先进半导体敏感材料56页PPT
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半导体基础知识PPT培训课件
半导体基础知识ppt培 训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
功能材料课件-敏感材料
气敏陶瓷
气敏材料
材料： SnO2主要用于可燃性气体检测，如氢、甲烷、丙烷、乙醇、 丙酮、一氧化碳、煤气、天然气的检测 ZnO主要用于氢、一氧化碳、氟利昂气体 γ-Fe2O3主要用于异丁烷气体和石油液化气检测 ZrO2主要用于氧气检测，是利用氧浓度差原理 钙钛矿（ABO3）型气敏材料主要用于乙醇气体检测
气敏陶瓷
气敏材料
气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤 气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气 体测量、酒精浓度探测等方面。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
湿敏陶瓷
湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的敏 感元件，可将湿度的变化转变为电讯号，易于实现湿度指示、 记录和控制自动化。
压敏材料
压敏电阻材料 ZnO系压敏电阻 ZnO 压敏电阻陶瓷材料主要成分ZnO Bi2O3、Co2O3、MnO2、Cr2O3添加剂的作用大都是偏析在 晶界上形成阻挡层。
Al2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、B2O3 和PbO 等添加剂起 降低烧结温度和控制晶粒尺寸的作用。
压敏材料 压敏电阻材料 ZnO系压敏电阻
压敏材料
压敏电阻材料 压敏陶瓷电阻器根据所应用的电压范围可以分为： 高压压敏电阻器 中压压敏电阻器 低压压敏电阻器
其中低压压敏电阻器又分为压敏电压为4.7—22 V 的低压压敏电阻器和22—68 V 的低压、大通流容量压敏 电阻器。目前，国内外重点研究低压压敏陶瓷材料、电 容–压敏复合功能陶瓷材料以及高压压敏陶瓷材料。
气敏陶瓷
固体电解质气敏模型 固体电解质气敏机理不是靠材料中的电子或空穴导电。
而是靠气敏材料中的阳离子或阴离子导电，一般将这种传导性 称为固体电解质，如稳定性能好的ZrO2 。
第四章半导体材料-PPT课件
h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米 结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器 件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本， 称为光电集成。
统称为半导体微结构材料（人工材料）
A B 异质结—两种不同半导体材料组成的结 量子阱—两个同样异质结背对背 ABA B ABA B 超晶格—两种或以上薄层周期性交替 生长。
半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维 电子气 理论上证明：二维运动电子发射光比 体材料三维运动电子发光更集中，更适合 做激光器，还有其他应用。 可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光 学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能 带裁剪工程。 二、超晶格种类 1、组分超晶格 不同半导体材料薄膜堆垛而成。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P
施主
P
P
n型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。
先进半导体敏感材料
先进半导体敏感材料半导体敏感材料是一种特殊的材料，它具有对外部刺激非常敏感的特性。
它可以在受到光、电磁波、温度等物理量影响时发生显著的变化，因此在很多领域都得到了广泛的应用。
首先，半导体敏感材料在光电器件中的应用非常重要。
比如，光敏半导体红外探测器材料具有优异的光电转换效率和响应速度，可以用于夜视设备、红外测温仪等领域。
此外，光敏半导体材料还可以用于太阳能电池，将太阳光转化为电能，具有非常大的市场潜力。
其次，半导体敏感材料在电磁波测量中也具有重要应用。
例如，用于无线电频谱分析仪的压电传感器材料可以根据输入的电磁波信号强度，输出相应的电压信号，从而实现对电磁波的测量。
这种材料可以广泛应用于通信、雷达、无线电等领域。
此外，半导体敏感材料在温度测量领域也非常重要。
温度传感器是现代工业和生活中广泛使用的传感器之一，半导体热敏材料是温度传感器中常用的一种材料。
当温度发生变化时，热敏材料的电阻会产生相应的变化，通过测量电阻值的变化可以得到温度的信息。
半导体敏感材料不仅在上述领域有着广泛的应用，还在医疗设备、环境监测等方面发挥着重要作用。
例如，半导体气敏材料可以根据周围气体成分的变化，输出相应的电信号，可以用于气体检测、空气质量监测等领域。
然而，半导体敏感材料的制备和应用也面临着一些挑战。
首先，制备高质量的半导体敏感材料需要精密的工艺和设备，制备过程复杂；其次，材料的稳定性和重复性也是制约其应用的因素，需要不断优化。
此外，随着材料的发展和应用的需求，还需要不断研发新的半导体敏感材料，以满足不同领域的需求。
总之，半导体敏感材料在光电、电磁波、温度等测量领域具有广泛的应用。
它在提高测量精度、响应速度和稳定性等方面具有独特优势。
预计随着技术的不断发展和半导体敏感材料的进一步研究，其应用范围将会更加广泛，并且能够在更多领域中发挥作用。
先进半导体敏感材料资料
InSb红外光探测主要性能
17
铅盐化合物PbS、PbSe均为本征光电导红外探测器材料， PbS广泛用于制备1-3 μm探测器，其器件制备工艺简单， 成本低。
铅盐红外光探测器的主要性能
18
Si和Ge是主要的非本征红外（光电导）探测器材料带隙大 小适中。
低背景应用时某些Si、Ge红外探测器的主要性能
Si、Ge、InSb的压敏效应参数
5
半导体力敏元件（应变片）可制出压力传感器、 加速度传感器等器件。 SiC也可用于制备高温压力传感器。已有报道工 作温度高达600 ℃的6H-SiC高温压力传感器。 金刚石也是制作高温压力传感器的优良材料，受 缺乏单晶衬底的限制，其工作温度仅为300 ℃.
23
1992年首次制出AlGaN PC型紫外光探测器，在365 nm波 长时，峰值响应率（似应为电流灵敏度）为1000 A/W。 1995年，用CVD工艺制出了PC型金刚石紫外光探测器， 它对200 nm波长光的响应比对可见光的响应大106，暗电 流小于0.1 nA。 1964年，用3C-SiC制出了PV型紫外光探测器（光二极 管），250 nm波长时，最大响应率72 mA/W，量子效率 36%。一般SiC光二极管在250-300 nm时，响应率为150240 mA/W，量子效率在60%以上。
产生电能 转换灵敏度用机电耦合系数K表示： K 输入机械能
12
7
常见半导体压电材料
8
7.2 光敏材料
半导体光敏材料主要是利用这类材料所具有的光电导效应 以制备相应的传感（探测）器件。 光电导效应是半导体表面受到光照时，其电导率增大的现 象。 根据本征吸收限波长λc与材料带隙Eg的关系，可以容易地 算出半导体光敏材料的吸收限波长（吸收边）。
17
铅盐化合物PbS、PbSe均为本征光电导红外探测器材料， PbS广泛用于制备1-3 μm探测器，其器件制备工艺简单， 成本低。
铅盐红外光探测器的主要性能
18
Si和Ge是主要的非本征红外（光电导）探测器材料带隙大 小适中。
低背景应用时某些Si、Ge红外探测器的主要性能
Si、Ge、InSb的压敏效应参数
5
半导体力敏元件（应变片）可制出压力传感器、 加速度传感器等器件。 SiC也可用于制备高温压力传感器。已有报道工 作温度高达600 ℃的6H-SiC高温压力传感器。 金刚石也是制作高温压力传感器的优良材料，受 缺乏单晶衬底的限制，其工作温度仅为300 ℃.
23
1992年首次制出AlGaN PC型紫外光探测器，在365 nm波 长时，峰值响应率（似应为电流灵敏度）为1000 A/W。 1995年，用CVD工艺制出了PC型金刚石紫外光探测器， 它对200 nm波长光的响应比对可见光的响应大106，暗电 流小于0.1 nA。 1964年，用3C-SiC制出了PV型紫外光探测器（光二极 管），250 nm波长时，最大响应率72 mA/W，量子效率 36%。一般SiC光二极管在250-300 nm时，响应率为150240 mA/W，量子效率在60%以上。
产生电能 转换灵敏度用机电耦合系数K表示： K 输入机械能
12
7
常见半导体压电材料
8
7.2 光敏材料
半导体光敏材料主要是利用这类材料所具有的光电导效应 以制备相应的传感（探测）器件。 光电导效应是半导体表面受到光照时，其电导率增大的现 象。 根据本征吸收限波长λc与材料带隙Eg的关系，可以容易地 算出半导体光敏材料的吸收限波长（吸收边）。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
敏感材料PPT课件
化1℃时，热敏电阻阻值的变化率。即
T
1 RT
•
dRT dT
αT和RT对应于温度T(K)时的电阻温度系数和电
阻值，在工作温度范围内，αT不是一个常数。
热敏电阻的温度系数绝对值比金属高很多倍，
灵敏度较高，且电阻大，测量线路简单，不需要考
虑引线带来的误差，能够远距离测量。
5
敏感材料-热敏陶瓷
材料制作的PTC；另一类是以氧化钒为基的材料。
1. BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷
(1) BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件 当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶
界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。PTC效应完
全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单
晶不具有PTC效应。
纯BaTiO3具有较宽的禁带，室温下的电阻率为 1012cm，接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
Ba2+，或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+，获得电阻率 为103-105cm的n型半导体。电阻率一般随掺杂浓度
的增加而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低
值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚至变成
绝缘体。
BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓度(质量分 数)为：Nd 0.05％，Ce、La、Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35 ％。
需要在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的PTC
特性，电阻率为1-103cm。
15
敏感材料-热敏陶瓷
(4) BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺：
A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受 主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限
度。一般控制在0.01mol%以下。 B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合 成时引入，含量在0.2~0.3mol%这样一个狭窄的范围 内。
半导体材料 ppt课件
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。