Ⅲ族氮化物电子器件
Ⅲ族氮化物半导体电子器件
除光电子器件外，Ⅲ族氮化物（又称GaN基）半导体另一个主要的应用领域是高温、高频、高功率及高压电子器件。他们在无线通信、国防、电力系统等领域具有重大应用价值，是半导体器件研究开发的重要目标。自从1993年国际上第一只Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管研制成功后(1), 该领域成为国际上半导体研究的又一热点，研究水平取得了突飞猛进的进展(2,3)。但由于一系列的材料、器件及相关的物理问题尚未根本解决，目前依然处于实验室研究探索阶段，离开产业化还有距离。下面分三个方面介绍该领域的研究进展和面临的各种科学、技术问题。
4.4.1 Ⅲ族氮化物半导体应用于电子器件的优势
Ⅲ族氮化物半导体材料被认为是最适合，也最有希望应用于高温、高频、高功率及高压电子器件研制的固体材料，这是由这一材料体系的一系列优异物理性质决定的。
首先，也是最基本的特点，GaN、AlN及其三元合金Al x Ga1-x N是一类
宽带隙半导体，GaN禁带宽度室温下为3.4 eV，AlN 禁带宽度室温下更高达6.2 eV。决定半导体器件最高工作温度的主要因素之一是材料的禁带宽度。因此，GaN基器件的最高工作温度远高于Si和 GaAs器件。理论计算表明GaN基器件的最高有效工作温度高于900 o C(4)。实验也已表明Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管在500 o C时依然有很好的微波放大性能(5)。
其次，由于均为六方晶体结构，GaN和Al x Ga1-x N合金之间可以形成高晶体质量的半导体异质结构，从而在异质界面形成具有高迁移率的二维电子气(2DEG)。这是GaN基材料在电子器件应用上相对于另一类宽带隙半导体材料SiC的最大优势。更加重要的是，由于GaN和AlN之间禁带宽度差异很大，而且理论计算表明禁带宽度差异的75%以上落在导带上(6)。因此，
Al x Ga1-x N/GaN异质界面导带阶跃远大于Al x Ga1-x As/GaAs界面。 例如：室温下AlN/GaN异质界面禁带宽度差异为2.8 eV，AlAs/GaAs界面禁带宽度差异仅为0.75 eV，相差接近4倍。这一特点决定了Al x Ga1-x N/GaN异质界面三角形量子阱远比Al x Ga1-x As/GaAs界面深。Al x Ga1-x N/GaN异质结构不仅具有更高的2DEG浓度，而且具有更丰富的子带结构和量子行为。
第三，Al x Ga1-x N/GaN异质结构中存在非常强的自发极化和压电极化效应(7,8)。六方结构的Ⅲ族氮化物缺乏反演对称性,存在极强的自发极化。另一方面，AlN和GaN的c面(0001面)存在约2.4%的晶格失配(9)，而Ⅲ族氮化物材料的压电系数是目前所知的半导体材料中最高的，导致Al x Ga1-x N/GaN异质结构中的压电极化也非常强。理论计算表明当Al x Ga1-x N合金中的Al组份大于0.2时，异质界面压电极化电场高于106 V/cm。极化效应对异质界面能带产生极强的调制，导致垂直于异质界面方向上1.0 nm的空间间距就会产生大于0.1 eV的导带弯曲。Ⅲ族砷化物为立方结构，很好的反演对称性导致它们的自发极化非常弱，同时AlAs和GaAs的(100)面之间不存在晶格失配，因此Al x Ga1-x As/GaAs异质结构中不存在压电极化。上述极化效应的巨大差异导致Al x Ga1-x N/GaN异质界面的导带弯曲远大于Al x Ga1-x As/GaAs界面，进而Al x Ga1-x N/GaN异质界面三角形量子阱远深于Al x Ga1-x As/GaAs界面。因此，即使不采用势垒层调制掺杂，Al x Ga1-x N/GaN异质结构的2DEG浓度也可高达1013 cm-2量极，比Al x Ga1-x As/GaAs异质结构大5-10倍。有文献把此现象称为“极化掺杂” (polarization doping) (10)。
第四，Ⅲ族氮化物材料具有非常高的击穿电场。至目前的实验表明GaN 的临界击穿电场高于4.0 MV/cm(11)，Al x Ga1-x N合金的临界击穿电场又高于GaN。如果GaN中的缺陷密度能够进一步降低，临界击穿电场可以更高。而Si 和GaAs 材料的临界击穿电场分别只有0.2 MV/cm 和0.4 MV/cm(9)。这一性质表明Ⅲ族氮化物很适合于制备高功率电子器件，同时也是Ⅲ族氮化物材料应用于电力工业广泛需求的高压开关二极管的物理基础。
第五，Ⅲ族氮化物材料具有非常高的饱和电子漂移速度。实验表明GaN 的饱和电子漂移速度约为3.0x107 cm/s(12)。而Si 和GaAs分别为1.0x107 cm/s
和2.0x107 cm/s(9)。这一性质保证了Ⅲ族氮化物具有较好的载流子输运性质，可运用于高频微波电子器件的制备。
根据电子器件制备的需要，Ⅲ族氮化物半导体材料的基本性质也存在一些缺陷。例如：GaN的电子有效质量远高于GaAs和InP。因此，如不考虑输出功率，GaN基微波器件的高频放大性能一般不如GaAs基器件，更不如InP基器件。GaN的热传导系数远低于SiC，导致GaN的导热性质不如SiC。因此，如不考虑频率特性，GaN基器件的最大输出功率一般不如SiC器件。
表一比较了Si、GaAs、4H-SiC和GaN四种主要的半导体材料与电子器件相关的一些基本物理参数。表二比较了Al x Ga1-x As/GaAs异质结构、4H-SiC 和Al x Ga1-x N/GaN异质结构这三种主要用于微波功率器件制备的半导体材料体系的一些基本物理性质。
4.4.2 主要的Ⅲ族氮化物电子器件
自从1993年以来，国际上报道了各种各样的Ⅲ族氮化物电子器件研制结果(9)。如果从器件结构上分类，和Si、GaAs器件一样，主要分为GaN基场效应晶体管(FET)，GaN基双极型晶体管(BJT)，和GaN基二极管三大类。国际上最受重视，发展最快的无疑是GaN基FET，主要包括GaN-MESFET、GaN-MISFET、和Al x Ga1-x N/GaN异质结FET (HFET)。其中，Al x Ga1-x N/GaN HFET是最重要，也是迄今研究最多，发展最为成熟的Ⅲ族氮化物电子器件。GaN基BJT主要包括GaN BJT、 Al x Ga1-x N/GaN异质结双极型晶体管(HBT)，和Al x Ga1-x N/GaN晶闸管。其中，GaN BJT、Al x Ga1-x N/GaN晶闸管只有很少的研究报道，而Al x Ga1-x N/GaN HBT是近年来除Al x Ga1-x N/GaN HFET外最为引人瞩目的Ⅲ族氮化物电子器件。 GaN基二极管主要包括GaN肖特基二极管、Al x Ga1-x N肖特基二极管、GaN p-n结二极管、和GaN p-i-n结二极管。这些二极管更多的是作为光电探测器件受到重视。在电子器件领域，作为高压开关器件的GaN和 Al x Ga1-x N肖特基二极管受到较多的关注。除上述器件之外，Ⅲ族氮化物电子器件还包括GaN自旋电子学器件、GaN压电传感器、
GaN热电传感器、GaN声表面波器件、GaN耿氏效应震荡器件和GaN场发射器件等。与Al x Ga1-x N/GaN HFET和HBT相比，这些器件的研究较少，也都没有进入应用领域。下面主要介绍Al x Ga1-x N/GaN HFET，Al x Ga1-x N/GaN HBT和GaN基肖特基高压二极管三种主要的Ⅲ族氮化物电子器件。
1．Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管 (HFET)
Al x Ga1-x N/GaN HFET，又称Al x Ga1-x N/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。该类器件主要应用于微波通讯领域，特别是在X波段 (8-12 GHz)可以实现高功率输出，并可在高温下正常工作。因此受到了包括航空、航天、移动通讯等民用和军用无线通讯领域专家的高度重视。目前，国际上包括美国、日本、欧洲的多家大学、研究机构和公司几十个Ⅲ族氮化物研究小组在从事与该器件相关的材料、物理和器件研究(2)。
图一是一个典型的调制掺杂Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件结构示意图。调制掺杂Al x Ga1-x N层为势垒层，源、漏电极一般为Ti/Al/Pt/Au或Ti/Al/Ni/Au 多层金属膜与Al x Ga1-x N层形成的欧姆接触，栅极一般是Ni/Au或/Pt/Au双层金属膜与Al x Ga1-x N层形成的肖特基接触(13)。Al x Ga1-x N/GaN HEMT的器件结构和工作原理与Al x Ga1-x As/GaAs HEMT基本没有差别，主要是通过栅极电压控制Al x Ga1-x N/GaN异质界面的能带弯曲，从而控制异质界面的2DEG浓度，达到调制源漏间电流的目的。但Al x Ga1-x N/GaN HEMT有一个显著特点，就是Al x Ga1-x N/GaN 异质界面2DEG的二维浓度n s和迁移率μn的乘积n s x μn远高于Al x Ga1-x As/GaAs HEMT，这是由Al x Ga1-x N/GaN异质结构的高导带阶跃和强极化电场决定的。因此，Al x Ga1-x N/GaN HEMT的源漏饱和电流密度可大于1000 mA/mm(14)，保证了器件的高输出功率密度。
目前，国际上用于HEMT 器件研制的Al x Ga1-x N/GaN 异质结构主要为势垒层调制掺杂和势垒层不掺杂两种结构。如上所述，即使不采用调制掺杂技术，由于强极化效应，异质界面的2DEG浓度也可高达1013 cm-2量级(10)。同时，不掺杂有利于改善器件栅的肖特基接触性质和降低栅结的漏电流。而调制掺杂结构的2DEG浓度可以更高，同时器件源、漏的欧姆接触性质更
好。
一旦异质结构材料的性质决定后，Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的性能与器件栅的结构关系最为密切，国际上对栅结构的研究也最多，提出了各种栅结构图形(15,16)。其中栅长是最重要的器件结构参数，它的选择取决于研究小组的微加工水平。目前，国际上Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件主要研究小组的栅长选择一般在0.25-1.0 um之间。最小栅长达到了0.12 um，是美国Cornell 大学报道的(15)。
Al x Ga1-x N/GaN HEMT微波器件最主要的性能参数包括：静态特性参数，如跨导(g m)和源漏饱和电流密度(I sd)；高频微波特性参数，如工作截止频率(f T)、最高振荡频率(f max)和rf输出功率密度，以及器件最高工作温度。 1993年国际上第一只Al x Ga1-x N/GaN HEMT由美国APA光学公司Khan领导的研究小组研制成功(1)，但仅有静态特性，没有频率特性，跨导g m为23 mS/mm。次年，同一研究小组国际上首次报道了器件频率特性(17)，即截止频率f T为11 GHz，最高振荡频率f max为14 GHz，但未报道输出功率密度。
迄今国际上Al x Ga1-x N/GaN异质结构材料、物理和器件的研究已取得令人鼓舞的进展。迄今报道的GaN体电子迁移率最高值室温下已达900 cm2/V.s(18)。 2004年，日本名古屋工业大学报道的Al x Ga1-x N/GaN异质结构2DEG迁移率最高值室温下达2100 cm2/V.s(19)。同年，日本Oki Electronics公司报道的Al x Ga1-x N/GaN HEMT跨导高达450 mS/mm(20)，为至今报道的跨导最高值。同年，美国加州大学Santa Barbara分校(UCSB)报道的SiC衬底上Al x Ga1-x N/GaN HEMT微波器件，栅长0.55 μm，栅宽246 μm，源漏电压120 V，工作频率4 GHz、PAE（功率附加效率）54.8 % 时，输出功率达到 32.2 W/mm；工作频率８GHz，PAE 49.6%时，输出功率达30.6 W/mm，为至今报道的输出功率最高值(21)。同年，美国Ohio州立大学报道的Al x Ga1-x N/GaN HEMT的f max达150 GHz, 为至今报道的振荡频率最高值(22)。另外，美国APA 光学公司、海军实验室和日本的NTT 公司、Furukawa（古河电工）公司等处研究小组已经研制出可在300°C以上正常工作的Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件(4, 23)。
２．Al x Ga1-x N/GaN异质结双极型晶体管(HBT)
Al x Ga1-x N/GaN HBT也主要应用于高温、高功率微波通讯领域。相对于Al x Ga1-x N/GaN HEMT，该类器件的优点是具有更大的输出电流密度，在雷达等需高输出电流的领域更具应用价值，同时该类器件工作噪音较小，阈值电压更加均匀。但是，由于GaN和Al x Ga1-x N外延层高浓度p型掺杂和p型欧姆接触的困难以及Al x Ga1-x N/GaN HBT需要的低损伤刻蚀工艺比Al x Ga1-x N/GaN HEMT复杂，Al x Ga1-x N/GaN HBT的发展远比不上Al x Ga1-x N/GaN HEMT。 1998年国际上第一只npn 型Al x Ga1-x N/GaN HBT才研制成功(24)，而 pnp型Al x Ga1-x N/GaN HBT更是到2002年才见首次报道(25)。
图二是一个典型的pnp型Al x Ga1-x N/GaN HBT器件结构示意图。p型Al x Ga1-x N层构成发射极，通过Ni/Pt/Au欧姆接触引出；下面的薄层n型GaN 构成基区，通过Ti/Al/Pt/Au欧姆接触引出；再下面是p型GaN层构成的收集极，通过Ni/Pt/Au欧姆接触引出。Al x Ga1-x N/GaN HBT的器件结构和工作原理与Al x Ga1-x As/GaAs HBT基本没有差别。
1998年，国际上第一只Al x Ga1-x N/GaN基npn型HBT由美国的UCSB研制成功(24)，其电流放大系数（增益）仅为3倍。迄今，国际上主要的Al x Ga1-x N/GaN HBT研究小组包括UCSB、日本的NTT基础科学研究所和美国的Florida大学等。 2003年，UCSB报道的npn 型AlGaN/GaN HBT在发射极尺寸为2×0.5 μm2时，收集极电流密度达1kA/cm2，电流增益最高达18倍，最大击穿电压达330V，工作截止频率f T达150 GHz(26)。2004年，NTT 报道的pnp AlGaN/GaN HBT，发射极尺寸30μm×50μm，工作电压70 V、收集极电流10mA时获得的电流增益是40倍，最高输出功率密度为172 kW/cm2 (27)。
3．GaN和Al x Ga1-x N肖特基高压二极管
Ⅲ族氮化物半导体除高温微波功率器件外，由于其非常高的击穿电场，在电子器件领域的另一个主要应用是高压整流器件(11)。它作为可自动控制的电驱动高压开关，在电力传输系统中有重要应用价值。目前，此类
电子器件主要包括GaN肖特基二极管和Al x Ga1-x N肖特基二极管(9)。
相对于Al x Ga1-x N/GaN HEMT和Al x Ga1-x N/GaN HBT， GaN和Al x Ga1-x N 肖特基二极管的结构非常简单。图三是一个典型GaN肖特基二极管器件的结构示意图。GaN层一定是非掺杂的，以保证GaN层与中心的Pt/Au金属圆点形成高质量的肖特基结；欧姆接触一般是外围圆环型的Ti/Al/Pt/Au多层金属薄膜。在GaN高压二极管中很特殊的一点就是肖特基接触边界的设计。因为二极管加上反向高压后，如果肖特基接触边界存在不均匀等因素，极其容易形成微小的电场富集区，导致局部电击穿，使器件失效(9)。如图三所示，在肖特基接触边沿采用离子注入在GaN中形成局部的p型区可避免局部电击穿，这是GaN高压二极管中采用最多的一种避免局部电击穿的技术(9)。
由于Al x Ga1-x N合金的临界击穿电场高于GaN，如果用Al x Ga1-x N合金制备高压二极管，其反向击穿电压高于GaN二极管，图四比较了Al0.25Ga0.75N 和GaN二极管的反向击穿电压。目前，国际上Al x Ga1-x N高压二极管的反向击穿电压已高达9700 V(28)。
4.4.3 Ⅲ族氮化物电子器件发展面临的主要材料、物理和器件问题
如上所述，尽管目前国际上Ⅲ族氮化物电子材料、物理和器件的研究已达到很高水平, 但依然处于实验室研究探索阶段, 离开产业化还有距离。无论是材料还是器件都涉及到Ⅲ族氮化物宽带隙半导体特有的许多新的科学和技术问题，有待于去深入研究和解决。这里简单介绍Al x Ga1-x N/GaN HEMT研制中面临的一些材料、物理和器件问题。
1．Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件中的电流坍塌现象
电流坍塌(current collapse)现象是目前阻碍Al x Ga1-x N/GaN HEMT进入实际应用的最主要问题之一(29)。如图五所示，在Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件中，当加上的源漏电压V DS小于10V时，其静态电流输出特性在不同的栅压V GS下可以随V DS周期性的改变重复，饱和电流I DS没有变化。但加上的V DS大于10V 后，随V DS周期性的改变，在较小的V DS区间，I DS将比初始值明显减少(30)。
这就是典型的电流坍塌现象。伴随着这一现象，当加上交流栅压时，I DS的变化比栅压V GS的变化延迟一段时间。电流坍塌现象既使Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的输出功率达不到预期值，也大大降低了器件的可靠性。
尽管人们采用了各种办法，但迄今没有较好地解决电流坍塌问题。对这一现象的物理机制也有不同解释，主要有以下几种观点：（1）陷阱态的作用。认为V DS变大时，Al x Ga1-x N/GaN异质结构中将有部分电子被注入沟道以下GaN层的陷阱态中，使沟道中2DEG浓度下降，I DS变小。美国海军实验室的研究小组采用光激发使被陷阱束缚的电子释放出来，I DS明显回升，为这一模型提供了实验根据(29,30)。（2）表面态的作用。认为Al x Ga1-x N/GaN HEMT的金属栅旁，存在一个由表面态构成的虚栅(virtual gate)。V DS变大时，虚栅的充电状态改变，从而对沟道进行了调制，使I DS变小。美国UCSB的Vetury等人在实验中通过淀积Si3N4来钝化Al x Ga1-x N层的表面态，导致I DS回升，验证了这一模型(31)。（3）应变的作用。美国South Carolina大学的研究小组对加栅压前后的Al x Ga1-x N层和GaN层的应力进行了研究(32)。他们认为在加上栅压后，Al x Ga1-x N层和GaN层的应力发生变化，由此引起的压电极化电场的变化带来了能带结构的变化，导致I DS减小。这些研究结果和物理模型对减轻Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的电流坍塌产生了一定作用，但并未完全消除电流坍塌。这一问题依然有待进一步研究。
2．GaN 层n型背景载流子
自从Ⅲ族氮化物问世以来，由于N空位的存在等原因，无论是MOCVD 方法还是MBE方法制备的GaN外延材料均含有一定浓度的n型背景载流子，由此在Al x Ga1-x N/GaN基HEMT中形成的并行电导对器件的静态特性和频率特性等产生了严重影响(33)。随着Ⅲ族氮化物MOCVD和MBE生长技术的不断发展，特别是MBE生长技术的改进，GaN层的背景载流子浓度已可降至1015 cm-3以下。但这一问题并未彻底解决，为满足器件研制的需求，在材料生长上仍需进一步降低GaN层的背景载流子浓度。同时对n型背景载流子产生的物理机制需进一步探索，现已发现N空位并不是n型背景载流
子产生的唯一原因。
3．Ⅲ族氮化物中的扩展缺陷
由于没有天然的GaN单晶体，人工生长大尺寸GaN单晶依然非常困难，且代价昂贵。因此，目前用于器件研制的Al x Ga1-x N/GaN异质结构均是在蓝宝石或SiC衬底上外延生长的。由于GaN与蓝宝石或SiC间大的晶格失配，Al x Ga1-x N/GaN异质结构中存在高密度的扩展缺陷，达108 ~1010 cm-2量级(33)，主要是横穿异质界面的贯穿位错(threading dislocations)，同时在异质界面附近存在驰豫位错。扩展缺陷严重影响了Al x Ga1-x N/GaN异质结构的晶体质量，并成为限制异质界面2DEG输运性质的最大因素。根据理论计算，如果没有贯穿位错，2DEG的室温迁移率μn至少提高一倍以上，器件的输出功率和频率特性均会大幅度改善。在光电子器件领域成功运用的侧向外延生长(ELOG)技术在Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的运用上作用并不明显。近期发现小角度偏角生长可以使贯穿位错密度降至106 cm-2量级(34)。这些工作说明Al x Ga1-x N/GaN异质结构的外延生长尚须进一步探索。
4．Al x Ga1-x N/GaN异质界面的能带结构和2DEG输运性质
如上所述，由于异质界面的高导带阶跃和强极化电场，导致Al x Ga1-x N/ GaN异质结构的能带结构和2DEG输运性质与Al x Ga1-x As/GaAs异质结构相比有许多新的性质和特点，对他们的探索与了解既是Al x Ga1-x N/GaN HEMT 器件研制的需要，也对发展高导带阶跃、强极化条件下的半导体物理学意义重大。 Al x Ga1-x N/GaN异质界面三角形量子阱远比Al x Ga1-x As/GaAs界面深，除了导致高2DEG浓度外，实验上已确认量子阱存在丰富的子带结构，处于不同子带上的2DEG的迁移率差异很大，并且不同子带上的2DEG存在子带间散射行为。有实验证据初步确认异质界面2DEG的有效质量与GaN体内电子存在差异，这应与异质界面的强应变场有关。
Al x Ga1-x N/GaN异质结构中2DEG的空间分布非常接近异质界面。理论与实验工作均确认在调制掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构中2DEG的峰值位
置离异质界面5 nm以内，而且不同子带上2DEG的峰值位置有差别。由于离异质界面太近，界面粗糙度散射、Al x Ga1-x N势垒层合金无序散射都变得非常强烈，成为主要的散射机制(35,36)，应变散射也有作用，而这些散射过程在Al x Ga1-x As/GaAs异质结构中都是没有或忽略的。
对Al x Ga1-x As/GaAs异质界面能带结构和2DEG输运性质的研究已持续了30多年。与此相比，人们对Al x Ga1-x N/GaN异质界面能带结构和2DEG输运性质的了解还非常肤浅，有待进一步深入探索。在此领域，中国的研究小组在国际上有一定的贡献和影响(37,38,39)。
5．Al x Ga1-x N/GaN异质结构的合金无序
如上所述，由于Al x Ga1-x N/GaN异质结构中2DEG的空间分布非常接近异质界面，Al x Ga1-x N势垒层的合金无序对2DEG的散射非常强烈。其原因在于异质界面的导带弯曲取决于导带阶跃的大小和极化电场的强弱。势垒层的合金无序一方面直接导致导带阶跃在空间上出现起伏，另一方面使势垒层的应变在空间上出现起伏，导致异质界面压电极化电场出现起伏。这两个因素决定了合金无序对靠近异质界面的2DEG产生强烈的散射(36)。
过去几年，由于认识到在Ⅲ族氮化物光电子器件的研制中至关重要，人们对In x Ga1-x N外延层的合金无序现象研究很多。近年来发现Al x Ga1-x N外延层同样存在合金无序现象，并且随Al组份的上升越来越严重。它对Ⅲ族氮化物电子器件的影响与In x Ga1-x N外延层合金无序对Ⅲ族氮化物光电子器件的影响一样，必须深入研究和探讨。
6．Al x Ga1-x N/GaN异质结构的欧姆接触
源、漏的欧姆接触电阻对Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的静态特性和频率特性，特别是跨导g m的影响很大。经过多年研究，到目前为止，n型GaN欧姆接触的比接触电阻率(specific contact resistivity) 已达10-9 ?·cm2量级，基本与Si和 GaAs上欧姆接触的水平相当，可以满足高质量器件研制的需要。但用于Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件制备的Al x Ga1-x N欧姆接触的比接触电阻
率，国际上最好才达到10-7 ?·cm2量级，有待进一步研究和突破(40)。
前几年，人们主要用Ti/Al/Pt/Au多层金属膜制备Al x Ga1-x N的欧姆接触，比接触电阻率只能达到10-6 ?·cm2量级。后改用Ti/Al/Ni/Au多层金属膜，配以合适的快速热退火条件，Al x Ga1-x N欧姆接触的比接触电阻率达到了10-7 ?·cm2量级。但对其中接触电阻率改善的物理机制依然不太清楚。只有了解了这些物理机制，人们才能在Al x Ga1-x N上制备出更好的欧姆接触。
上述列举了Al x Ga1-x N/GaN HEMT研制中面临的一些材料、物理和器件问题。除此之外，诸如Al x Ga1-x N/GaN异质结构的表面原子结构和电子结构、缺陷和缺陷控制、极化效应、势垒层应变驰豫、金属/Ⅲ族氮化物肖特基接触、Ⅲ族氮化物刻蚀技术及其物理机制、离子注入掺杂、隔离技术及其物理机制、以及高温、大功率微波器件设计、器件测试等与Al x Ga1-x N/GaN HEMT研制相关的科学和技术问题都有待进一步深入研究。在Al x Ga1-x N/GaN HEMT及其他Ⅲ族氮化物电子器件的发展过程中还会出现许多新的科学和技术问题，这些问题有许多实际上是Ⅲ族氮化物半导体，甚至是整个宽带隙半导体领域共同面临的问题。总之，Ⅲ族氮化物电子材料、物理和器件研究处于当前国际半导体科学与技术的最前沿，是一个快速发展、面对许多挑战、方兴未艾的研究领域。
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图表：
表一、 Si、GaAs、4H-SiC和GaN四种半导体材料与电子器件相关的一些基本物理参数（摘自参考文献[9]）
表二、 Al x Ga1-x As/GaAs异质结构、4H-SiC、和Al x Ga1-x N/GaN 异质结构这三种主要用于微波功率器件制备的半导体材料体系的一些基本物理性质（摘自参考文献[9]）
图一、调制掺杂Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件结构示意图
图二、pnp型Al x Ga1-x N/GaN HBT材料和器件结构示意图。上图为材料结构，下图为器件结构（摘自参考文献[9]）
图三、GaN肖特基二极管器件结构示意图。上图为俯视图，下图为侧视图（摘自参考文献[9]）
图四、室温下Al0.25Ga0.75N整流二极管和GaN整流二极管 的I-V特性比较（摘自参考文献[9]）
图五、 Al x Ga1-x N/GaN HEMT器件的静态电流输出特性。虚线表示源漏电压(V DS)扫描范围为0~10V，实线表示V DS扫描范围为0~20V
常用电力电子器件特性测试
实验二：常用电力电子器件特性测试 （一）实验目的 （1）掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性；（2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。 （二）实验原理 图1.MATLAB电力电子器件模型 MATLAB电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构。 模型中的电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。 在MATLAB电力电子器件模型中已经并联了简单的RC串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs和Cs。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf和等效电阻Rd。对于GTO和IGBT需要设置电流下降时间Tf和电流拖尾时间Tt。 MATLAB的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，
但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。 含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。 （三）实验内容 （1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。 （2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。 （四）实验过程与结果分析 1．仿真系统 Matlab平台 2．仿真参数 （1）Thyristor参数设置： 直流源和电阻参数：
电子元件封装大全及封装常识
电子元件封装大全及封装常识 2010-04-12 19:33 一、什么叫封装 封装，就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接.封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。封装时主要考虑的因素： 1、芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1； 2、引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能； 3、基于散热的要求，封装越薄越好。 封装主要分为DIP双列直插和SMD贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最早期的晶体管TO（如TO-89、TO92）封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP公司开发出了SOP小外型封装，以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC （小外形集成电路）等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。 封装大致经过了如下发展进程： 结构方面：TO－>DIP－>PLCC－>QFP－>BGA －>CSP； 材料方面：金属、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料； 引脚形状：长引线直插－>短引线或无引线贴装－>球状凸点； 装配方式：通孔插装－>表面组装－>直接安装 二、具体的封装形式 1、 SOP/SOIC封装 SOP是英文Small Outline Package 的缩写，即小外形封装。SOP封装技术由1968～1969年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。 2、 DIP封装 DIP是英文 Double In-line Package的缩写，即双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。 < 1 > 3、 PLCC封装 PLCC是英文Plastic Leaded Chip Carrier 的缩写，即塑封J引线芯片封装。PLCC封装方式，外形呈正方形，32脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比DIP封装小得多。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。 4、 TQFP封装 TQFP是英文thin quad flat package的缩写，即薄塑封四角扁平封装。四边扁平封装（TQFP）
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
电子元件封装大全及封装常识
修改者：林子木 电子元件封装大全及封装常识 一、什么叫封装 封装，就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连 接.封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、 密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线 连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连 接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空 气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也 更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与 之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比 值越接近1 越好。封装时主要考虑的因素： 1、芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1； 2、引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性 能； 3、基于散热的要求，封装越薄越好。 封装主要分为DIP 双列直插和SMD 贴片封装两种。从结构方面，封装经历了最 早期的晶体管TO（如TO-89、TO92）封装发展到了双列直插封装，随后由PHILIP 公司开发出了SOP 小外型封装，以后逐渐派生出SOJ（J 型引脚小外形封装）、 TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、 TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电 路）等。从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作 条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。 封装大致经过了如下发展进程： 结构方面：TO－>DIP－>PLCC－>QFP－>BGA －>CSP； 材料方面：金属、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料； 引脚形状：长引线直插－>短引线或无引线贴装－>球状凸点； 装配方式：通孔插装－>表面组装－>直接安装 二、具体的封装形式 1、SOP/SOIC 封装 SOP 是英文Small Outline Package 的缩写，即小外形封装。SOP 封装技术由 1968～1969 年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出SOJ（J 型引脚小外形封 装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、 TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电 路）等。 SOP(Small Out-Line package) 也叫SOIC，小外形封装。表面贴装型封装之一， 引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L 字形)。材料有塑料和陶瓷两种。SOP 除了用 于存储器LSI 外，也广泛用于规模不太大的ASSP 等电路。在输入输出端子不 超过10～40 的领域，SOP 是普及最广的表面贴装封装。引脚中心距 1.27mm，引脚数从8～44。另外，引脚中心距小于1.27mm 的SOP 也称为SSOP；装配 高度不到1.27mm 的SOP 也称为TSOP。还有一种带有散热片的SOP。
Ⅲ族氮化物半导体材料
Ⅲ族氮化物半导体材料 Zhe Chuan Feng Taiwan University ，ChinaⅢ-Nitride SemiconductorMaterials2006 ，428pp．Hardcover USDl20.00ISBN 1-86094-636-4Imperial College Press Ⅲ族氮化物半导体材料(Al ，In，Ga)N，(包括GaN、InN 、AlN 、InGaN 、AlGaN 和AIlnGaN 等)是性能优良、适宜制作 半导体光电子和电子器件的材料。用这种材料研究发展的高 功率、高亮度的蓝-绿-白发光管和蓝光激光器以及其他电子 器件和光电子器件近几年来均有很大突破，有的已形成了产 业。预期在本世纪内氮化物基的发光管有可能置换传统的钨 丝灯，这在照明领域是一次革命，将会极大地影响人们的生 活。 此书共有12 章，每章作者均是该领域的专家。全书内 容包括了Ⅲ-N 科学和技术的基础和各个重要的方面，主要内容有：1 Ⅲ族氮化物材料的氢化物汽相外延； 2 Ⅲ族氮化物材料外延的平面MOVPE 技术；3 GaN 和相关材料外延 的紧耦合喷头MOCVD 技术；4 Ⅲ-N 材料的分子束外延； 5 非极性GaN 薄膜和异质结的生长和特性； 6 InN 的高压CVD 生长、适时和非原位持性； 7 对InN 新的认识；8
AlxGal-xN 合金(x=O-1) 的生长和光/电特性；9 MOCVD lnGaN/GaN 量子阱结构的光学研究；1O 掺SiInGaN/GaN 量子阱结构的簇状纳米结构和光学特性；11 Ⅲ族氮化物的微结构和纳米结构；12 稀释氮化物半导体研究的新进展。 此书介绍了Ⅲ族氮化物材料的一些重要性能和关键生 长技术，指出了21 世纪以来Ⅲ族氮化物半导体的最新进展 和还有待研究解决的问题。适合从事Ⅲ族氮化物领域的研 究、教学、工程技术人员以及研究生、大学生阅读和参考。 孔梅影，研究员 (中国科学院半导体研究所) Kong Meiying ，Professor (Institute of Semiconductors ， the Chinese Academy of Sciences)
常用电子元器件封装图集
TQFP hin Quad Flat Packs PPGA Plastic Pin Grid Arrays Mini-BGA Mini Ball Grid Array BGA Ball Grid Array CerDIP Ceramic Dual-In-Line Packages CQFP Ceramic Flatpacks CerSOJ Ceramic Small Outline J-Bend CPGA Ceramic Pin Grid Arrays WLCC Ceramic Windowed J-Leaded Chip Carriers PLCC Plastic Leaded Chip Carriers CerPACK Cerpacks LCC Ceramic Leadless Chip Carriers PQFP Plastic Quad Flatpacks SSOP Shrunk Small Outline Packages PDIP Plastic Dual-In-Line Packages QSOP Quarter Size Outline Packages W-LCC Ceramic Windowed Leadless Chip Carriers WPGA Ceramic Windowed Pin Grid Arrays SOIC Plastic Small Outline ICs W-CerPACK Windowed Cerpacks CQFP Ceramic Quad Flatpacks SOJ Plastic Small Outline J-Bend W-CerDIP Ceramic Windowed Dual-In-Line Packages CLCC Ceramic J-Leaded Chip Carriers TSOP Thin Small Outline Packages STSOP Small Thin Small Outline Packages RTSOP Reverse Thin Small Outline Packages TSOP II Thin Small Outline Packages, Type I 芯片的封装 芯片包装指包裹于硅晶外层的物质。目前最常见的包装称为 TSOP(Thin Small Outline Packaging) ，早期的芯片设计以 DIP(Dual In-line Package) 以及 SOJ(Small Outline J-lead) 的方式包装。较新的芯片，例如RDRAM 使用 CSP(Chip Scale Package) 包装。以下对不同封装方式的介绍能够帮助了解它们的不同点。 DIP (Dual In-Line Package 双列直插式封装、双入线封装)
常用电子元件封装
常用电子元件封装 电阻：RES1, RES2, RES3, RES4;封装属性为axial系列 无极性电容：cap;封装属性为RAD-0.1到rad-0.4 电解电容：electroi;封装属性为rb.2/.4至到rb.5/1.0 电位器：pot1,pot2 ;封装属性为vr-1到vr-5 二极管：封装属性为diode-0.4（小功率）diode-0.7（大功率） 三极管：常见的封装属性为to-18 （普通三极管）to-22（大功率三极管）to-3（大功率达林顿管）电源稳压块有78和79系列；78系列如7805 , 7812 , 7820等 79 系列有7905 , 7912 , 7920 等 常见的封装属性有to126h和to126v 整流桥：BRIDGE1,BRIDGE2:封装属性为 D 系列（D-44 , D-37 , D-46 ）电阻：AXIAL0.3- AXIAL0.7 其中0.4-0.7指电阻的长度，一般用AXIAL0.4 瓷片电容：RAD0.1-RAD0.3。其中0.1-0.3指电容大小，一般用RAD0.1 电解电容：RB.1/.2- RB.4/.8 其中.1/.2-.4/.8 指电容大小。一般<100uF用 RB.1/.2,100uF-470uF 用RB.2/.4,>470uF 用RB.3/.6 二极管：DIODE0.4-DIODE0.7 其中0.4-0.7 指二极管长短，一般用DIODE0.4 发光二极管：RB.1/.2 集成块：DIP8-DIP40,其中8 —4 0指有多少脚，8脚的就是DIP8 贴片电阻 0603表示的是封装尺寸与具体阻值没有关系，但封装尺寸与功率有关通常来说如下： 0201 1/20W 0402 1/16W 0603 1/10W 0805 1/8W 1206 1/4W 电容电阻外形尺寸与封装的对应关系是： 0402=1.0mmx0.5mm 0603=1.6mmx0.8mm 0805=2.0mmx1.2mm 1206=3.2mmx1.6mm 1210=3.2mmx2.5mm 1812=4.5mmx3.2mm 2225=5.6mmx6.5mm 零件封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置。是纯粹的空间概念 因此不同的元件可共用同一零件封装，同种元件也可有不同的零件封装。像电阻，有传统的 针插式，这种元件体积较大，电路板必须钻孔才能安置元件，完成钻孔后，插入元件，再过锡炉或喷锡（也可手焊），成本较高，较新的设计都是采用体积小的表面贴片式元件（SMD）这种元件不必钻孔，用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板，再把SMD元件放上，即可焊接在电 路板上了。 关于零件封装我们在前面说过，除了DEVICE。LIB库中的元件外，其它库的元件都已 经有了固定的元件封装，这是因为这个库中的元件都有多种形式：以晶体管为例说明一下：晶体管是我们常用的的元件之一，在DEVICE。LIB库中，简简单单的只有NPN与PNP 之分，但实际上，如果它是NPN的2N3055那它有可能是铁壳子的TO—3，如果它是NPN 的2N3054，则有可能是铁壳的TO-66或T0-5，而学用的CS9013，有TO-92A , TO-92B ,
常用元器件及元器件封装总结
常用元器件及元器件封装总结 一、元器件封装按照安装的方式不同可以分成两大类。(1) 直插式元器件封装直插式元器件封装的焊盘一般贯穿整个电路板，从顶层穿下，在底层进行元器件的引脚焊接，如图所示。 典型的直插式元器件及元器件封装如图所示。 (2)表贴式元器件封装。表贴式的元器件，指的是其焊盘只附着在电路板的顶层或底层，元器件的焊接是在装配元器件的工作层面上进行的，如图所示。
典型的表贴式元器件及元器件封装如图所示。在PCB元器件库中，表贴式的元器件封装的引脚一般为红色，表示处在电路板的顶层(TopLayer)。在PCB元器件库中，表贴式的元器件封装的引脚一般为红色，表示处在电路板的顶层（Top Layer）。 二、常用元器件的原理图符号和元器件封装 在设计PCB的过程中，有些元器件是设计者经常用到的，比如电阻、电容以及三端稳压源等。在Protel 99 SE中，同一种元器件虽然相同电气特性，但是由于应用的场合不同而导致元器件的封装存在一些差异。前面的章节中已经讲过，电阻由于其负载功率和运用场合不同而导致其元器件的封装也多种多样，这种情况对于电容来说也同样存在。因此，本节主要向读者介绍常用元器件的原理图符号和与之相对应的元器件封装，同时尽量给出一些元器件的实物图，使读者能够更快地了解并掌握这些常用元器件的原理图符号和元器件封装。(1)、电阻。电阻器通常简称为电阻，它是一种应用十分广泛的电子元器件，其英文名字为“Resistor”，缩写为“Res”。电阻的种类繁多，通常分为固定电阻、可变电阻和特种电阻3大类。固定电阻可按电阻的材料、结构形状及用途等进行多种分类。电阻的种类虽多，但常用的电阻类型主要为RT型碳膜电阻、RJ型金属膜电阻、RX型线绕电阻和片状电阻等。固定电阻的原理图符号的常用名称是“RES1”和“RES2”，如图F1-5（a）所示。常用的引脚封装形式为AXIAL系列，包括AXIAL-0.3、AXIAL-0.4、AXIAL-0.5、AXIAL-0.6、AXIAL-0.7、AXIAL-0.8、AXIAL-0.9和AXIAL-1.0等封装形式，其后缀数字代表两个焊盘的间距，单位为“英寸”，如图F1-5（b）所示。常用固定电阻的实物图如图F1-5（c）所示。
III族氮化物的电学特性
III族氮化物的电学特性 在半导体产业的发展中, 一般将Si、Ge 称为第一代电子材料; 而将GaA s、InP、GaP、InA s、A lA s 及其合金等称为第二代电子材料; 宽禁带(E g> 213eV ) 半导体材料近年来发展十分迅速, 成为第三代电子材料, 主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN 等。同第一、二代电子材料相比(表1) , 宽禁带半导体材料具有禁带宽度大, 电子漂移饱和速 度高, 介电常数小, 导热性能好等特点, 非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度, 还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。 （参考文献1：GaN——第三代半导体的曙光，梁春广，张冀，半导体学报，第20卷第2期） III族氮化物, 主要包括GaN、A lN、InN (E g< 213V )、A lGaN、Ga InN、A l InN 和A lGa InN 等, 其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围. 在通常条件下, 它们以六方对称性的铅锌矿结构存在, 但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在. 两种结构的 主要差别在于原子层的堆积次序不同, 因而电学性质也有显著差别.
表2给出了两种结构的A lN、GaN 和InN 在300K 时的带隙宽度和晶格 常数. GaN是III族氮化物中的基本材料, 也是目前研究最多的III族氮化 物材料。 GaN 材料非常坚硬, 其化学性质非常稳定, 在室温下不溶 于水、酸和碱, 其融点较高, 约为1700℃。 GaN 的电学性质是决定 器件性能的主要因素。电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V ·s)。 在 蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN 样品存在较高(> 1018/ cm 3) 的n 型本底载流子浓度, 现在较好的GaN 样品的本底n 型载流子浓 度可以降到1016/ cm 3 左右. 由于n 型本底载流子浓度较高, 制备p 型GaN 样品的技术难题曾经一度限制了GaN 器件的发展. 1988 年A kasak i 等人首先通过低能电子束辐照( IEEB I) , 实现掺M g 的GaN 样 品表面p 2型化, 随后N akamura 采用热退火处理技术, 更好更方便地 实现了掺M g 的GaN 样品的p2型化, 目前已经可以制备载流子浓度 在1011～ 1020/cm3 的p2型GaN 材料。 不同生长压力下的GaN薄膜表现出相异的电学性能，即在500Torr 下生长的样品通常表现出更高的载流子浓度（（4.6～6.4）×1016cm-3）
氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?
InN半导体材料及器件研究进展
InN半导体材料及器件研究进展 摘要：InN是性能优良的三五族化合物半导体材料，在光电子领域有着非常重要的应用价值，因此一直是国际国内研究的焦点。这里，就InN材料的制备方法、P型掺杂、电学特性、光学特性、高温退火特性、器件的研究应用以及研究的最新进展进行了综述。 关键词：InN 制备特性应用太赫兹辐射进展 1.引言：三族氮化物半导体材料GaN、AlN、InN是性能优越的半导体材料。在光电子器 件方面已有重要的应用，在光电集成、超高速微电子器件及集成电路上也有十分广阔的前景。但是因为InN具有低得离解温度，要求低温生长，而作为氮源的NH3的分解温度较高，这是InN生长的一对矛盾。其次，对已氮化銦材料生长又缺少与之匹配的衬底材料，使得高质量氮化銦材料生长特别困难，有没有什么进展。后来的理论研究表明，InN 具有极高的漂移速度和电子渡越速度以及最小的有效电子质量。同时电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速、高频晶体管材料。最近研究表明：InN的禁带宽度也许是0.7eV左右，而不是先前普遍接受的1.9eV，所以通过调节合金组分可以获得从 0.6eV（InN）到6.2eV（AlN）的连续可调直接带隙，这样利用单一体系的材料就可以制 备覆盖从近红外到深紫外光谱范围的光电器件。因此，InN有望成为长波长半导体光电器件、全彩显示、高效率太阳能电池的优良半导体材料。理论研究表明，1nN材料在Ⅲ族氮化物半导体材料中具有最高的迁移率（室温下最大的迁移率是14000 平方厘米/V s）、峰值速率、电子漂移速率和尖峰速度（4.3×107cm/s）以及具有最小的有效电子质量m*=0.05m0。这些特性使得InN在高频率，高速率晶体管的应用上有着非常独特的优势。然而，由于InN的制备和检测都比较困难，对其研究和应用还很不完善。尽管如此，随着材料生长技术的不断发展进步以及材料生长工艺的提高，现在已经可以在不同衬底材料上外延生长得到质量较好的InN薄膜单晶材料，同时，由于测量技术的进一步提高，使得InN材料的研究和应用迈进了很大一步。一些相关的应用研究和器件也已有很多报道：如用作异质结场效应管，气体/液体传感器，异质结太阳能电池的透明传导窗口材料，InN/Si p-n结；InN薄膜已经被尝试着作为Li离子薄膜电池的阳极；还有InN热电器件以及太赫兹发射器件；InN的欧姆接触也已经被证实，InN/GaN的肖特基接触也已经实现；对于P型掺杂方面，也取得了显著成果；此外，InN具有很高的折射率(>3)，还可以应用到光子晶体的设计中。 鉴于InN材料有如此重要的应用价值以及最近来自国际和国内的诸多报道，本文对InN 材料的最新研究进展，包括电学、光学性质及其应用方面做些归纳和总结。 2.InN材料的最新研究进展 2.1InN材料的制备
电子元件封装
常用电子元件封装 电阻：RES1，RES2，RES3，RES4；封装属性为axial系列 无极性电容：cap;封装属性为RAD-0.1到rad-0.4 电解电容：electroi;封装属性为rb.2/.4到rb.5/1.0 电位器：pot1,pot2；封装属性为vr-1到vr-5 二极管：封装属性为diode-0.4(小功率)diode-0.7(大功率) 三极管：常见的封装属性为to-18（普通三极管）to-22(大功率三极管)to-3(大功率达林顿管) 电源稳压块有78和79系列；78系列如7805，7812，7820等 79系列有7905，7912，7920等 常见的封装属性有to126h和to126v 整流桥：BRIDGE1,BRIDGE2: 封装属性为D系列（D-44，D-37，D-46） 电阻：AXIAL0.3-AXIAL0.7 其中0.4-0.7指电阻的长度，一般用AXIAL0.4 瓷片电容：RAD0.1-RAD0.3。其中0.1-0.3指电容大小，一般用RAD0.1 电解电容：RB.1/.2-RB.4/.8 其中.1/.2-.4/.8指电容大小。一般<100uF用 RB.1/.2,100uF-470uF用RB.2/.4,>470uF用RB.3/.6 二极管：DIODE0.4-DIODE0.7 其中0.4-0.7指二极管长短，一般用DIODE0.4 发光二极管：RB.1/.2 集成块：DIP8-DIP40, 其中８－４０指有多少脚，８脚的就是DIP8 贴片电阻 0603表示的是封装尺寸与具体阻值没有关系，但封装尺寸与功率有关通常来说如下： 0201 1/20W 0402 1/16W 0603 1/10W 0805 1/8W 1206 1/4W 电容电阻外形尺寸与封装的对应关系是： 0402=1.0mmx0.5mm 0603=1.6mmx0.8mm 0805=2.0mmx1.2mm 1206=3.2mmx1.6mm 1210=3.2mmx2.5mm 1812=4.5mmx3.2mm 2225=5.6mmx6.5mm 零件封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置。是纯粹的空间概念因此不同的元件可共用同一零件封装，同种元件也可有不同的零件封装。像电阻，有传统的针插式，这种元件体积较大，电路板必须钻孔才能安置元件，完成钻孔后，插入元件，再过锡炉或喷锡（也可手焊），成本较高，较新的设计都是采用体积小的表面贴片式元件（SMD）这种元件不必钻孔，用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板，再 把SMD元件放上，即可焊接在电路板上了。
电子元器件封装知识
电子元器件封装知识 电子元器件封装知识一： 1、bga(ballgridarray)球形触点陈列，表面贴装型封装之一。在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印刷基板的正面装配lsi芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。也称为凸点陈列载体(pac)。引脚可超过200，是多引脚lsi 用的一种封装。封装本体也可做得比qfp(四侧引脚扁平封装)小。例如，引脚中心距为1.5mm的360引脚bga仅为31mm见方;而引脚中心距为0.5mm的304引脚qfp为40mm见方。而且bga不用担心qfp那样的引脚变形问题。该封装是美国motorola公司开发的，首先在便携式电话等设备中被采用，今后在美国有可能在个人计算机中普及。最初，bga的引脚(凸点)中心距为1.5mm，引脚数为225。现在也有一些lsi厂家正在开发500引脚的bga。bga的问题是回流焊后的外观检查。现在尚不清楚是否有效的外观检查方法。有的认为，由于焊接的中心距较大，连接可以看作是稳定的，只能通过功能检查来处理。美国motorola公司把用模压树脂密封的封装称为ompac，而把灌封方法密封的封装称为gpac(见ompac 和gpac)。 2、bqfp(quadflatpackagewithbumper)带缓冲垫的四侧引脚扁平封装。qfp封装之一，在封装本体的四个角设置突起(缓冲垫)以防止在运送过程中引脚发生弯曲变形。美国半导体厂家主要在
微处理器和asic等电路中采用此封装。引脚中心距0.635mm，引脚数从84到196左右(见qfp)。 3、碰焊pga(buttjointpingridarray)表面贴装型pga的别称(见表面贴装型pga)。 4、c-(ceramic)表示陶瓷封装的记号。例如，cdip表示的是陶瓷dip。是在实际中经常使用的记号。 5、cerdip用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装，用于eclram，dsp(数字信号处理器)等电路。带有玻璃窗口的cerdip用于紫外线擦除型eprom以及内部带有eprom的微机电路等。引脚中心距2.54mm，引脚数从8到42。在日本，此封装表示为dip-g(g即玻璃密封的意思)。 6、cerquad表面贴装型封装之一，即用下密封的陶瓷qfp，用于封装dsp等的逻辑lsi电路。带有窗口的cerquad用于封装eprom电路。散热性比塑料qfp好，在自然空冷条件下可容许1.5～2w的功率。但封装成本比塑料qfp高3～5倍。引脚中心距有1.27mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多种规格。引脚数从32到368。 7、clcc(ceramicleadedchipcarrier)带引脚的陶瓷芯片载体，表面贴装型封装之一，引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形。带有窗口的用于封装紫外线擦除型eprom以及带有eprom的微机电路等。此封装也称为qfj、qfj-g(见qfj)。 8、cob(chiponboard板上芯片封装，是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片交接贴装在印刷线路板上，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，并用树脂覆盖以确保可靠性。虽然cob是最简单的裸芯片贴装技
变频器常用电力电子器件
无锡市技工院校 教案首页 课题：变频器常用电力电子器件 教学目的要求：1. 了解变频器中常用电力电子器件的外形和符号2.了解相关电力电子器件的特性 教学重点、难点： 重点：1. 认识变频器中常用电力电子器件 2. 常用电力电气器件的符号及特性 难点：常用电力电气器件的特性 授课方法：讲授、分析、图示 教学参考及教具（含多媒体教学设备）： 《变频器原理及应用》机械工业出版社王延才主编 授课执行情况及分析： 在授课中，主要从外形结构、符号、特性等几方面对变频器中常用的电力电子器件进行介绍。通过本次课的学习，大部分学生已对常用电力电子器件有了一定的认识，达到了预定的教学目标。
板书设计或授课提纲
电力二极管的内部也是一个PN 结，其面积较大，电力二极管引出了两个极，分别称为阳和阴极K 。电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。2.伏安特性：电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性。 如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。（1）正向特性：电压时，开始阳极电流很小，这一段特性 曲线很靠近横坐标。当正向电压大于时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导 通。如果电路中不接限流元件，二极管将 被烧毁。
晶闸管的种类很多，从外形上看主要由螺栓形和平板形两种，螺栓式晶闸管容量一般为10~200A；平板式晶闸管用于200A3个引出端分别叫做阳极A、阴极 控制极。 结构 晶闸管是四层（（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件。 晶闸管的导通和阻断控制 导通控制：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极 正向触发电压，且有足够的门极电流。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。 管从阻断变为导通的过程称为触发导通。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安， 管导通后，从阳极到阴极可以通过几百、几千安的电流。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 三、门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率大、使用方便和价格低；但它具有自关断能力，属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。 结构：与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端（阳极 ）器件。 门极控制 GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO 动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 四、电力晶体管（GTR） 电力晶体管通常又称双极型晶体管（BJT），是一种大功率高反压晶体管，具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。它被广泛用于交直流电机调速、中频电源等电力变流装置中，属于全控型器件。 工作原理与普通中、小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态， 承受的电压和电流数值较大。 五、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET） 电力MOS场效应晶体管是对功率小的电力MOSFET的工艺结构进行改进，在功率上有
III族氮化物外延片晶格常数测试方法送审稿-中国有色金属
ICS29.045 H 80 中华人民共和国国家标准 GB/T XXXXX—201X III族氮化物外延片晶格常数测试方法Test method for lattice constant of III-Nitride Epitaxial Layers （送审稿） （本稿完成日期：2012.11.23） 201X-XX-XX发布201X-XX-XX实施
前言 本标准根据GB/T 1.1-2009给出的规则起草。 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会（SAC/TC203/SC2）归口。本标准由中国科学院半导体研究所负责起草。 本标准主要起草人：孙宝娟、赵丽霞、王军喜、曾一平、李晋闽。 本标准为首次制定。
III族氮化物外延片晶格常数测试方法 1 范围 本标准规定了利用高分辨X射线衍射对Ⅲ族氮化物外延片晶格参数的测试方法。 本标准适用于在氧化物（Al2O3、ZnO等）或者半导体衬底（GaN、Si、GaAs、SiC等）上外延生长的氮化物(Ga, In, Al)N单层或多层异质外延片晶格参数的测量。其它异质外延片晶格参数的测量也可参考。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T24576-2009 高分辨率X射线衍射测量GaAs衬底生长的AlGaAs中Al成分的试验方法 3 定义 3.1 ω 入射光和样品表面之间的角度。 3.2 2θ 探测器与入射光之间的角度。 3.3 χ 倾斜样品的轴，由样品表面和衍射平面相交而成。 3.4 Phi 使样品绕样品表面法线做面内旋转的轴。 3.5 Bragg angle布拉格角θB 一单色平面波入射到一个完整晶体的晶面（hkl），当入射到相邻两原子面的两束X射线的反射光束光程差为X射线波长的整数倍时产生衍射，即2d sinθB=nλ，这就是著名的Bragg方程。其中，λ是X射线的波长；d是晶面（hkl）的面间距；θB是X射线产生衍射时入射光线与反射面之间的角度，即Bragg angle布拉格角θB。 3.6 ω-2θ或2θ-ω
Ⅲ族氮化物电子器件
Ⅲ族氮化物半导体电子器件 除光电子器件外，Ⅲ族氮化物（又称GaN基）半导体另一个主要的应用领域是高温、高频、高功率及高压电子器件。他们在无线通信、国防、电力系统等领域具有重大应用价值，是半导体器件研究开发的重要目标。自从1993年国际上第一只Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管研制成功后(1), 该领域成为国际上半导体研究的又一热点，研究水平取得了突飞猛进的进展(2,3)。但由于一系列的材料、器件及相关的物理问题尚未根本解决，目前依然处于实验室研究探索阶段，离开产业化还有距离。下面分三个方面介绍该领域的研究进展和面临的各种科学、技术问题。 4.4.1 Ⅲ族氮化物半导体应用于电子器件的优势 Ⅲ族氮化物半导体材料被认为是最适合，也最有希望应用于高温、高频、高功率及高压电子器件研制的固体材料，这是由这一材料体系的一系列优异物理性质决定的。 首先，也是最基本的特点，GaN、AlN及其三元合金Al x Ga1-x N是一类 宽带隙半导体，GaN禁带宽度室温下为3.4 eV，AlN 禁带宽度室温下更高达6.2 eV。决定半导体器件最高工作温度的主要因素之一是材料的禁带宽度。因此，GaN基器件的最高工作温度远高于Si和 GaAs器件。理论计算表明GaN基器件的最高有效工作温度高于900 o C(4)。实验也已表明Al x Ga1-x N/GaN异质结场效应晶体管在500 o C时依然有很好的微波放大性能(5)。 其次，由于均为六方晶体结构，GaN和Al x Ga1-x N合金之间可以形成高晶体质量的半导体异质结构，从而在异质界面形成具有高迁移率的二维电子气(2DEG)。这是GaN基材料在电子器件应用上相对于另一类宽带隙半导体材料SiC的最大优势。更加重要的是，由于GaN和AlN之间禁带宽度差异很大，而且理论计算表明禁带宽度差异的75%以上落在导带上(6)。因此，