半导体物理 教案 第1章--第7章

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1、绪论本门课的主要内容：固体物理20学时，半导体物理50学时。与其他课程的关系。一、半导体科技发展简介（170年）1.萌芽时期（1834～1931）将近100年时间1834年，Faraday提出半导体判定条件：金属：半导体：绝缘体：半导体具有负的电阻温度系数，这一年成为该学科进入萌芽时期的标志。1873年，W.SmithSe光电导效应。1874年，F.BrawnPbS等矿石的整流作用。1879年，HallHall效应。表明半导体的导电机构与金属不同。直到20世纪30年代以前，虽然有些发现，但是不系统。2.理论形成和系统发展时期（1931

2、～1980）近50年时间1931年，Wilson提出能带论奠定了半导体理论的基础，解释了金属、半导体、绝缘体的本质区别。1949年，W.Shockley(晶体管之父)。p-n结,双极晶体管（BipolarTransistor）理论。1947年与J.Barden和W.H.Brattain发明点接触晶体管。为此获得诺贝尔物理学奖。标志现代半导体理论的形成，半导体科技进入系统发展时期。1957年，Kroemer异质结晶体管。半导体领域第二次获得诺贝尔物理学奖。1958年，Esak:隧道二极管第三次获得诺贝尔物理学奖。这一时期，所用的半导体材

3、料主要是锗。锗晶体管开创了第二代计算机（后来为硅管所取代）。3.集成化的微电子时期（1960～1980）1957硅晶体管实用化1960工艺的出现，为IC的发明提供了技术支持。1962Noyce单片集成1970年，LSIC逻辑电路出现。该时期内，半导体行业得到了全面发展，主要有三个方向。(1)微型化(2)功率器件(3)敏感器件4.VLSIC的成熟阶段=IT业的快速发展时期（1980～2000）同时与其他学科结合出现了MEMS产业。一、面对未来的发展趋势1.从微型化的发展方面看：20年从60年代的几十微米至80年代1微米。20年从80年代

4、1微米至21世纪初30nm未来的器件会更多地考虑量子效应进入Nanoelectronics时代未来20年内很可能会达到几个nm的水平。2.系统集成方面看传感+执行+电路=SOC传感+执行=MEMS3.高频、大功率和能量转换。光电器件。三、教与学的方法1.多下工夫时间2.调整心理，理解的整理从认识论的高度3.理解的基础第一章、半导体中的电子状态一、量子力学基础1.MaxPlanch普朗克光量子说n=0,1,2…能量是量子化的，不是连续的。光子的概念。光子是电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子。其静止质量为零M=0不带电荷Q=0其能

5、量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积在真空中以光速c运行v=c=3e8米/秒根据质能方程：说明光子的动质量：光子的动量：2.光子的波粒二象性光具有波动性，又具有粒子性。3.德布罗意物质波matterwave在光具有波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意（1892～1987）在1924年提出一个假说，指出：“波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都有波粒二象性。”他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上，指出：“具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h跟粒子动量mv

6、的比”，即λ=h/p=h/（mv）。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。1.不确定性原理Uncertaintyprinciple又称“测不准原理”、“不确定关系”，是量子力学的一个基本原理，由德国物理学家海森堡（WernerHeisenberg）于1927年提出。本身为傅立叶变换导出的基本关系：若复函数f(x)与F(k)构成傅立叶变换对，且已由其幅度的平方归一化（即f*(x)f(x)相当于x的概率密度；F*(k)F(k)/2π相当于k的概率密度，*表示复共轭），则无论f(x)的形式如何，x与k标准差的乘积ΔxΔk不会小于某个常数（该常数

7、的具体形式与f(x)的形式有关）。5.几率波是微观客体运动的一种统计规律性，它把物质粒子的波动性与原子性统一了起来。描述了系统的动力学性质。6.算符位置算符:x,yz->x,y,z位置表象下，粒子的动量算符：->位置表象下，粒子的能量算符：E->是的共轭函数。是位置平均值。一维动量平均值。7.薛定谔方程薛定谔提出的量子力学基本方程。建立于1926年。它是一个非相对论的波动方程。它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律，它在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样，是量子力学的基本假设之一。考虑动能和势能，能量含时薛定谔方程当势

8、能不含时间，此时可用分离变量法求解薛定谔方程令,代入薛定谔方程，得到为不含时的薛定谔方程。二、能带论点方法简介1晶体中势能分布场的近似化处理一定状态下(动能、势能)的电子，其波函数所遵守的薛定谔方程为：严格说来每个电子所