金属-半导体用来做整流接触,欧姆接触;
利用整流接触当作栅极、利用欧姆接触作漏极(drain)和源极(source)。
-n结是半导体器件的关键基础结构,其理论是半导体器件物理的基础。
可以形成p-n-p双极型晶体管,形成p-n-p-n结构的可控硅器件。
异质结是快速器件和光电器件的关键构成要素。
用MOS结构当作栅极,再用两个p-n结分别当作漏极和源极,就可以制作出MOFET。
晶体管的发明,1946年1月,Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley,J.Bardeen、W.H.Brattain。
Bardeen提出了表面态理论,Schokley给出了实现放大器的基本设想,Brattain设计了实验。
1947年12月23日,第一次观测到了具有放大作用的晶体管。
集成电路的发明,1952年5月,英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。
1958年以(德州仪器公司)TI的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路,并于1959年公布了该结果。
Intle公司德诺宜斯(RobertNoyce)同时间发明了IC的单晶制造概念。
RobertNoyce(Intel),ClairKilby(TI),其他的重要里程碑,布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿,copperpyrite)接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。
在1907年,朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管,1ight-emittingdiode,LED),观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时,晶体会发出淡黄色的光。
1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件可控硅器件(thyristor)提出了一个基本的模型。
以硅pn结制成的太阳能电池(solarcell)则在1954年被阕平(Chapin)等人发明。
太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一,它可以将太阳光直接转换成电能。
1957年,克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunctionbipolartransistor,HBT)来改善晶体管的特性,这种器件有可能成为更快的半导体器件。
其他的重要里程碑(续),1958年江崎(Esaki)则观察到重掺杂(heavilydoped)的p-n结具有负电阻的特性,此发现促成了隧道二极管(tunneldiode,或穿透二极管)的问世隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunnelingphenomenon,或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。
1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)发明的MOSFET,是先进集成电路最重要的器件。
1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(1aser)。
1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructurelaser),奠定了现代激光二极管的基础,使激光可以在室温下连续工作。
其他的重要里程碑(续),三种重要的微波器件相继被发明制造出来:
1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electrondiode,TED),又称为冈二极管(Gunndiode),被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。
姜士敦(Johnston)等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管(IMPATTdiode),是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波(continuouswave,CW)功率器件。
1966年由密德(Mead)发明金半场效应晶体管(MESFET),并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC)的关键器件。
其他的重要里程碑(续),1967年姜(Kahng)和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatilesemiconductormemory,NVSM),可以在电源关掉以后,仍然保持其储存的信息。
成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。
1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)发明电荷耦合器件(charge-coupleddevice,CCD)它被大量地用于手提式摄像机(videcamera)和光检测系统上。
1974年张立纲等明了共
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