半导体材料-硅-其他(1)
半导体材料体系
半导体材料体系
半导体材料体系指的是由半导体材料构成的系统。
半导体材料是指能够在一定范围内调节电子的导电性质的材料，主要包括硅、锗、砷化镓、磷化铝等。
半导体材料体系通常包括以下几个方面：
1. 单晶硅体系：单晶硅是半导体工业的基础材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
2. III-V族化合物半导体体系：包括砷化镓、氮化镓、磷化铟等化合物半导体材料，常用于高速电子设备、光电器件等方面。
3. 硅化物半导体体系：包括碳化硅、氮化硅等化合物半导体材料，具有高温、高功率等特性，主要应用于功率器件、蓝光LED等领域。
4. 有机半导体体系：具有可制备性、柔性、低成本等优点，主要应用于柔性显示、传感器等领域。
不同的半导体材料体系具有不同的特性和应用领域，对于半导体产业的发展起到了至关重要的作用。
半导体材料举例
半导体材料举例半导体材料是一种特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的电导率。
它们在现代电子学中扮演着重要的角色，被广泛应用于电子器件、光电器件、太阳能电池等领域。
下面列举了一些常见的半导体材料。
1. 硅（Si）：硅是最常见的半导体材料之一，具有良好的电学性能和化学稳定性。
它被广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
2. 碳化硅（SiC）：碳化硅是一种新型的半导体材料，具有高温、高压、高频等特殊性能。
它被广泛应用于电力电子、汽车电子等领域。
3. 氮化镓（GaN）：氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有高电子迁移率和高饱和漂移速度。
它被广泛应用于LED、激光器等领域。
4. 磷化镓（GaP）：磷化镓是一种窄禁带半导体材料，具有良好的光电性能。
它被广泛应用于光电器件、太阳能电池等领域。
5. 砷化镓（GaAs）：砷化镓是一种高速、高频半导体材料，具有良好的电学性能和光电性能。
它被广泛应用于微波器件、光电器件等领域。
6. 氮化铝（AlN）：氮化铝是一种宽禁带半导体材料，具有良好的热导率和机械性能。
它被广泛应用于高功率电子器件、LED等领域。
7. 氮化硼（BN）：氮化硼是一种高温、高硬度半导体材料，具有良好的热导率和化学稳定性。
它被广泛应用于高温电子器件、陶瓷材料等领域。
8. 氧化锌（ZnO）：氧化锌是一种宽禁带半导体材料，具有良好的光电性能和化学稳定性。
它被广泛应用于光电器件、传感器等领域。
9. 硒化铟（In2Se3）：硒化铟是一种新型的半导体材料，具有良好的光电性能和化学稳定性。
它被广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。
10. 硫化镉（CdS）：硫化镉是一种窄禁带半导体材料，具有良好的光电性能和化学稳定性。
它被广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。
半导体材料在现代电子学中扮演着重要的角色，不同的半导体材料具有不同的特殊性能，可以满足不同领域的需求。
随着科技的不断发展，相信半导体材料的应用领域会越来越广泛。
半导体材料硅的基本性质
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）硅与金属的作用
硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反应
1400℃
Si +SiO2 →2SiO
在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。
半导体材料硅的基本性质
一．半导体材料
1.1固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：
图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围
1.2半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：
元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
图2.5 原子能级和能带
3. 导体、半导体及绝缘体的能带模型
半导体材料硅其他
双面电池技术可以提高硅基太阳能电池的吸收效率和发电量，逐渐得到广泛应用。
智能电网技术不断发展
智能电网技术可以实现电力的高效调度和分配，提高电力供应的可靠性和稳定性，为硅基太阳能电池的应用提供了更广阔 的市场前景。
硅基LED芯片的发展
LED照明市场不断扩大
随着LED照明技术的不断发展，LED照明市场不断扩大，对硅基LED芯片的需求也不断增 加。
高亮度LED芯片不断发展
高亮度LED芯片的发展可以实现更高的亮度和更广的应用范围，如汽车照明、户外显示屏 等。
LED芯片智能化发展
通过将传感器、控制电路等智能化元件集成到LED芯片中，可以实现更智能化的照明和显 示效果，提高照明质量和视觉体验。
05
半导体材料硅的前沿研究
硅基集成电路的前沿研究
硅基集成电路是当前电子信息技术发展的核心驱 动力，其前沿研究主要集中在以下几个方面
多结太阳能电池：多结太阳 能电池是指将不同禁带宽度 的半导体材料结合在一起， 从而吸收更多太阳光谱的光 线，提高太阳能电池的转换 效率。
硅基LED芯片的前沿研究
硅基LED芯片是一种新型的照明技术，其前沿研 究主要集中在以下几个方面
多色：多色硅基LED芯片的发展可以使得照明更 加丰富多彩，包括高亮度红、橙、黄、绿、蓝、 靛、紫等不同颜色的LED芯片。
通过掺杂反应，可以改变硅晶体的导电性和光学性质。例如，掺磷的硅晶体具有 较高的导电性，常用于制造集成电路和太阳能电池。而掺硼的硅晶体则具有较好 的光学性质，常用于制造光纤和光学器件。
03
半导体材料硅的应用
集成电路
1 2 3
微处理器
微处理器是计算机的核心部件，采用硅基集成 电路，可完成运算、控制等操作。
常用的半导体单晶材料
常用的半导体单晶材料
半导体材料是现代电子科技的基础。
常用的半导体单晶材料包括硅、锗、砷化镓、硒化铟、氮化镓等。
以下是我对各种材料的介绍和应用。
1. 硅
硅是最常见的半导体材料。
其结晶格子具有优异的周期性，加之有很
多方法可以获得高纯度的硅单晶。
硅的禁带宽度约为1.1电子伏特，
可以导电也可以不导电。
在电子元器件中，硅是最重要的原料之一。
从集成电路到太阳能电池，硅都扮演着重要的角色。
2. 锗
锗是另一种常见的半导体材料，相较于硅，其导电性和光学性质较为
优越，可用于制作红外探测器等器件。
然而，由于热力学上的限制，
用锗制作高灵敏度元件的难度相对较高。
3. 砷化镓
砷化镓是一种优秀的半导体材料，拥有很宽的带隙（1.43电子伏特），以及良好的电学和光学特性。
它被广泛应用于微波电子学、激光器和LED等器件的制造。
4. 硒化铟
硒化铟也是一种重要的半导体材料。
虽然其带隙只有0.25电子伏特，但其好的电学性能和红外光学性能使得它在红外目标识别、近红外发光器和高速光通信等领域发挥了重要作用。
5. 氮化镓
氮化镓是最近发展起来的一种半导体材料，由于其具有高硬度、高热导率、高抗氧化性、高光学透明性等特性，被广泛应用于高功率电子器件的制造，如蓝光激光器、高频高功率晶体管等。
总之，以上提到的半导体材料都是现代电子技术不可或缺的原材料，它们在电子学、光学、材料科学等方面发挥重要的作用。
未来，随着科技的发展，半导体材料的种类和应用也将随之增加和扩展。
常用半导体材料
常用半导体材料
半导体材料是指介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电能力的材料。
常用的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等。
这些材料在电子器件中有着
广泛的应用。
硅是最常见的半导体材料，广泛应用于集成电路（IC）、太阳能电池、光电器件等领域。
硅具有良好的热稳定性、机械强度和可加工性，制备工艺成熟，成本相对较低，是目前集成电路工业所采用的主要材料。
锗是一种重要的半导体材料，具有较高的载流子迁移率和较小的禁带宽度，适用于高速电子器件的制备。
锗晶体的熔点较低，可以直接生长单晶，用于制备高频收发器、微波器件等。
氮化镓是一种宽禁带半导体材料，主要用于制作高亮度发光二极管（LED）和激光器。
氮化镓具有较大的能带隙，能够发射出可见光甚至紫外光，具有优异的光电性能和较长的寿命。
砷化镓是一种III-V族半导体材料，具有优异的电子和光电性能，适用于高速电子器件、光电器件等领域。
砷化镓的电子迁移率较高，适用于高频器件的制备，而其能带结构可以制作高效的太阳能电池。
除了以上几种常用的半导体材料，还有许多其他材料也具有半导体性质，如砷化磷（GaP）、碲化锌（ZnTe）、硒化镉（CdSe）等。
这些半导体材料在不同的应用领域具有独特的
优势，被广泛应用于电子、光电、信息、能源等高科技领域。
总之，半导体材料是现代科技领域中不可缺少的重要材料，对于电子器件的发展和应用起着关键作用。
随着科技的进步，新的半导体材料也将不断涌现，进一步推动各个领域的发展。
半导体用的硅材料
半导体用的硅材料
一、硅材料
1、什么是硅材料
硅材料是一类经过精密加工和处理后，具有良好物理性能的半导体材料，它是半导体器件的基础组成部分。
硅材料具有优异的热稳定性、电性能和耐电压能力，是现代电子器件制造中不可缺少的重要原料。
2、硅材料的种类
硅材料可分为多种类型，按其微结构可以排列为晶体硅、气相沉积硅（CVD）、液相硅（LPCVD）、固体溶解硅、金属硅和化学气相沉积硅（PECVD）等几种。
3、硅材料的用途
硅材料是半导体电子元件的基本材料，可用于制作晶体管、晶闸管、半导体功率器件、芯片、半导体存储器、晶体管滤波器、互连器件和开关电路等，它们支撑着全球的信息网络和网络安全。
二、用于半导体产业的硅材料
1、Czochralski硅
Czochralski硅材料是以Czochralski法制备的硅单晶，它是玻璃改性的典范，可以用作半导体工艺中的衬底以及元器件的封装，它可以用于制作细小微型器件，是半导体行业中不可缺少的重要材料。
2、太阳能电池板硅
太阳能电池板是一种由多层硅片叠加而成的复合太阳能材料，是
太阳能发电技术的重要组成部分。
太阳能板的硅层厚度一般为
0.3-0.5毫米，其半导体特性良好，可以把太阳能转换为可靠的电能。
3、硅胶
硅胶是一种由二甲基硅氧烷和其他热固性填料混合而成的柔性
材料，具有优异的物理和机械性能，成为了半导体行业中不可或缺的重要材料。
它能够抗热、抗湿、抗老化、抗冲击，并且拉伸强度高，比表面穿透阻抗低，是优质的半导体隔离材料。
阐述半导体材料种类
阐述半导体材料种类半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有电阻率介于两者之间的特性。
根据其化学成分和特性，半导体材料可以分为以下几种类型。
1. 硅（Silicon）硅是最常见的半导体材料之一，也是最广泛应用的材料。
它具有良好的热稳定性、机械强度和化学稳定性，适用于制造各种半导体器件。
硅的电子能带结构使其在室温下成为半导体。
2. 硒（Selenium）硒是一种重要的光电材料，具有优良的光电性能。
它在光敏元件、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
硒的导电性能在室温下较差，需要在特定条件下进行掺杂才能发挥半导体特性。
3. 砷化镓（Gallium Arsenide）砷化镓是一种III-V族化合物半导体材料，具有良好的电子迁移率和高频特性。
它广泛应用于高速、高频电子器件、光电子器件以及微波集成电路等领域。
4. 硼化硅（Silicon Carbide）硼化硅是一种能够在高温、高电压条件下工作的半导体材料。
它具有高电子迁移率、高击穿电场强度和高热导率等特点，适用于制造功率器件、高温电子器件以及光电子器件。
5. 硒化锌（Zinc Selenide）硒化锌是一种广谱透明半导体材料，具有良好的光学和电学性能。
它在红外光电子学、激光器和光电探测器等领域有着广泛的应用。
6. 硒化镉（Cadmium Selenide）硒化镉是一种优良的光电材料，具有较高的吸收系数和较高的光敏度。
它被广泛应用于太阳能电池、光电导体、光电子器件等领域。
7. 磷化铝（Aluminum Phosphide）磷化铝是一种宽禁带半导体材料，具有高电子迁移率和高热导率。
它在高功率电子器件和光电子器件等领域有着重要的应用。
8. 氮化镓（Gallium Nitride）氮化镓是一种宽带隙半导体材料，具有优良的电子迁移率和热导率。
它在高功率电子器件、蓝宝石激光器和光电子器件等领域有着广泛的应用。
以上是常见的一些半导体材料种类，它们在不同的应用领域具有各自独特的特性和优势。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
npn三极管示意图
三极管的重要特性是具有放大作用
20
半导体材料制作晶体管
晶体管原理图
晶体管结构
21
• 1947年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管在美国新 泽西州贝尔电话实验室诞生，发明人是三位美国科学家（从 左至右）巴丁、肖克利和布拉顿。他们三人获得1956年诺贝 尔物理学奖。这一发明引起现代电子学的革命，微电子学诞 生了，并获得迅速发展。1958年半导体硅集成电路的诞生， 吹响了以集成电路为核心的微电子技术发展的号角。微电子 技术正是电子计算机和当今信息技术发展的基础。 22
集成电路
• 集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电
容、二极管、三极管等元件及互联线制作在单 个的半导体硅芯片上，具有和单个分开的分立 器件制作的电子线路同等或更好的功能。
• 制造工艺：主要是氧化、光刻、扩散掺杂和封
装。
• 其芯片的耗能及单位成本很低，并能提供较高
的工作速度和可靠性。
23
半导体与集成电路
• 常用的半导体材料
制备工艺有提纯、 单晶的制备和薄膜 外延生长。提纯主 要有物理提纯和化 学提纯。单晶的制 备主要是利用熔体 生长法 ，其中提拉
法在工业中最为常 用。外延的方法有 气相、液相、固相、 分子束外延等。
硅晶片生产
29
半导体的生产
30
半导体材料的运用和意义
20世纪是科学技术突飞 猛进的100年，原子能、半 导体、激光和电子计算机成 为20世纪的“四大发明创 造”。激光和计算机是以半 导体材料为基础的，而激光 和计算机都是信息技术的重 要支撑技术。因此，半导体 材料技术在信息技术，以至 于整个高科技领域有着举足 轻重的作用。
芯片把数字的快速处理和快速传递融合在一
起，形成了当今的信息网络。
41
温差效应
当半导体材料两端的温 度不同时，载流子就 会从高温端流向低温 端，结果半导体的两 端就会产生电势差， 这种现象成为温差效 应。利用这种效应可 以做成温差发电堆。
42
砷化镓半导体
• 计算机的运算速度受到芯片材料中电子
运动速度的限制
本征半导体和杂质半导体
• 纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶
体中除了本身原子外，没有其他杂质原 子存在。
• 假如在本征半导体中掺入杂质，使其产
生载流子以增加半导体的导电能力，这 种半导体称为杂质半导体。
14
n型和p型半导体
• 杂质半导体中以电子导电为主的称为n (negative)型半导体
(硅掺磷、砷等Ⅴ族元素)，以空穴导电为主的称为p (positive)型半导体(硅掺硼、镓等Ⅲ族元素) 。
太阳能电池就是利 用光生伏特效应制成 的。
35
太阳能电池
36
光电效应和光电传感器
光电二极管是一个固态PN结器件，器 件的一边(比如P层),做得非常薄，使光可以 穿透到结中，形成一个与入射的光子通量 成正比的电流。这称为光电效应。
最简单的光电传感器是由一块芯片上 的光电二极管传感器件和开关的阵列。
2 Li Be 锂铍
元素周期表
2
He 氦
5
6
7
8
9
10
B C N O F Ne
硼碳氮氧氟氖
11 12
3 Na Mg 钠镁
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar 铝硅磷硫氯氩
19 20
4
K Ca
钾钙
21 22 23 24 25 26 27 28
29
30
31
32
33
34
35
36
• 导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体的电阻率约为
10－8～10－6欧姆·米 ；
• 绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（3－6 eV） ，故不能
导电。绝缘体的电阻率约为108～1020欧姆·米 ；
• 半导体只有满带和空带，但禁带很小（0.1－2eV），满带中的电子可以
在光、热、电作用下进入空带，形成导带。电阻率约为10－8～107欧13 姆·米。
• 在砷化镓单晶材料中电子的迁移率（电
子在电场作用下的迁移速度）比在单晶 硅材料中电子的迁移率大6～7倍，所以 采用砷化镓晶体管的计算机的响应速度 和运算速度都更快。
43
砷化镓晶体结构
44
超晶格材料
• 超晶格就是用两种或两种以上不同半导
体或半导体的n型或p型极薄膜层交替排 列组成的周期阵列，即在原来的周期性 的晶格势场上再加上一个人为的周期势。
24
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
科学分析表明，硅原子是按照金 刚石结构的形式占据空间位置（晶 格）。
金刚石结构
金刚石结构的排列特点是：
晶格立方格子的8个顶点有一个原子 晶格6个面的中心各有一个原子 晶格的4个对角线离顶点的1/4处各有一个原子 11
从不同方向观察硅晶体
金刚石结构 和常见CO2 分子结构比 较图。
12
晶体的能带
55 56 56-70 71
72 73 74 75 76 77
78
ห้องสมุดไป่ตู้
79
80
81
82
83
84
85
86
6
Cs Ba 镧系 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
铯钡 *
镥 铪钽钨铼锇铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡
7
87
Fr 钫
88
Ra 镭
89-102
信广播卫星运行，担负着80％的
洲际通信业务和全部洲际电视传
播。
40
计算机网的诞生
芯片发展到一定程度，直接导致了计算机网的 诞生。各种各样的芯片大大支持了计算机的网络化。
• 用于减少信息传输量的视频压缩/解压缩芯片; • 用于数码录放音及影像存储的记忆体元件芯片; • 媒体处理芯片; • 快速电池充电控制芯片; • 路由器芯片等
5
岱岳雄姿
观音
6
电脑中的 硅芯片
主板 7
什么是“半导体材料”
材料按照导电的能力来划分可以分为：
•导体 ——金属等 •绝缘体——橡胶，塑料等 •半导体——硅，锗等等
半导体材料是介于导体与绝缘体 之间的，导电能力一般的导体。它 的显著特点是对温度、杂质和光照 等外界作用十分的敏感。
8
1
1
H
氢
34
由于各元件及各元件间的隔离区的形状都是光刻技术完成 的，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小。 激光光刻线宽的极限约为0.2微米，用X射线光刻甚至可小于 0.1微米。目前利用0.3微米线宽工艺已在10mm×20mm的芯片 上集成了1.4亿个元件，集成密度达70万个/mm2。
28
半导体材料的制作工艺
阳能电池
• 具有高的光电导性，可制作十分灵
敏的光电器件
47
小结
• 硅材料在我们的日常生活中无处不在。 • 半导体有哪些性质？硅的结构怎样保证
了它的半导体性质。
• 半导体材料的发展带来了人类信息时代
的到来。
• 半导体的发展将具有更广阔的市场前景，
将带来人类在信息时代的第二次飞跃。
48
15
半导体的性质
• 电阻率随温度的增加而减小（称为负温
度系数）
• 微量的杂质对半导体的导电性能有很大
的影响
• 光照可以改变半导体的电阻率
16
真空二极电 子管的工作
原理
17
晶体管的接触面工 作原理
18
半导体在开关和整流器中的运用
原理：一个P-N结，它的作用是只让电 流向一个方向流通，是电的“单向阀”， 可以用作开关，也可作为整流器 。开 关时间可短到几十～几百ns，超高速集 成电路开关已达十几～几个ns。
集成电路
内存条 计算机主板
26
微电子技术的发展
年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代
名称 晶体管
集成度（单位体积中
的元件个数）
100
集成电路
1000
大规模集成电路
1万～10万
超大规模集成电路
100万～1亿
更大规模集成电路
100亿～200亿
27
芯片换代的标志
• 1 密集程度高 • 2 同等功能的元件和整机的价格下降 • 3 尺寸减小 • 4 信息容量增大 • 5 运算速度提高
31
半导体材料运用的树状图
32
半导体材料最常见的用途就是发光二极管， 它主要用在仪器上做数字显示 。
33
半导体材料在照明中的运用
手机、电脑、数码相机、汽车 中，都有半导体照明的身影
用半导体照明的上
海东方明珠电视塔
34
光生伏特效应
当入射光子的能量大 于禁带宽度时，光照 射在距表面很近的p－ n结，就会在p－n结产 生电动势，接通外电 路就可形成电流。这 称为光生伏特效应。
超晶体周期交替结构
45
超晶格材料的应用
• 由于在与界面平行的方向电子可以自由
运动，迁移率极高，故可制成世界上最 快的晶体管。
• 改变砷化镓薄层和镓铝砷薄层的厚度，
可以发射不同的光波长 。从而制造出所 需要的光导纤维。