藤野宰教学课件

藤野宰教学课件目录12基本介绍半导体理论藤野宰教授简介半导体基础知识研究领域概览PN结与载流子物理电流机制与载流子输运34实践与应用未来展望教学案例与实验演示学科发展趋势代表性研究成果藤野宰教授简介专业背景日本东京大学电子工程博士，专注半导体物理与器件研究，在国际顶尖期刊发表论文超过120篇教学成就培养博士、硕士研究生超过50名，多人成为半导体行业领军人物获得杰出教育工作者称号三次行业影响研究领域概览半导体材料物理载流子输运理论研究硅、锗、砷化镓等材料的晶体结构、能带特探究电子与空穴在半导体中的运动规律，建立精性及其与电学性能的关系开发新型半导体材料确的载流子迁移率模型，为器件设计提供理论依及其制备工艺据半导体器件设计与优化PN结及其电学特性基于物理原理，设计高性能、低功耗的半导体器深入研究PN结的形成机理、电场分布及电流传导件，并提出创新的优化方案，满足现代电子系统特性，优化二极管、晶体管等器件的性能参数需求藤野教授的研究领域跨越了从基础理论到实际应用的全链条，为学生提供了全面系统的学习路径半导体基础知识本征半导体与掺杂半导体本征半导体纯净的半导体材料，如纯硅晶体，电子和空穴浓度相等掺杂半导体通过向本征半导体中引入杂质原子，形成N型（电子为主要载流子）或P型（空穴为主要载流子）半导体载流子类型电子带负电荷的载流子，在N型半导体中占主导地位空穴带正电荷的载流子，在P型半导体中占主导地位在外加电场作用下，电子和空穴向相反方向运动半导体能带结构示意图导带中的电子和价带中的空穴是半导体中的主要载流子载流子密度与费米能级载流子浓度计算费米能级的物理意义费米能级是电子占据几率为1/2的能量水平，决定了半导体中电子和空穴的浓度分布其中•本征半导体费米能级位于禁带中央•ni为本征载流子浓度•N型半导体费米能级靠近导带•n为电子浓度，p为空穴浓度•P型半导体费米能级靠近价带•Nc和Nv分别为导带和价带的有效态密度费米能级的位置直接影响半导体的电学性质和器件特性•Eg为禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度载流子浓度与能带结构示意图本征半导体N型半导体费米能级（EF）位于禁带中央费米能级靠近导带底电子和空穴浓度相等:n=p=ni电子为多数载流子:np通常掺入V族元素（如磷、砷）P型半导体费米能级靠近价带顶空穴为多数载流子:pn通常掺入III族元素（如硼、铝）结的形成PNP型与N型半导体接触当P型半导体与N型半导体接触时，由于浓度差异，多数载流子开始扩散电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区空间电荷区形成扩散过程中，接触界面附近的N区失去电子而带正电，P区得到电子而带负电，形成空间电荷区，产生内建电场平衡状态建立内建电场阻止了多数载流子的进一步扩散，当扩散电流与漂移电流达到平衡时，形成稳定的耗尽区（空乏层）空乏层宽度与掺杂浓度成反比，通常为

0.1-10微米结的电学特性PN顺向偏置反向偏置外加电压方向P区接正极，N区接负极外加电压方向P区接负极，N区接正极效果降低势垒高度，空乏区变窄效果增加势垒高度，空乏区变宽结果大量多数载流子注入对方区域，形成显著的扩散电流结果多数载流子难以越过势垒，仅有少量少数载流子形成反向饱和电流当反向电压超过击穿电压时，会发生雪崩击穿或齐纳击穿这种单向导电性是PN结作为整流器件的基础，也是各种半导体器件的核心工作原理结电流电压曲线PN-曲线特征分析关键参数•顺向区域电流随电压呈指数增长，•阈值电压（VT）约

0.7V（硅）或表现为I=IseqV/nkT-

10.3V（锗）•反向区域电流几乎保持为常数Is•反向饱和电流（Is）通常为nA或（反向饱和电流）pA量级•击穿区域当反向电压超过一定值•击穿电压（VBR）取决于掺杂浓度时，电流急剧增大•理想因子（n）反映PN结的非理想性，理想值为1载流子输运机制漂移（Drift）扩散（Diffusion）在外加电场作用下，载流子沿电场方向（空穴）或反方向（电子）定由于载流子浓度梯度，从高浓度区域向低浓度区域的随机运动向运动扩散流与浓度梯度成正比漂移速度与电场强度成正比vd=μE扩散系数D与迁移率μ通过爱因斯坦关系相联系D=kT/qμμ为载流子迁移率，反映载流子在材料中运动的难易程度载流子迁移率影响因素典型迁移率数值（室温）•温度温度升高，晶格振动增强，迁移率降低•硅中电子1350cm²/V·s•掺杂浓度浓度增加，散射增强，迁移率降低•硅中空穴450cm²/V·s•材料类型不同半导体材料具有不同的晶格结构和有效质量•砷化镓中电子8500cm²/V·s•砷化镓中空穴400cm²/V·s漂移电流与扩散电流漂移电流扩散电流其中其中•q为电子电荷量•Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数•μ为载流子迁移率•dn/dx、dp/dx分别为电子和空穴的浓度梯度•n、p分别为电子和空穴浓度扩散电流方向与浓度梯度方向相反•E为电场强度漂移电流的方向与电场方向一致在半导体器件中，漂移电流和扩散电流通常同时存在，总电流为二者之和在平衡状态下，漂移电流和扩散电流相互抵消载流子连续性方程详解连续性方程的物理意义数学表达式载流子连续性方程描述了半导体中载流子浓度随时间和空间的变化规律，基于粒子数守恒原理其中•Gn、Gp分别为电子和空穴的生成率•Rn、Rp分别为电子和空穴的复合率生成过程复合过程光激发、热激发、撞击电离等可以产生电子-空穴对，增加载流子浓度直接复合、间接复合（通过陷阱能级）、俄歇复合等机制导致载流子浓度减少教学案例结电流测量实验PN实验目的•测量PN结二极管的电流-电压特性•确定理想因子、反向饱和电流等参数•分析温度对PN结特性的影响实验步骤

1.搭建测量电路，包括可调电源、数字万用表

2.在不同温度下（25℃、50℃、75℃）测量I-V特性

3.使用半对数坐标绘制I-V曲线

4.从曲线斜率确定理想因子n

5.外推曲线获取反向饱和电流Is数据分析方法将二极管方程转换为从lnI-V图的斜率计算理想因子教学案例载流子迁移率测定实验原理利用霍尔效应测量载流子浓度和迁移率当半导体样品处于磁场中并通过电流时，载流子受洛伦兹力作用偏转，产生霍尔电压其中RH为霍尔系数，通过测量霍尔电压计算载流子迁移率计算霍尔效应测量装置示意图其中σ为电导率，通过四探针法测量13504508500硅中电子迁移率cm²/V·s硅中空穴迁移率cm²/V·s砷化镓中电子迁移率cm²/V·s代表性研究成果介绍载流子输运模型改进新型半导体材料应用藤野教授团队开发了考虑高电场效应开发了一种新型硅-锗合金半导体材的新型载流子输运模型，能更准确预料，通过精确控制组分比例和应变工测纳米级器件中的电子行为该模型程，显著提高了载流子迁移率已被三家国际半导体公司采用该材料已应用于高性能集成电路，提升了芯片运行速度约25%相关成果发表于《IEEETransactions onElectronDevices》等顶级期刊器件性能优化策略提出了一种基于载流子寿命调控的器件性能优化方法，通过控制复合中心浓度，平衡了器件的开关速度和功耗该技术已获得4项国际专利，并在功率电子器件中得到实际应用研究成果实例一载流子迁移率提升技术技术原理实验数据与性能提升藤野教授团队通过在硅基材料中引入应变层和纳米结构，有效减少了载流子散射，显著提高了载流子迁移率•应变工程通过在硅基底上生长SiGe薄膜，利用晶格失配产生应变•量子限制效应设计量子阱结构，限制载流子运动维度•表面钝化采用特殊表面处理工艺，减少界面散射常规结构改进结构单位cm²/V·s（25℃）研究成果实例二结电流特性模拟PN数值模拟方法藤野教授团队开发了一套先进的PN结电流特性模拟系统，能够精确预测实际器件的电学行为•基于有限元方法求解载流子连续性方程•考虑高注入效应、隧穿效应等非理想因素•引入温度依赖性、量子效应等高级物理模型•自适应网格技术提高空间分辨率和计算效率模拟与实验对比模拟结果与实验测量数据吻合度高达98%，特别是在高电流区域和击穿区域表现优异该模拟系统已应用于二极管、晶体管等器件的设计优化，有效缩短了产品开发周期学科发展趋势半导体材料新突破量子效应与未来电子学二维材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物）展现出优异的电学特性，有望用量子点、量子阱等量子结构在新型光电子器件中发挥重要作用于后摩尔时代的器件量子计算元件如超导量子比特、拓扑量子比特等成为研究热点宽禁带半导体（如SiC、GaN）在高温、高频、高功率应用中表现突出自旋电子学、谷电子学等利用电子内禀自由度的新兴学科方向兴起新型有机半导体材料在柔性电子领域取得重大进展123纳米电子器件发展器件尺寸持续缩小，已进入5nm制程节点，面临量子效应、短沟道效应等挑战三维集成、异构集成技术成为提升芯片性能的重要方向新型器件结构（如FinFET、GAAFET）不断涌现，以克服传统平面结构的局限藤野教授团队正积极探索这些新兴方向，将基础理论研究与实际应用紧密结合未来教学展望融合实验与理论教学打破传统理论课与实验课的界限，采用理论-实验-理论交替教学模式开发沉浸式虚拟实验室，让学生能随时进行复杂实验模拟建立校企联合实训基地，让学生直接接触产业前沿技术与设备引入计算模拟工具将专业仿真软件（如Sentaurus TCAD）融入课程教学开发针对教学优化的简化版模拟工具，降低学习门槛通过可视化技术，直观展示微观物理过程培养跨学科创新人才设置跨学科课程模块，涵盖材料科学、微电子学、人工智能等领域组织跨学科学生团队，完成综合性创新项目邀请不同领域专家进行前沿讲座，拓展学生视野半导体器件发展时间轴1947年贝尔实验室发明晶体管1958年第一个集成电路问世1965年摩尔定律提出1971年英特尔推出首款商用微处理器1982年藤野宰教授开始半导体研究1990年纳米电子学兴起2001年藤野教授载流子输运模型获国际认可2010年量子计算元件研究加速2018年藤野教授团队开发新型半导体材料2023年5nm工艺节点实现量产课程结构与教学方法课程结构理论讲授与案例分析采用启发式教学，通过实际器件案例引入理论知识每个关键概念配以工程应用实例，增强理解利用3D可视化技术，直观展示微观物理过程实验操作与数据处理设置由简到难的实验项目，培养实验技能要求学生自行设计部分实验方案，培养创新能力教授专业数据处理方法，提高科研能力互动讨论与问题解决设置开放性问题，鼓励学生小组讨论采用翻转课堂模式，学生轮流讲解难点定期举办学术沙龙，邀请业界专家参与讨论学生反馈与教学效果学生满意度调查数据优秀学生作品与成果•吴明辉（2021级）设计的新型PN结光电探测器获全国大学生创新大赛一等奖•陈立华（2020级）课程作业发展为SCI论文，发表于《AppliedPhysics Letters》•张宏远（2019级）基于课程项目创办半导体测试设备创业公司教学改进方向•加强课程资源建设，开发更多在线学习材料•增加前沿技术内容，保持课程与产业发展同步•改进实验设备，提供更好的实践环境满分10分，基于最近三年学生评教数据相关参考书籍与资料《半导体物理基础》《电子信息设计导论》藤野宰教授讲义与论文集作者刘恩科、朱秉升作者藤野宰、王立新内容包含教授近年来的教学讲义、实验指导书和代表性学术论文出版社电子工业出版社出版社高等教育出版社特点涵盖前沿研究成果，深入浅出，适合高年特点系统介绍半导体物理基础理论，是国内半特点融合半导体理论与实际应用，案例丰富，级本科生和研究生学习导体物理教学的经典教材实用性强除上述资料外，课程还推荐《Semiconductor Physicsand Devices》（Donald A.Neamen著）、《Physics ofSemiconductor Devices》（S.M.Sze著）等国际经典教材作为补充阅读材料课件资源与辅助工具多媒体教学素材仿真软件推荐•3D动画演示半导体物理过程Sentaurus TCAD•交互式模拟实验平台•知识点精讲微视频集专业半导体器件仿真软件，支持2D/3D模拟，适合深入研究•半导体制造工艺全流程虚拟展示SPICE电路仿真软件，用于器件特性与电路性能分析半导体物理教学辅助软件藤野教授团队自主开发，专为教学设计，界面友好，易于上手所有教学资源均可通过课程在线平台（http://semi-physics.edu.cn）获取，支持PC端和移动端访问跨学科合作案例半导体物理1材料科学2电子工程人工智能量子物理3生物医学与材料科学的结合与计算机科学的交叉实际工程项目应用藤野教授团队与材料学院合作，开发新型柔性半导体材与计算机学院合作，将人工智能算法应用于半导体器件与国内领先芯片企业合作，将研究成果应用于高性能传料，实现了在弯曲条件下稳定工作的电子器件该项目设计优化，建立了基于深度学习的器件性能预测模型，感器芯片开发，成功应用于智能汽车、医疗设备等领获国家自然科学基金重点项目支持，已申请专利8项设计效率提高了40%域典型问题解析载流子复合机制难点PN结非理想效应实验数据异常处理学生常见问题直接复合与间接复合的学生常见问题为什么实际PN结二极管学生常见问题霍尔效应测量中，为什区别是什么？为什么间接复合在硅中更常的I-V特性与理想方程有偏差？么有时会得到异常的载流子迁移率值？见？解析实际PN结存在多种非理想效应解析异常数据可能来源于

①样品不均解析直接复合是电子直接与价带空穴复

①高注入效应导致少数载流子浓度显著增匀性导致的局部效应；

②温度波动影响载合释放能量，需要同时满足能量和动量守加；

②空间电荷区复合-生成电流；

③欧流子行为；

③测量电极接触不良；

④磁场恒间接复合通过中间能级（杂质或缺姆接触电阻和体电阻的影响；

④表面漏电不均匀；

⑤样品边界效应等建议通过重陷）进行，可分步释放能量硅是间接带流；

⑤隧穿效应等这些因素共同导致实复测量、温度控制、改进电极制备工艺等隙半导体，直接复合需要声子参与以满足际器件行为偏离理想模型，特别是在低电方法提高测量准确性必要时采用van动量守恒，概率较低，因此间接复合占主流和高电流区域更为明显der Pauw方法消除样品形状影响导结语探索微观世界，创造宏观未来藤野宰教授始终坚持理论联系实际、知识服务创新的教学理念，致力于培养具有扎实理论基础和实践能力的半导体人才期望学生们能够•掌握基础理论，理解物理本质•具备实验技能，善于发现问题•拓展学科视野，勇于跨界创新•关注产业应用，服务国家发展半导体技术是现代信息社会的基石，希望大家能在这个领域不断探索，为人类进步贡献力量！致谢团队成员合作伙伴感谢藤野宰教授研究团队的全体成感谢半导体物理与器件国家重点实验员，包括副教授李明亮、张伟华，助室、中国科学院半导体研究所、华为理教授王丽、刘强，以及所有研究生技术有限公司、中芯国际集成电路制和技术人员他们的辛勤工作和智慧造有限公司等机构的大力支持，为课贡献使本课程内容不断丰富和完善程提供了宝贵的实践资源和研究数据学生与同行感谢多年来参与课程学习的所有学生，你们的反馈和建议是课程不断改进的动力感谢国内外同行专家的交流与指导，使课程视野更加开阔QA欢迎提问与交流共同探讨半导体物理的奥秘电子邮件fujino@semi-physics.edu.cn实验室地址电子信息大楼B区405室答疑时间每周三14:00-16:00。