半导体材料的发展及应用培训教材
合集下载
半导体材料第1讲-绪论
1
现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的 加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决，就可以为我们提供一个非常广阔的发现新材料的空间。
半导体材料
陈易明
物 质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称 为绝缘体。电阻率ρ≥109Ωcm
01
而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。电阻率ρ≤10-6Ωcm
02
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。 10-3≤ ρ ≤109
从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术水平最高水平在45nm(中芯国际)
硅单晶及其外延
硅的直径为什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸发展，而是从8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》，所谓《摩尔定律》就是每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。
同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。
01
半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。
半导体整套课件完整版电子教案最全PPT整本书课件全套教学教程
1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
上一页 下一页 返回
1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
上一页 下一页 返回
1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
半导体材料的发展及应用课件
半导体材料的发展及应用课件
contents
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的特性 • 半导体材料的应用 • 新型半导体材料的研究进展 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
半导体是指导电性能介于导体和绝缘 体之间的材料。它们具有特殊的电学 、光学和热学性质，是制造电子器件 和集成电路的关键材料。
折射率与光学非线性
半导体材料的折射率较高，且具有较大的光学非线性系数，可用于 光学器件和倍频技术。
热学特性
01
02
03
热导率
半导体材料的热导率相对 较低，不利于热量的快速 传导。
热稳定性
半导体材料在高温下容易 发生热激发和热分解，影 响其稳定性和可靠性。
热膨胀系数
半导体材料的热膨胀系数 与封装材料和衬底的热膨 胀系数相关，需要考虑匹 配和兼容性。
碳纳米管在制造高灵敏度传感器 、高效储能器件、高性能复合材
料等领域具有广泛应用前景。
碳纳米管在电子器件领域的应用 研究已经取得了一些突破，但仍 需要解决制备成本高、稳定性差
等问题。
石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有极高的电导率、热导 率和强度。
石墨烯在制造透明导电膜、高性能储能器件、传感器等领域具有广泛应 用前景。
微电子领域
微电子领域是半导体材料应用的重要 领域之一，主要涉及集成电路、微处 理器、晶体管等元器件的制造。
随着技术的不断发展，半导体材料在 微电子领域的应用将更加广泛，例如 在人工智能、物联网、5G等领域的应 用。
半导体材料在微电子领域的应用，使 得电子设备更加小型化、高效化和智 能化。
光电子领域
其他新型半导体材料
contents
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的特性 • 半导体材料的应用 • 新型半导体材料的研究进展 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
半导体是指导电性能介于导体和绝缘 体之间的材料。它们具有特殊的电学 、光学和热学性质，是制造电子器件 和集成电路的关键材料。
折射率与光学非线性
半导体材料的折射率较高，且具有较大的光学非线性系数，可用于 光学器件和倍频技术。
热学特性
01
02
03
热导率
半导体材料的热导率相对 较低，不利于热量的快速 传导。
热稳定性
半导体材料在高温下容易 发生热激发和热分解，影 响其稳定性和可靠性。
热膨胀系数
半导体材料的热膨胀系数 与封装材料和衬底的热膨 胀系数相关，需要考虑匹 配和兼容性。
碳纳米管在制造高灵敏度传感器 、高效储能器件、高性能复合材
料等领域具有广泛应用前景。
碳纳米管在电子器件领域的应用 研究已经取得了一些突破，但仍 需要解决制备成本高、稳定性差
等问题。
石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有极高的电导率、热导 率和强度。
石墨烯在制造透明导电膜、高性能储能器件、传感器等领域具有广泛应 用前景。
微电子领域
微电子领域是半导体材料应用的重要 领域之一，主要涉及集成电路、微处 理器、晶体管等元器件的制造。
随着技术的不断发展，半导体材料在 微电子领域的应用将更加广泛，例如 在人工智能、物联网、5G等领域的应 用。
半导体材料在微电子领域的应用，使 得电子设备更加小型化、高效化和智 能化。
光电子领域
其他新型半导体材料
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
4
按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
ppt课件.
5
5
3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
ppt课件.
11
11
(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
ppt课件.
12
12
硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
半导体材料的应用及发展趋势.pptx
延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子 束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微 晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类 型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。三
、半导体材料发展现状相对于半导体设备市场，半导体 材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长， 材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场 所带来的阴影。按销售收入计算，半导体材
、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、 Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被 利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素 已得到利用。Ge、Si
仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。（半导体 材料）2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元 系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪 锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:
Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固 溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb
-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改 善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大 作用。（半导体材料元素结构图）半导体材料三元系包 括：族:这是由一
由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成， 典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用 方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元 素Zn、
Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要 的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ 族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化 合
半导体材料的发展及应用培训
半导体材料在能源领域的应用
• 能源领域的应用 • 半导体材料广泛应用于太阳能电池、燃料电池等能源器件的制 造 • 半导体材料在能源领域的应用具有重要意义，推动了清洁能源 技术的发展
05
半导体材料的发展趋势与挑战
半导体材料的未来发展趋势
• 未来发展趋势 • 半导体材料将继续向高纯度、高性能、低成本等方向发展 • 新型半导体材料的研究与应用将不断深入，推动半导体产业的 创新发展
硅的发明
• 1950年代，贝尔实验室的威廉·肖克利等人发明硅晶体管 • 硅晶体管的发明标志着半导体材料在电子器件中的广泛 应用
半导体材料的发展历程与重要突破
半导体材料的发展历程
• 1960年代，硅和锗半导体材料广泛应用于集成电路制造 • 1970年代，化合物半导体和宽带隙半导体研究取得重要进展
重要突破
03
半导体材料的主要制备技术
化学气相沉积(CVD)技术
化学气相沉积技术简介
• 化学气相沉积是一种通过化学反应在固体表面生成薄膜的方法 • 具有高纯度、高生长速率和良好的膜层质量等优点
化学气相沉积技术的应用
• 化学气相沉积技术广泛应用于硅、镓砷化物等半导体材料的制备 • 可以用于制备薄膜半导体材料在光电子器件中取得广泛应用 • 1990年代，碳化硅和氮化镓半导体材料在能源领域取得重要突破
半导体材料的当前状况与市场应用
当前状况
• 半导体材料在电子、光电子、能源等领域具有广泛应用 • 半导体材料的研究不断深入，新型半导体材料不断涌现
市场应用
• 半导体材料在集成电路、光电器件、太阳能电池等领域 具有广泛应用 • 半导体材料的市场规模不断扩大，产业发展前景广阔
半导体材料的发展及应用培训
半导体材料培训
1.2半导体材料的类别
对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、 化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。 在化合物阶段， 所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。
例如我们看砷化镓：它是半导体，如果把Ga下面的In替换镓，就变成InAs， 也是半导体，同样，如果把As替换成P或Sb，同样也是半导体。 这种替换是垂直方向的，它服从周期表的规律，即从上往下金属性变强， 最后就不是半导体了。 也可以在周期表中进行横向置换，仍以GaAs为中心，Ga向左移变成Zn，As 向右移变成Se，ZnSe是半导体。 这些置换都要注意原子价的平衡。在垂直移动时，原子价不发生变化，但 在横向移动时，就要考虑两个元素同时平移。 同时在原子价总和不变的前提下也可以用两元素取代一个，例如ZnSe，Zn 是二价，与可以用其左右的Cu与Ga取代，即CuGaSe2也是半导体材料。这样 可以导出三元化合物半导体。 另外可用莫塞（Mooser）-皮尔狲（Pearson） 法则来进行推算，此法能预 测大多数化合物是否具有半导体性质，但对某些化合物，如金属的硼化物的 判断就不够准确。
BC 硼碳
Si P S 硅磷硫 Ge As Se 锗砷硒 Sn Sb Te I 锡锑碲碘
图1.1元素半导体在周期表中的位置
在磷的同素异形体中，只有黑磷具有半导体性质，由于制备黑磷及其单晶的难 度较大，未获工业应用。 砷的同素异形体之一的灰砷具有半导体性质，但由于制备单晶困难，且其迁移 率较低，故未获应用。 锑的同素异形体之一的黑锑具有半导体性质，但它在0oC以上不稳定，亦未获 应用。 硫的电阻率很高，属绝缘体，但它具有明显的光电导性质。硫作为半导体材料 还未获得应用。 硒的半导体性质发现得很早，现用于制作整流器、光电导器件等。 碲的半导体性质已有较多的研究，但因尚未找到n型掺杂剂等原因，未得到应 用。
《半导体产品培训》课件
物联网技术对半导体的需求
传感器需求：物联网设备需要大量的传感器来感知环境
存储芯片需求：物联网设备需要存储芯片来存储数据
计算芯片需求：物联网设备需要计算芯片来处理数据
通信芯片需求：物联网设备需要通信芯片来传输数据
未来半导体市场的发展趋势
5G技术的普及将推动半导体市场的增长
人工智能、物联网等新兴技术的发展将带动半导体市场的需求
封装技术的发展历程：从最初的TO封装到现代的BGA封装，封装技术不断进步
封装技术的分类：根据封装材料的不同，可以分为塑料封装、陶瓷封装、金属封装等
封装技术的发展趋势：向着小型化、高密度、高可靠性方向发展，以满足现代电子产品的需求
半导体产品研发与生产
半导体产品研发流程
需求分析：确定产品需求，包括性能、成本、可靠性等
设计阶段：进行电路设计、仿真、验证等
制造阶段：进行晶圆制造、封装、测试等
量产阶段：进行大规模生产，保证产品质量和成本控制
售后服务：提供技术支持和售后服务，确保客户满意度
半导体产品生产流程
设计阶段：确定产品规格、性能、成本等要求
制造阶段：包括晶圆制造、芯片制造、封装测试等步骤
测试阶段：对产品进行性能、可靠性等测试
量产阶段：根据市场需求进行大规模生产
质量控制：确保产品质量符合标准要求
售后服务：提供技术支持和维修服务
半导体产品测试与验证
测试目的：确保产品性能和质量符合设计要求
测试方法：包括功能测试、性能测试、可靠性测试等
测试工具：包括测试设备、测试软件等
测试结果分析：对测试数据进行分析，找出问题并提出改进措施
半导体产品技术发展
半导体材料技术发展
添加标题
硅材料：广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域