半导体基础知识
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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。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
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28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
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33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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21
1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
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22
1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
半导体基础知识.
超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。
【例1-1】在图中，已知稳压二极管的
U Z 6.3V ，已知
稳压二极管的正向导通压降 U F =0.7V 。当U = 20V ，R=1kΩ I 时,求Uo
解 当 U I =+20V ， 反向击穿稳压
U F2 = 0.7V U Z =6.3V VDZ2 正向导通， ，
U = +7V； 同理， U I = 20V
O
U = 7V
O
稳压电路
1.4.2 发光二极管
发光二极管简称LED，它是一种将电能转换为光能的半 导体器件。 发光二极管的符号如图所示。 发光二极管常用于作为显示器件， 可单个使用，也可作成7段式或矩 阵式，工作时加正向电压，并接入 相应的限流电阻，工作电流一般为 几毫安到几十毫安，正向导通时的 管压降为1.8～2.2V。
缘体。
束缚电子
+4
+4
+4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
+4
+4
电子。 自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
可见本征激发同时产生
正向电流
－
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 动画演示 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
半导体基础知识
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杂质半导体的示意表示方法 负离子
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + 正离子 + + + + + + + + + + + + + + + + + +
空穴
－ － － － － － P型半导体 型半导体
自由电子
N型半导体 型半导体
本征半导体的导电机制
－
E
＋
自由电子 本征半导体的 导电性取决于 外加能量：温 度变化，导电 性变化；光照 变化，导电性 变化。
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+4
+4 空穴
+4
+4
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结 达到动态平衡，就形成了 结。
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半导体的共价键结构
半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 半导体的导电性能是由其原子结构决定的。 硅原子和锗原子的结构
半导体的基本 知识
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第二节 半导体二极管
• 二、二极管的结构和符号 • 将PN结的两个区，即P区和N区分别加上相应的电极引线引出，并
用管壳将PN结封装起来就构成了半导体二极管，其结构与图形符号 如图6一1所示，常见外形如图6一2所示。从P区引出的电极为阳极 (或正极)，从N区引出的电极为阴极(或负极)，并分别用A,K表示。 • 三、二极管的伏安特性 • 二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图6一3所示(以 正极到负极为参考方向)。 • 1.正向特性 • 外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电队，几乎没有正向电流通 过。曲线OA段(或OA‘段)称作死区，A点(或A‘点)的电压称为死区电 压，硅管的死区电压一般为0. 5 V，锗管则约为0. 1 V 。
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第一节 半导体的基本知识
• 电阻是随着温度的上升而降低的。这是半导体现象的首次发现。 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照 下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发 现的半导体的第二个特征。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫 化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端 加一个正向电压，它是导通的;如果把电压极性反过来，它就不导电， 这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。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。
半导体基础知识
半导体基础知识物质是由原子和分子组成的，而大量的原子（或分子）周期性重复排列就形成了固态晶体。
半导体就是一种很典型的晶体或从晶体学就是一种点阵结构。
原子处于晶格的格点上，且在格点上围绕在一个平衡位置作热振动。
原子又由原子核和核外电子组成。
核外电子又在不同的壳层上绕原子核转动。
如果能够写出半导体中所有相互作用的原子核和电子系统的确定方程式，并求其出其解，便可一了解半导体的很多物理性质。
但是这是一个很复杂的多体问题。
不可能求出其格解。
很多时候是用很接近的方法――――单电子近似模型，而来研究半导体中电子的能量付态。
所谓单电子近似是假设每个平均势场中运动，该势场是具有与晶格周期相同的周期性势场。
用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。
更简单地讲这种单电子近似发是研究原子核固定运动的模式下，大量的外层电子的运动行为，也可以说这是整个半导体理论研究的内容。
研究对象主要是目前工艺成熟而被广泛应用的材料。
必须说明的是，这里所讨论不设及原子内层电子轨道的跃迁的电子运动行为，而着重指外层电子的能量状态变化及电子行为，特别是当硅单晶（相当半导体材料）挤入少量杂质，原来表现出半导体很多持有的性质。
电学的、光学的、热学的、磁学的性质，利用这些性质可以作出许许多多的半导体的零件。
1：半导体中的电子状态和能先看一下一个孤立原子的电子状态，这样的原子最简单的是氢原子。
氢原子核外只有一个电子，即由一个原子核和一个核外电子组成。
原子在原子核的势场作用下运动，量子力学表明这样的电子只能处于一个特定的运动状态，每一个运功动状态可以用量子数n，角量子数l,磁量子数mo及自旋量子数ms来表示。
子数n的量子状态具有能量为Eu= - (moq4/8ε 2 h2)*(1/n2) = - 13.6 (1/n2) eV其中mo 电子质量 q 电子电量为其它介电常数h 普朗克常数ε量子数可为 n＝1，2，3，4，5，6，……分别为离子一,二,三,四电子壳层依次为 K,L,M,N角量子数 l=0,1,2,3,……(n-1) n 表示各壳层,用s,p,d,f表示=0, +1, + 2,…… +l, (2l+1)磁量子数 ml= +1/2,-1/2.自施量子 ms当不计自旋时,每一个不同的n值有由上式所规定的每个能级有n2个量子状态与之对应,是表H.。
半导体基础知识
外延基础知识 一、 基本概念 能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数 N 决定，每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤
立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大 量密集的能级，构成一相应的能带。 （晶体中电子能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。 价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。 （价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带） 直接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间同一位置。 间接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U（undope） －GaN 上生长 N（dope）－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质 结。（如蓝绿光中： GaN 上生长 Al GaN ） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层 （相邻势阱内电子波函数发生交迭） 的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱（QW）:通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格 的一种）。 二、 半导体
1. 分类：元素半导体： Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN（山-V ）、ZnSe（U-W）、SiC 2. 化合物半导体优点： a. 调节材料组分易形成直接带隙材料， 有高的光电转换效率。 （光电器件一般选用直接带隙材料） b. 高电子迁移率。 c. 可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3. 半导体杂质和缺陷 杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质 缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子 线缺陷：如位错 面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4. 外延技术 LPE:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。 （普亮LED常用此生长方法） MOCVD （也称 MOVPE ）: Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生 长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE :氢化物汽相外延，是近几年在 MOCVD基础上发展起来的，适应于山-V氮化物半导体薄膜和 超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE :分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢， 难以用于工业化大生产。 三、 MOCVD 设备 1. 发展史：国际上起源于 80 年代初，我国在 80年代中（ 85年）。 国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。 技术条件： a.MO 源：难合成，操作困难。 b. 设备控制精度：流量及压力控制 c. 反应室设计： Vecco :高速旋转 Aixtron: 气浮式旋转 Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）
半导体物理基础知识
半导体物理基础知识目录1. 基本概念 (2)1.1 半导体的定义与分类 (2)1.2 반도체材料的结构与性质 (3)1.3 晶体结构与晶格常数 (4)1.4 能带理论与电子跃迁 (5)1.5 费米能级与电子的填充 (6)2. 电子输运机制 (7)2.1 能带结构与导电特性 (8)2.2 漂移电流与散乱 (9)2.3 扩散电流与载流子浓度梯度 (10)2.4 霍尔效应与霍尔系数 (11)3. 半导体器件物理 (12)4. 半导体材料与工艺 (14)4.1 元素掺杂与输运特性 (16)4.2 晶体生长法与缺陷控制 (18)4.3 半导体氧化与金属沉积 (19)5. 电力电子器件 (20)5.1 功率二极管与肖特基二极管 (22)5.2 功率晶体管与MOSFET (23)5.3 整流桥与交流调制 (25)6. 可见光与光电子器件 (26)6.1 半导体光吸收与发射 (27)6.2 光电二极管与光电晶体管 (28)6.3 激光器与光放大器 (29)7. 量子力学与半导体 (31)7.1 量子点与量子阱结构 (33)7.2 量子计算机与量子力学计算 (34)1. 基本概念半导体物理是研究半导体材料和器件的电子性质、能带结构以及其在电磁场中的行为的一门学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
半导体物理的基本概念包括：本征载流子、费米能级、载流子浓度、迁移率、漂移速度等。
本征载流子是指处于基态的半导体原子或分子所具有的自由电子和空穴。
费米能级是指在半导体中，电子和空穴的能量相等且低于或高于价带顶的能级。
载流子浓度是指单位体积内半导体中存在的电子和空穴的数量。
迁移率是指载流子在半导体中从高能级向低能级跃迁时的速度。
漂移速度是指载流子在半导体中受到电场作用而发生漂移的速度。
半导体物理的研究涉及到许多重要的现象，如结、整流效应、光电效应、热效应等。
这些现象在实际应用中具有广泛的应用，如二极管、晶体管、太阳能电池等。
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外延基础知识
一、基本概念
同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。
（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN）
异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。
（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN）
超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。
量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。
二、半导体
固体按其导电性分为导体、半导体、绝缘体。
对于被电子部分占满的能带，在外电场作用下，点子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，常称这种能带为导带。
绝缘体、半导体和导体的能带示意图
禁带
(a)绝缘体(b)半导体(c)导体
1.分类：元素半导体：Si 、Ge
化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC
2.化合物半导体优点：
a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换
效率。
（光电器件一般选用直接带隙材料）
b.高电子迁移率。
c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。
3.半导体杂质和缺陷
杂质：替位式杂质（有效掺杂）
间隙式杂质
缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子
线缺陷：如位错
面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错
4.外延技术
LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。
（普亮LED常用此生长方法）
MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。
HVPE：氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发
展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。
生长速率快，但晶格质量较差。
MBE：分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。
三、MOCVD设备
1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85
年）。
国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。
技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。
b.设备控制精度：流量及压力控制
c.反应室设计：Vecco:高速旋转
Aixtron:气浮式旋转
Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）
Nichia:双流式
2.MOCVD组成
常用MO源：TMGa(三甲基镓，液态)
TMAl（三甲基铝，液态）
TMIn（三甲基铟，固态，现已有液态）
TEGa（三乙基镓，液态）
Cp2Mg（二茂基镁，固态，现已有液态）
载气为纯度很高（99.999999%）的氢气和氮气
特气：高纯度（99.9999%）的AsH3(砷烷，液态)PH3（磷烷，液态）Si2H6（乙硅烷，气态）（前三种为红黄光生产使用）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）（后两种为蓝绿光生产使用）
气控单元：主要由MFC（流量计）、PC（压力计）和一些管道组成，用于气体的控制和输送。
控制单元：根据PC机输入的生长程序，对工艺进行控制。
反应室：a.按压力分可分为常压反应室（如Nichia公司的设备）和低压反应室（如Veeco和Aixtron公司的设备）。
两者区别：气体流速。
低压反应室优点：气体切换快，停滞层薄，预反
应小，界面转换快。
B.按形状分：水平式（Aixtron）、立式（Vecco 和Tomax Swan）、桶式（常用于Si外延）和双流式（Nichia）。
衬底：红黄光生长用GaAs(砷化镓)，蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石)（最通用）、SiC（Cree）和GaAs(砷化镓)、Si(硅)（后两种仍处于实验室阶段）等。
尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。
红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。
四、LED的MOCVD外延生长
1.基本反应：
红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4
TMGa+PH3 GaP+CH4
蓝绿光：TMGa+ NH3 GaN+CH4
反应特点：a.远离化学平衡：Ⅴ/Ⅲ>>1
b.晶体生长速率主要由Ⅲ族元素决定
2.外延层结构及生长过程
（1）红黄光LED
a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
b.生长一层GaAs buffer（缓冲层），其晶格质量较衬底好，
可除衬底影响，但不能消除位错。
c.生长一套DBR（分布布拉格反射器）。
它是利用GaAs
和AlAs反射率不同，可达到增反射效果，提高反射率。
每层厚度：d=λ/4n（d：厚度，λ：波长，n：材料折射率），这一层相当于镜子的作用，减少衬底的吸收。
d.生长一层N型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，为active layer(有源
区)提供辐射复合电子。
e.Actrive layer（有源层），其成分是(Al x Ga1-x)0.5In0.5P
/(Al y Ga1-y)0.5In0.5P，是主要的发光层，光强和波长主要由此层决定。
它通过调节MQW（多量子阱）中的Al(铝)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。
f.生长一层P型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，此层因Al组分很高，
对载流子起到限制的作用，可明显提高发光效率。
g.生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，
电流扩展得越好，亮度越高。
（但有一个成本问题）（2）蓝绿光LED
a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
b.因Al2O3与GaN失配非常大（达到13.6%），因此必须
在低温下生长一层buffer(缓冲层)约20~30nm，若此层生长有问题，将极大影响上层晶格质量。
c.生长一层约4μm厚的N型GaN,此层主要为active layer
（有源层），提供辐射复合电子。
h.生长一套active layer(MQW),其成分是In X Ga1-X N/GaN，
是主要的发光层，光强和波长主要由此层决定。
它通过调节MQW（多量子阱）中的In(铟)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度及掺杂浓度），可明显提高发光效率，其晶格质量对ESD有很大的影响。
i.生长一层P型Al X Ga1-X N层,因此层Al组分较高，对载
流子起到限制的作用，可明显提高发光效率。
d.生长一层P型GaN，为active layer(有源区)提供辐射复
合电子。
红黄光和蓝绿光外延生长完后均须退火，以活化P层，红黄光是在反应室内退火，而蓝绿光是在退火炉内退火（也有公司在反应室内退火）。
外延生长以提高内量子效率为主，芯片及封装工艺提高的是外量子效率。
ηin=产生光子数/注入电子空穴对ηin:内量子效率
ηex=取出光子数/注入电子空穴对ηex：外量子效率3.测试
外延工艺测试主要有：显微镜观察，PL（光致发光），X－ray，E－CV（电化学）和EL（电致发光）。
4.发展方向
GaAs:提高外量子效率，如：加厚P-GaP，采用表面粗化技术（粗化P型层），采用bonding 技术（bonding 金属）。
GaN：提高内量子效率，如：采用ELOG（横向外延过生长）技术，减少外延缺陷，提高晶格质量，优化MQW（多量子阱）的生长质量，达到提高光强目的，改变器件结构，提高光强和光电性能（如：在P层采用AlGaN/GaN superlatic 结构）；提高外量子效率，如：采用表面粗化技术（粗化P 型层或粗化N型层或粗化衬底表面），采用ITO技术；增大芯片面积，加大注入电流（即flip-chip）。