第6章-電子與微電子材料-6.3-半導(dǎo)體材料._第1頁
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文檔簡介

1、16.3.1 半導(dǎo)體材料概述半導(dǎo)體材料概述6.3.2 半導(dǎo)體的分類及特點半導(dǎo)體的分類及特點6.3.3 PN 結(jié)結(jié)6.3.4 單質(zhì)硅半導(dǎo)體材料單質(zhì)硅半導(dǎo)體材料第八章第八章 半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望 第七章第七章 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用半導(dǎo)體材料的應(yīng)用6.3.5 重要的化合物半導(dǎo)體重要的化合物半導(dǎo)體6.3.6 半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體的應(yīng)用6.3 6.3 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料2什么是半導(dǎo)體?什么是半導(dǎo)體?從導(dǎo)電性(電阻):固體材料可分成:超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、從導(dǎo)電性(電阻):固體材料可分成:超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。電阻率絕緣體。電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間,并且具有負的電阻介于導(dǎo)體和絕緣

2、體之間,并且具有負的電阻溫度系數(shù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。電阻率電阻率: 導(dǎo)體:導(dǎo)體: 10-4cm 如:如:Cu=10-6cm半導(dǎo)體:半導(dǎo)體:10-3cm108cm 如:如:Ge=0.2cm 絕緣體:絕緣體:108cm6.3.1 6.3.1 半導(dǎo)體材料概述半導(dǎo)體材料概述TR半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬絕緣體絕緣體負的溫度系數(shù)負的溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)圖電阻溫度系數(shù)圖3定義定義 半導(dǎo)體材料(半導(dǎo)體材料(semiconductor material)是一類具有半導(dǎo)體性能(導(dǎo)電能力介于是一類具有半導(dǎo)體性能(導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間,電阻率約在導(dǎo)體與絕緣體之間,電阻率約在1mcm1Gcm范圍內(nèi))、可用來制范

3、圍內(nèi))、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。4 凡具有上述兩種特征的材料都凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范圍??蓺w入半導(dǎo)體材料的范圍。反反映半導(dǎo)體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是映半導(dǎo)體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導(dǎo)體而引起的物電等作用于半導(dǎo)體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象,這些可統(tǒng)稱為理效應(yīng)和現(xiàn)象,這些可統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。構(gòu)構(gòu)成固態(tài)電子器件的基體材料絕成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導(dǎo)體,正是這些半大多數(shù)是半導(dǎo)體,正是這些半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)賦導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)

4、體性質(zhì)賦予各種不同類型半導(dǎo)體器件以予各種不同類型半導(dǎo)體器件以不同的功能和特性。不同的功能和特性。半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價鍵。飽和的共價鍵。52.2.負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù)SiSi:T=300K T=300K =2=2 x 10 x 105 5 cmcm T=320K T=320K =2 =2 x 10 x 104 4cmcm3.3.具有整流效應(yīng)具有整流效應(yīng)絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體10121022 .cm10-61012 .cm10-6.cm電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 電阻率電阻率:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化電阻率可在很大范圍內(nèi)變化半導(dǎo)體的

5、主要特征半導(dǎo)體的主要特征e x p ()aBEKT6按功能和應(yīng)用分:按功能和應(yīng)用分:微電子半導(dǎo)體微電子半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體 按組成分:按組成分:無機半導(dǎo)體:元素、化合物無機半導(dǎo)體:元素、化合物有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)分:按結(jié)構(gòu)分:晶體:單晶體、多晶體晶體:單晶體、多晶體非晶、無定形非晶、無定形6.3.2 半導(dǎo)體分類及特點半導(dǎo)體分類及特點7一、一、 無機半導(dǎo)體晶體材料無機半導(dǎo)體晶體材料( (組分組分) )無機半導(dǎo)體晶體材料包含元素、化合物及固溶體半導(dǎo)體。無機半導(dǎo)體晶體材料包含元素、化合物及固溶體半導(dǎo)體。 1. 1. 元素半導(dǎo)體晶

6、體元素半導(dǎo)體晶體GeSeSiCBTePSbAs元素元素半導(dǎo)體半導(dǎo)體SISn熔點太高、熔點太高、不易制成單晶不易制成單晶不穩(wěn)定不穩(wěn)定,易揮發(fā)易揮發(fā)低溫某種固相低溫某種固相稀少稀少89 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子在絕對溫度在絕對溫度T=0KT=0K時,時,所有的價電子都緊緊束縛所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中,不會成為在共價鍵中,不會成為自自由電子,由電子,因此本征半導(dǎo)體因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,接近絕的導(dǎo)電能力很弱,接近絕緣體。緣體。(1 1)本征半導(dǎo)體)本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體?;瘜W(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到制

7、造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%99.9999999%,常稱為常稱為“九個九個9”9”。+4+4+4+4+4+4+4+4+410 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā),也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當溫度升高或受到光的當溫度升高或受到光的照射時,束縛電子能量增照射時,束縛電子能量增高,有的電子可以掙脫原高,有的電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為,成為自由電子自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子產(chǎn)生的同時,在自由電子產(chǎn)生的同時,在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位,稱為了一個空位,稱為空穴空穴。自由電子自

8、由電子空穴空穴11完全純凈、具有一定晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體完全純凈、具有一定晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體最常用的半導(dǎo)體為硅最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺和鍺(Ge)。它們的共同。它們的共同特征是四價元素,每個原子最外層電子數(shù)為特征是四價元素,每個原子最外層電子數(shù)為 4 。+SiGe12提純的硅材料可形成單晶提純的硅材料可形成單晶單晶硅單晶硅相鄰原子由外層電子形成共價鍵相鄰原子由外層電子形成共價鍵共價鍵共價鍵13硅原子硅原子價電子價電子受到受到激發(fā)激發(fā),形成,形成自自由電子由電子并留下并留下空穴??昭?。半導(dǎo)體中的自由電子和空半導(dǎo)體中的自由電子和空穴都能參與導(dǎo)電穴都能參與導(dǎo)電半導(dǎo)半導(dǎo)體具有兩種載

9、流子。體具有兩種載流子。載流子載流子的的產(chǎn)生產(chǎn)生與與復(fù)合:復(fù)合:共價鍵共價鍵價電子價電子自由電子和空穴同時自由電子和空穴同時產(chǎn)生產(chǎn)生14 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn),本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn),同時又不斷進行復(fù)合。在一定溫度下,載流子同時又不斷進行復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生與復(fù)合會達到動態(tài)平衡,的產(chǎn)生與復(fù)合會達到動態(tài)平衡,即載流子濃度即載流子濃度與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。溫度愈高,載流子數(shù)目就愈多,溫度愈高,載流子數(shù)目就愈多,導(dǎo)電性能就愈好導(dǎo)電性能就愈好溫度對半導(dǎo)體器件的性能溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。影響很大。 半導(dǎo)體中的價電子還會受到光照而激發(fā)形成自半導(dǎo)

10、體中的價電子還會受到光照而激發(fā)形成自由電子并留下空穴。由電子并留下空穴。光強愈大,光子就愈多,光強愈大,光子就愈多,產(chǎn)生的載流子亦愈多,半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強。產(chǎn)生的載流子亦愈多,半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強。故半導(dǎo)體器件對光照很敏感。故半導(dǎo)體器件對光照很敏感。 雜質(zhì)原子對導(dǎo)電性能的影響將在下面介紹。雜質(zhì)原子對導(dǎo)電性能的影響將在下面介紹。15(2 2) 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。1) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素,例如磷,砷等,在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素,例如磷,砷等,

11、稱為稱為N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 在常溫下,本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的,在常溫下,本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的,其導(dǎo)電能力相當?shù)?。其?dǎo)電能力相當?shù)汀?如果在半導(dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素,將得到如果在半導(dǎo)體晶體中摻入微量雜質(zhì)元素,將得到摻雜摻雜半導(dǎo)體半導(dǎo)體,而,而摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高。 由于摻入雜質(zhì)元素的不同,摻雜半導(dǎo)體可分為兩大類由于摻入雜質(zhì)元素的不同,摻雜半導(dǎo)體可分為兩大類N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。16N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子多數(shù)載流子

12、自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對電子空穴對17摻入摻入磷磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中,雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶體中,自由電子自由電子的數(shù)目的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式,大量增加。自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式,稱之為電子半導(dǎo)體或稱之為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。在在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。載流子。室溫情況下,本征硅中室溫情況下,本征硅中n0=p01.5 1010/cm3,當磷,當磷摻雜量在摻雜量在106量級時,電子載流子數(shù)目將增加幾量級時,電子載流子數(shù)目將增加

13、幾十萬倍。十萬倍。18 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素,如硼、鎵等。在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素,如硼、鎵等??昭昭ㄅ鹪优鹪庸柙庸柙?4+4+4+4+4+4+3+4+4多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對電子空穴對2)2) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體19摻摻硼硼半導(dǎo)體中,半導(dǎo)體中,空穴空穴的數(shù)目遠大于的數(shù)目遠大于自由電子自由電子的數(shù)的數(shù)目。目??昭槎鄶?shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子,空穴為多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子,這種半導(dǎo)體稱為這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。一般情況下,摻雜半

14、導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可一般情況下,摻雜半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的達到少數(shù)載流子的1010倍或更多,電子載流子數(shù)倍或更多,電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。目將增加幾十萬倍。不論是不論是N型半導(dǎo)體還是型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體,都只有一種型半導(dǎo)體,都只有一種多數(shù)載流子。然而整個半導(dǎo)體晶體仍是電中性的。多數(shù)載流子。然而整個半導(dǎo)體晶體仍是電中性的。20(1)(1)本征半導(dǎo)體中加入五價雜質(zhì)元素,便形成本征半導(dǎo)體中加入五價雜質(zhì)元素,便形成N N型半型半導(dǎo)體。導(dǎo)體。N N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子,空穴是少型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù)載流子,此外還有不參加導(dǎo)電的正離子。數(shù)載流子,此

15、外還有不參加導(dǎo)電的正離子。(2)(2)本征半導(dǎo)體中加入三價雜質(zhì)元素,便形成本征半導(dǎo)體中加入三價雜質(zhì)元素,便形成P P型半型半導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子,導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子,此外還有不參加導(dǎo)電的負離子。此外還有不參加導(dǎo)電的負離子。(3)(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中,多子濃度決定于雜質(zhì)濃度,少子雜質(zhì)半導(dǎo)體中,多子濃度決定于雜質(zhì)濃度,少子由本征激發(fā)產(chǎn)生,其濃度與溫度有關(guān)。由本征激發(fā)產(chǎn)生,其濃度與溫度有關(guān)。常用的雜質(zhì)元素常用的雜質(zhì)元素 三價的硼、鋁、銦、鎵三價的硼、鋁、銦、鎵 五價的砷、磷、銻五價的砷、磷、銻 總結(jié)總結(jié)21多子和少子多子和少子在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中

16、,np,電子是電子是多數(shù)載流子多數(shù)載流子,空穴是空穴是少數(shù)載流子少數(shù)載流子。在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中,pn,空穴是空穴是多數(shù)載流子多數(shù)載流子,電子是電子是少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。22化合物化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體-族族-族族金金屬氧化物屬氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO22. 化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 23 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體p-族族,GaN/GaAs/GaP/InP微波微波、光電

17、器、光電器件的主要材料,件的主要材料,InSb/InAs禁帶窄,電子遷移禁帶窄,電子遷移率高,主要用于制作紅外器件和霍耳器件。率高,主要用于制作紅外器件和霍耳器件。p-族,族,Zn0,主要用于光電器件,場致發(fā),主要用于光電器件,場致發(fā)光光p-族族,PbS/PbTe,窄禁帶,光敏器件窄禁帶,光敏器件p氧化物半導(dǎo)體氧化物半導(dǎo)體,SnO2p硫化物半導(dǎo)體硫化物半導(dǎo)體,As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)p稀土化合物半導(dǎo)體稀土化合物半導(dǎo)體,EuO,TmS24二元化合物半導(dǎo)體:二元化合物半導(dǎo)體: IIIA族的族的Al, Ga, In和和 VA族的族的P, As, Sb可組成九種化可組成九種化合物

18、合物,如,如 InP, GaP, InAs, GaAs等,它們在制做發(fā)光等,它們在制做發(fā)光器件、半導(dǎo)體激光器、高速晶體管和微波功率管等器件、半導(dǎo)體激光器、高速晶體管和微波功率管等方面很有前途。方面很有前途。 由由IIB族的族的Zn, Cd, Hg 和和VIA族的族的S, Se, Te組成的組成的ZnS, CdS, CdSe, HgS等等,主要用在制做光敏電阻、,主要用在制做光敏電阻、光探測器等方面。光探測器等方面。25 Pb的的S族化合物族化合物PbS, PbTe和和 PbSe也是重要的也是重要的半導(dǎo)體材料,它們由于禁帶寬度較窄,具有顯半導(dǎo)體材料,它們由于禁帶寬度較窄,具有顯著的紅外光電導(dǎo),可

19、以制做紅外探測器,是一著的紅外光電導(dǎo),可以制做紅外探測器,是一類人們感興趣的紅外光電導(dǎo)材料。類人們感興趣的紅外光電導(dǎo)材料。 Bi的的S族化合物也是半導(dǎo)體材料,如族化合物也是半導(dǎo)體材料,如Bi2Te3可可作為一種熱電材料作為一種熱電材料。 IVA族的族的C, Si, Ge, Sn, Pb元素間組成的化合物元素間組成的化合物半導(dǎo)體,如半導(dǎo)體,如SiC。26 除了二元化合物半導(dǎo)體外,還存在一些三元甚除了二元化合物半導(dǎo)體外,還存在一些三元甚至四元化合物半導(dǎo)體。如屬于黃銅礦的至四元化合物半導(dǎo)體。如屬于黃銅礦的CuFeS2, CuInTe2, CuInSe2和和CuAlTe2都具有明顯的整流都具有明顯的整

20、流特性。特性。 但是,目前對多元化合物的研究進展并不大,但是,目前對多元化合物的研究進展并不大,主要是由于制備和提純這些化合物非常困難,主要是由于制備和提純這些化合物非常困難,有些材料甚至連單晶的生長都很難控制。有些材料甚至連單晶的生長都很難控制。27固熔體半導(dǎo)體固熔體半導(dǎo)體 固熔體是由兩個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相固熔體是由兩個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成?;ト芎隙???煞譃槎岛腿担煞譃槎岛腿?,二元系二元系有有IVA-IVA組成的組成的Ge-Si固熔體;固熔體;VA-VA組成的組成的Bi-Sb固熔體。固熔體。三元系三元系有有GaAs-GaP組成的組成的G

21、aAs1-xPx和和HgTe-CdTe組組成的成的Hg1-xCdxTe。 這些混合晶體材料可以通過選取不同的配比這些混合晶體材料可以通過選取不同的配比x,來調(diào)節(jié),來調(diào)節(jié)并達到需要的物理參量(如禁帶寬度、折射率),并達到需要的物理參量(如禁帶寬度、折射率),這這樣人們就可能根據(jù)需要設(shè)計具有某些電學(xué)和光學(xué)特性樣人們就可能根據(jù)需要設(shè)計具有某些電學(xué)和光學(xué)特性的材料來滿足器件的需要。的材料來滿足器件的需要。28 (1) (1)非晶非晶SiSi、非晶、非晶GeGe以及非晶以及非晶TeTe、SeSe元素半導(dǎo)體;元素半導(dǎo)體; (2)(2)化合物有化合物有GeTeGeTe、AsAs2 2TeTe3 3、SeSe

22、4 4TeTe、SeSe2 2AsAs3 3、AsAs2 2SeTeSeTe非晶非晶半導(dǎo)體半導(dǎo)體3. 3. 非晶態(tài)半導(dǎo)體(結(jié)構(gòu))非晶態(tài)半導(dǎo)體(結(jié)構(gòu))有機半導(dǎo)體通常分為有機分子晶體、有機分子絡(luò)合物和高有機半導(dǎo)體通常分為有機分子晶體、有機分子絡(luò)合物和高分子聚合物。分子聚合物。酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物,聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物,聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子,他們都具有大腈等導(dǎo)電高分子,他們都具有大鍵結(jié)構(gòu)。鍵結(jié)構(gòu)。 4.4.有機半導(dǎo)體(組分)有機半導(dǎo)體(組分)291874年年 F.Braun金屬半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體接觸氧化銅、硒氧化銅、硒整流器、曝光計整流器、曝光計1

23、879年年Hall效應(yīng)效應(yīng)K.Beadeker半導(dǎo)半導(dǎo)體中有兩種不同體中有兩種不同類型的電荷類型的電荷 1948年年 Shockley ,Bardeen, Brattain鍺晶體管鍺晶體管 (transistor)點接觸式的點接觸式的硅硅檢波器檢波器1940187019301950萌萌芽芽期期硅硅晶體管晶體管二、半導(dǎo)體的發(fā)展二、半導(dǎo)體的發(fā)展30 1955年德國西門子年德國西門子氫還原三氯硅烷法氫還原三氯硅烷法制得高純硅制得高純硅1950年年G.K.Teel直拉法直拉法較大的鍺單晶較大的鍺單晶1952年年G.K.Teel直拉法直拉法第一根硅單晶第一根硅單晶1957年年 第一顆砷化鎵第一顆砷化鎵單

24、晶誕生單晶誕生19601950進進入入成成長長期期1952年年H.Welker發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)-族化族化合物合物 1958年年W.C.Dash無位錯無位錯硅單晶硅單晶311963年年 用液相外延法生長用液相外延法生長砷化鎵外延層,砷化鎵外延層,半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器1963年砷化鎵年砷化鎵微波振蕩效應(yīng)微波振蕩效應(yīng)19701960硅外延硅外延技術(shù)技術(shù)1965年年J.B.Mullin發(fā)發(fā)明氧化硼液封明氧化硼液封直拉法砷化鎵直拉法砷化鎵單晶單晶成成熟熟期期32分子束外延分子束外延MBE金屬有機化學(xué)汽相沉積金屬有機化學(xué)汽相沉積MOCVD半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料雜質(zhì)工程雜質(zhì)工程能帶工程

25、能帶工程電學(xué)特性和光學(xué)特性可裁剪電學(xué)特性和光學(xué)特性可裁剪333435PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體,經(jīng)過載流子的擴散,在它們的交界面處就形成了體,經(jīng)過載流子的擴散,在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。6.3.3 PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管36 PN結(jié)的形成結(jié)的形成由于由于P區(qū)的多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子區(qū)的多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子;N區(qū)多數(shù)載流子是電子,少數(shù)載流子是空穴區(qū)多數(shù)載流子是電子,少數(shù)載流子是空穴,這就使交界這就使交界面兩側(cè)明顯地存在著兩種載流子的濃度差面兩側(cè)明顯地存在

26、著兩種載流子的濃度差。因此,。因此,N區(qū)區(qū)的電子必然越過界面向的電子必然越過界面向P區(qū)擴散,并與區(qū)擴散,并與P區(qū)界面附近的空區(qū)界面附近的空穴復(fù)合而消失,在穴復(fù)合而消失,在N區(qū)的一側(cè)留下了一層不能移動的施區(qū)的一側(cè)留下了一層不能移動的施主正離子;同樣,主正離子;同樣,P區(qū)的空穴也越過界面向區(qū)的空穴也越過界面向N區(qū)擴散,區(qū)擴散,與與N區(qū)界面附近的電子復(fù)合而消失,在區(qū)界面附近的電子復(fù)合而消失,在P區(qū)的一側(cè),留區(qū)的一側(cè),留下一層不能移動的受主負離子。下一層不能移動的受主負離子。擴散的結(jié)果,使交界面擴散的結(jié)果,使交界面兩側(cè)出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區(qū),兩側(cè)出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子組成的空間

27、電荷區(qū),因而形成了一個由因而形成了一個由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)的電場,稱為內(nèi)電場。區(qū)的電場,稱為內(nèi)電場。隨著擴散的進行,空間電荷區(qū)加寬,內(nèi)電場增強,由于隨著擴散的進行,空間電荷區(qū)加寬,內(nèi)電場增強,由于內(nèi)電場的作用是阻礙多子擴散,促使少子漂移,所以,內(nèi)電場的作用是阻礙多子擴散,促使少子漂移,所以,當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時,將形成穩(wěn)定的當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時,將形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū),空間電荷區(qū),稱為稱為PN結(jié)。結(jié)。37P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動38擴散的結(jié)果是使空間電擴散的結(jié)果是使

28、空間電荷區(qū)逐漸加寬,空間電荷區(qū)逐漸加寬,空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。漂移運動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強,就使漂內(nèi)電場越強,就使漂移運動越強,而漂移移運動越強,而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。39漂移運動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂所以擴散和漂移這一對相反移這一對相反的運動最終達的運動最終達到平衡,相當?shù)狡胶?,相當于兩個區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運動,沒有電荷運動,空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。40空間電

29、荷區(qū)及內(nèi)建電場的形成過程示意圖空間電荷區(qū)及內(nèi)建電場的形成過程示意圖達到熱平衡狀態(tài)時,擴散流等于漂移流達到熱平衡狀態(tài)時,擴散流等于漂移流 勢壘區(qū)內(nèi)電子(空穴)的擴散和漂移抵消。勢壘區(qū)內(nèi)電子(空穴)的擴散和漂移抵消。 整個整個pn結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級。結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級。 能帶彎曲勢壘高度。能帶彎曲勢壘高度。41PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)結(jié)加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意的意思都是:思都是: P區(qū)加正、區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 PN結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓、反向偏置反向偏置的意的意思都是:思都是: P區(qū)加負、區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。42n當電源

30、正極接當電源正極接P區(qū),負極區(qū),負極接接N區(qū)時,稱為給區(qū)時,稱為給p-n結(jié)加結(jié)加正向電壓或正向偏置。結(jié)正向電壓或正向偏置。結(jié)果在電路中形成了較大的果在電路中形成了較大的正向電流。正向電流。 n當電源正極接當電源正極接N區(qū)、負極區(qū)、負極接接P區(qū)時,稱為給區(qū)時,稱為給p-n結(jié)加結(jié)加反向電壓或反向偏置。結(jié)反向電壓或反向偏置。結(jié)果在電路中形成了很小的果在電路中形成了很小的反向電流。反向電流。p-n結(jié)的電壓、電流關(guān)系結(jié)的電壓、電流關(guān)系單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?3PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場減弱,使擴散加強,內(nèi)電場減弱,使擴散加強,擴散擴散 飄移,正向電流大飄移,正向電流大空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄PN

31、+_正向電流正向電流44PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置+空間電荷區(qū)變厚空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場加強,使擴散停止,內(nèi)電場加強,使擴散停止,有少量飄移,反向電流很小有少量飄移,反向電流很小反向飽和電流反向飽和電流很小,很小, A級級45綜上所述綜上所述: PN結(jié)正向偏置時,結(jié)電阻很小,回路結(jié)正向偏置時,結(jié)電阻很小,回路中產(chǎn)生一個較大的正向電流,中產(chǎn)生一個較大的正向電流, PN結(jié)呈導(dǎo)通狀態(tài);結(jié)呈導(dǎo)通狀態(tài);PN結(jié)反向偏置時,結(jié)電阻很大,結(jié)反向偏置時,結(jié)電阻很大, 回路中的反向回路中的反向電流很小,幾乎接近于零,電流很小,幾乎接近于零,PN結(jié)呈截止狀態(tài)。結(jié)呈截止狀態(tài)。 所以,所以,PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

32、結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?46伏安特性伏安特性/(1)TTU UU USTSIIeUUI e I / mA32100.51U / V正向特性 20 10反向特性ISPNPN結(jié)伏安特性曲線結(jié)伏安特性曲線 47 PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性當當PN結(jié)外加反向電壓超過某一電壓值時,結(jié)外加反向電壓超過某一電壓值時, 反向電流將急劇增加,這反向電流將急劇增加,這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時所對應(yīng)的反向電結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時所對應(yīng)的反向電壓壓U(BR)稱為反向擊穿電壓稱為反向擊穿電壓 。 U(BR)I / mAU / V反向電流急劇增大OPN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 48

33、 PN結(jié)的溫度特性結(jié)的溫度特性 實驗證明,在室溫下,溫度每升高實驗證明,在室溫下,溫度每升高1,在同一正向,在同一正向電流下,電流下, PN結(jié)正向壓降結(jié)正向壓降VF減小減小22.5 mV;溫度每升高;溫度每升高10,反向飽和電流,反向飽和電流Is大約增加大約增加 1 倍。所以當溫度升高時,倍。所以當溫度升高時,PN結(jié)的正向特性曲線向左移動,反向特性曲線向下移動。結(jié)的正向特性曲線向左移動,反向特性曲線向下移動。 此外此外, PN結(jié)的反向擊穿特性也與溫度有關(guān)。理論分析結(jié)的反向擊穿特性也與溫度有關(guān)。理論分析表明,表明, 雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大,具有正的溫度系雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大,具有正

34、的溫度系數(shù);齊納擊穿電壓隨溫度的升高而降低,具有負的溫度系數(shù);齊納擊穿電壓隨溫度的升高而降低,具有負的溫度系數(shù)。數(shù)。 49光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)-Photovoltaic 用適當波長的光照射非均勻半導(dǎo)體,例如用適當波長的光照射非均勻半導(dǎo)體,例如P-N結(jié)和金屬結(jié)和金屬-半導(dǎo)體接觸等,由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場(也稱為自建電半導(dǎo)體接觸等,由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場(也稱為自建電場)的作用,電子和空穴被分開,產(chǎn)生光生電流或者光場)的作用,電子和空穴被分開,產(chǎn)生光生電流或者光生電壓。生電壓。 這種由內(nèi)建電場引起的光這種由內(nèi)建電場引起的光-電效應(yīng),稱為光生伏特效應(yīng)。電效應(yīng),稱為光生伏特效應(yīng)。 利用光電效應(yīng)可以制成

35、太陽能電池,直接把光能轉(zhuǎn)換成利用光電效應(yīng)可以制成太陽能電池,直接把光能轉(zhuǎn)換成電能,這是它最重要的實際應(yīng)用。另外,光生伏特效應(yīng)電能,這是它最重要的實際應(yīng)用。另外,光生伏特效應(yīng)也廣泛應(yīng)用于光電探測器。下面以也廣泛應(yīng)用于光電探測器。下面以P-N結(jié)為例介紹這種結(jié)為例介紹這種效應(yīng)。效應(yīng)。50 光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為后來被稱為“光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)”,簡稱,簡稱“光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)”。 51p-n 結(jié)和晶體管結(jié)和晶體管 p-n 結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ),其最重要的特結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ),其最重要的特性

36、是單向?qū)щ娦孕允菃蜗驅(qū)щ娦訮型型N型型EP型襯底型襯底P-n結(jié)的構(gòu)造:結(jié)的構(gòu)造:N型雜質(zhì)型雜質(zhì)P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)型接觸形成的偶電層結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)型接觸形成的偶電層結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)稱為這種結(jié)構(gòu)稱為P-n結(jié)。結(jié)。擴散擴散52晶體管:二極管和三極管晶體管:二極管和三極管二極管單向?qū)щ?,三極管放大二極管單向?qū)щ?,三極管放大P - n 結(jié)整流特性結(jié)整流特性N型型P型型N型型P型型UU正i反i53硒硒結(jié)晶炭結(jié)晶炭灰錫灰錫鍺鍺硅硅6.3.4 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體54周期表中半導(dǎo)體相關(guān)元素周期表中半導(dǎo)體相關(guān)元素周期周期2硼硼B(yǎng)碳碳C氮氮N3鋁鋁Al硅硅Si磷磷P硫硫S4鋅鋅Zn鎵鎵Ga鍺鍺Ge砷砷As硒硒

37、Se5鎘鎘Cd銦銦In銻銻Te551、硒、硒 實際應(yīng)用的最早半導(dǎo)體材料實際應(yīng)用的最早半導(dǎo)體材料 禁帶較寬,大于禁帶較寬,大于1.7ev 分晶體和非晶體,晶體硒有兩種同素異形體分晶體和非晶體,晶體硒有兩種同素異形體(紅硒、灰硒)(紅硒、灰硒) 主要用來制作光電池、攝像靶、整流器;主要用來制作光電池、攝像靶、整流器; 硒整流器具有耐高溫、特性穩(wěn)定、過載能力強硒整流器具有耐高溫、特性穩(wěn)定、過載能力強等優(yōu)點等優(yōu)點562、結(jié)晶炭、結(jié)晶炭1)金剛石)金剛石 金剛石薄膜具有金剛石薄膜具有禁帶很寬禁帶很寬、高熱、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場、高電子導(dǎo)率、高臨界擊穿電場、高電子飽和速度、低介電常數(shù),適合制飽和速度、

38、低介電常數(shù),適合制造高性能電力電子器件和高溫電造高性能電力電子器件和高溫電子學(xué)器件子學(xué)器件 電阻率很高,但摻雜可使電阻率電阻率很高,但摻雜可使電阻率降低降低 高熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率 ,可作切割工具燃料,可作切割工具燃料 對光的折射率高對光的折射率高,吸收系數(shù)低,吸收系數(shù)低,在光電子學(xué)領(lǐng)域存在潛在的應(yīng)用在光電子學(xué)領(lǐng)域存在潛在的應(yīng)用價值價值金剛石572)C60 C60 分子由分子由五原環(huán)和六五原環(huán)和六元環(huán)構(gòu)成元環(huán)構(gòu)成的的炭籠分子炭籠分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 常溫常壓下發(fā)生向金常溫常壓下發(fā)生向金剛石轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)變相,剛石轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)變相,為金剛石的人工合成為金剛石的人工合成提供了潛在的新途徑提供了潛在的新途徑 金剛石薄膜

39、金剛石薄膜CVD淀積淀積前在襯底上涂一層前在襯底上涂一層C60對成核起明顯促進作對成核起明顯促進作用。用。炭籠分子結(jié)構(gòu)583)碳納米管()碳納米管(CNT) 碳納米管碳納米管是一種長約不到數(shù)微米、直徑數(shù)納米到數(shù)十納米是一種長約不到數(shù)微米、直徑數(shù)納米到數(shù)十納米的中間空閉合管狀物。的中間空閉合管狀物。 螺旋矢量參數(shù)(螺旋矢量參數(shù)(n,m),只有只有n-m=3k(k為非零整數(shù)為非零整數(shù))的碳納的碳納米管為米管為半導(dǎo)體半導(dǎo)體,其余為,其余為導(dǎo)體導(dǎo)體 替代硅進一步縮小高集成電路尺寸,提高電路運算速度有替代硅進一步縮小高集成電路尺寸,提高電路運算速度有了希望了希望雙壁碳納米管納機電系統(tǒng)用雙壁碳納米管納機電

40、系統(tǒng)用593、灰錫、灰錫 錫有兩種同素異形體,灰錫和白錫錫有兩種同素異形體,灰錫和白錫 灰錫:不穩(wěn)定;具有金剛石結(jié)構(gòu),立方晶系灰錫:不穩(wěn)定;具有金剛石結(jié)構(gòu),立方晶系 白錫:四方晶系白錫:四方晶系 窄禁帶特征有可能用于遠紅外探測器方面窄禁帶特征有可能用于遠紅外探測器方面604、 鍺鍺 1871年,俄國科學(xué)家門捷列夫寓言,元素周期年,俄國科學(xué)家門捷列夫寓言,元素周期表表Si和和Sn之間存在著一個之間存在著一個“類硅類硅”的元素。的元素。 1886年,德國科學(xué)家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦年,德國科學(xué)家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦中分離出中分離出Ge,并將其命名為,并將其命名為Ge(Germanium)以紀念他

41、的祖國。以紀念他的祖國。 Ge是半導(dǎo)體研究的早期樣板材料,是半導(dǎo)體研究的早期樣板材料,在在20世紀世紀50年代,年代,Ge是主要的半導(dǎo)體電子材料是主要的半導(dǎo)體電子材料61鍺的分布鍺的分布 鍺在地殼中含量約為鍺在地殼中含量約為百萬分之一,分布極百萬分之一,分布極為分散,常歸于稀有為分散,常歸于稀有元素;元素; 1. 在煤和煙灰中;在煤和煙灰中; 2. 與金屬硫化物共生;與金屬硫化物共生; 3. 鍺礦石鍺礦石鍺鍺 62鍺的應(yīng)用鍺的應(yīng)用 屬金剛石結(jié)構(gòu)屬金剛石結(jié)構(gòu) 由于由于Ge的禁帶較窄,的禁帶較窄,器件穩(wěn)定工作溫度器件穩(wěn)定工作溫度遠不如硅器件高,遠不如硅器件高,加之資源有限,加之資源有限,目目前,前

42、,Ge電子器件不電子器件不到總量的到總量的10%,主,主要轉(zhuǎn)向要轉(zhuǎn)向紅外光學(xué)等紅外光學(xué)等方方面。面。63 硅的分布 氧化硅 化學(xué)性質(zhì) 晶體結(jié)構(gòu) 能帶結(jié)構(gòu) 電學(xué)性質(zhì) 硅中的雜質(zhì) 硅的優(yōu)點 硅的用途5、 硅硅64 硅石硅石(硅的氧化物硅的氧化物)、水晶水晶早為古代人所認識,早為古代人所認識,古埃及就已經(jīng)用古埃及就已經(jīng)用石英砂為原料制造玻璃石英砂為原料制造玻璃。 由于硅石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,除了由于硅石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,除了氫氟酸氫氟酸外,什么外,什么酸也不能侵蝕它、溶解它,因此長期以來人們酸也不能侵蝕它、溶解它,因此長期以來人們把它看成是不能再分的簡單物質(zhì)。把它看成是不能再分的簡單物質(zhì)。 大約在大約在18世

43、紀世紀70年代,化學(xué)家們用螢石與硫酸年代,化學(xué)家們用螢石與硫酸作用發(fā)現(xiàn)氫氟酸以后,便打開了人們認識硅石作用發(fā)現(xiàn)氫氟酸以后,便打開了人們認識硅石復(fù)雜組成的大門。復(fù)雜組成的大門。65 尤其在電池發(fā)明以后,化學(xué)家們利用電池獲得了尤其在電池發(fā)明以后,化學(xué)家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉,初步找到了把硅從它的化合活潑的金屬鉀、鈉,初步找到了把硅從它的化合物中分離出來的途徑。物中分離出來的途徑。 1823年,瑞典化學(xué)家貝采里烏斯年,瑞典化學(xué)家貝采里烏斯(Berzelius J.J.)用用金屬鉀還原四氟化硅金屬鉀還原四氟化硅或用或用金屬鉀與氟硅酸鉀共金屬鉀與氟硅酸鉀共熱熱,首次制得較純的粉狀單質(zhì)硅。,首次

44、制得較純的粉狀單質(zhì)硅。 1854年,法國人德維爾(年,法國人德維爾(S.C.Deville)用混合物)用混合物氯化物熔鹽電解法制氯化物熔鹽電解法制得晶體硅。得晶體硅。66地殼中各元素的含量地殼中各元素的含量67 硅在自然界分布極廣,地殼中約含硅在自然界分布極廣,地殼中約含26.3, 在自然界中是在自然界中是沒有游離態(tài)的硅沒有游離態(tài)的硅 主要以主要以二氧化硅和硅酸鹽二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。的形式存在。硅的分布硅的分布68硅的化學(xué)性質(zhì)硅的化學(xué)性質(zhì) 原子序數(shù)原子序數(shù)14,相對原子質(zhì)量,相對原子質(zhì)量28.09,有,有無無定形定形和和晶體兩種同素異形體晶體兩種同素異形體,屬于元素,屬于元素周期表上周

45、期表上IVA族的類金屬元素。族的類金屬元素。14Si32Ge69晶體硅晶體硅 晶體硅為鋼灰色,密度晶體硅為鋼灰色,密度2.4 gcm3,熔點,熔點1420,沸點沸點2355,晶體硅屬于原子晶體,硬而有光澤,晶體硅屬于原子晶體,硬而有光澤,有半導(dǎo)體性質(zhì)有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅硅70化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 常溫下,只與常溫下,只與強堿、氟化氫、氟氣強堿、氟化氫、氟氣反應(yīng)反應(yīng) 高溫下,高溫下,較活潑較活潑Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4 +2H2Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2 Si + O2 SiO271氧化硅氧化硅水晶水晶瑪瑙瑪瑙石英坩堝石英坩堝光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維

46、72表面易純化,形成本征二氧化硅層表面易純化,形成本征二氧化硅層 二氧化硅層在二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用半導(dǎo)體器件中起著重要作用: 1. 對雜質(zhì)擴散起對雜質(zhì)擴散起掩蔽作用掩蔽作用; 2. 對器件的表面對器件的表面保護和鈍化保護和鈍化作用作用 3. 用于器件的用于器件的絕緣隔離絕緣隔離層層 4. 用作用作MOS器件的器件的絕緣柵絕緣柵材料等材料等73硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu)10928 74硅原子硅原子SiO2四面體四面體氧原子氧原子75硅的能帶結(jié)構(gòu)硅的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)76電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 本征載流子濃度本征載流子濃度 1. 本征半導(dǎo)體在一定溫度下,就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由

47、本征半導(dǎo)體在一定溫度下,就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對電子和空穴對,從而形成本征載流子濃度。,從而形成本征載流子濃度。 2. 溫度一定,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的,并溫度一定,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的,并且自由電子與空穴的濃度相等。且自由電子與空穴的濃度相等。 3. 當溫度升高時當溫度升高時,熱運動加劇,掙脫共價鍵束縛的自由,熱運動加劇,掙脫共價鍵束縛的自由電子增多,空穴也隨之增多(即載流子的濃度升高),電子增多,空穴也隨之增多(即載流子的濃度升高),導(dǎo)電性能增強導(dǎo)電性能增強;當溫度降低當溫度降低,則載流子的濃度降低,則載流子的濃度降低,導(dǎo)導(dǎo)電性能變差電性能變差。77硅中的雜

48、質(zhì)硅中的雜質(zhì) 1. n型摻雜劑:型摻雜劑:P,As,Sb 2. p型摻雜劑:型摻雜劑:B 3. 輕元素雜質(zhì):輕元素雜質(zhì):O,C,N,H 4. 過渡族金屬雜質(zhì):過渡族金屬雜質(zhì):Fe,Cu,Ni78O的危害的危害 熱處理過程中,過飽和間隙氧會在晶體中偏聚,熱處理過程中,過飽和間隙氧會在晶體中偏聚,沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等;沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等; 氧沉淀過大會導(dǎo)致氧沉淀過大會導(dǎo)致硅片翹曲硅片翹曲,并引入二次缺陷;,并引入二次缺陷;79C的危害的危害 C會會降低擊穿電壓,增加漏電流;降低擊穿電壓,增加漏電流; C會促進氧沉淀和新施主的形成;會促進氧沉淀和新施主的形成; C會

49、抑制熱施主的形成會抑制熱施主的形成80H的作用的作用 H在硅中在硅中處于間隙位置處于間隙位置,可以,可以正負離子兩種形正負離子兩種形態(tài)態(tài)出現(xiàn);出現(xiàn); H在硅中形成在硅中形成H-O復(fù)合體復(fù)合體 H能促進氧的擴散和熱施主的形成;能促進氧的擴散和熱施主的形成; H會鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性;會鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性; H能能鈍化晶體的表面或界面鈍化晶體的表面或界面,提高器件的性能提高器件的性能81過渡金屬的危害過渡金屬的危害 在硅中形成深能級中心或沉淀而影響器件在硅中形成深能級中心或沉淀而影響器件的電學(xué)性能;的電學(xué)性能; 減少少子擴散長度從而降低壽命減少少子擴散長度從而降低壽命; 形成金屬復(fù)合體,影響

50、器件和材料的性能形成金屬復(fù)合體,影響器件和材料的性能82硅材料的優(yōu)點硅材料的優(yōu)點 資源豐富、資源豐富、易于提高到極純的純度易于提高到極純的純度 較易生長出較易生長出大直徑無位錯單晶大直徑無位錯單晶 易于易于對進行對進行可控可控n型和型和p型摻雜型摻雜 易于通過易于通過沉積工藝沉積工藝制備出單晶硅、多晶硅制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料和非晶硅薄膜材料83 易于進行腐蝕加工易于進行腐蝕加工 帶隙大小適中帶隙大小適中 硅有相當好的力學(xué)性能硅有相當好的力學(xué)性能 硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料84 可利用可利用多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐

51、姆接觸歐姆接觸 容易截斷或者解理硅晶體容易截斷或者解理硅晶體 硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層SiO285多晶硅的優(yōu)點多晶硅的優(yōu)點 多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率和象非晶硅那樣進行大面積低成本制備的優(yōu)和象非晶硅那樣進行大面積低成本制備的優(yōu)點點 重摻雜的多晶硅薄膜作為重摻雜的多晶硅薄膜作為電容器的極板、浮電容器的極板、浮柵、電極等柵、電極等 輕摻雜的多晶硅薄膜常用于輕摻雜的多晶硅薄膜常用于MOS存儲器的負存儲器的負載電阻和其他電阻器載電阻和其他電阻器86 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜

52、場薄膜場效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管)更高的載流子遷移率、更快的更高的載流子遷移率、更快的開關(guān)速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與開關(guān)速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與CMOS工藝兼容等特點工藝兼容等特點87非晶硅的優(yōu)點非晶硅的優(yōu)點 非晶硅薄膜是器件和電路加工所用非晶硅薄膜是器件和電路加工所用表面鈍表面鈍化膜材料之一化膜材料之一 對活性半導(dǎo)體表面進行鈍化對對活性半導(dǎo)體表面進行鈍化對提高器件性提高器件性能、增強器件和電路的穩(wěn)定性、可靠性;能、增強器件和電路的穩(wěn)定性、可靠性;提高其封裝成品率等有重要作用提高其封裝成品率等有重要作用88硅的用途硅的用途 高純的高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料;

53、金屬金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料陶瓷、宇宙航行的重要材料; 光導(dǎo)纖維通信光導(dǎo)纖維通信,最新的現(xiàn)代通信手段;,最新的現(xiàn)代通信手段; 性能優(yōu)異的性能優(yōu)異的硅有機化合物硅有機化合物等等891)重要的半導(dǎo)體材料)重要的半導(dǎo)體材料 硅可用來制造集成電路、硅可用來制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體器件晶體管等半導(dǎo)體器件 太陽能電池太陽能電池902)高溫材料)高溫材料 金屬陶瓷的重要材料:金屬陶瓷的重要材料: 將陶瓷和金屬混合燒將陶瓷和金屬混合燒結(jié),制成金屬陶瓷復(fù)結(jié),制成金屬陶瓷復(fù)合材料,它耐高溫,合材料,它耐高溫,富韌性,可以切割,富韌性,可以切割,既繼承了金屬和陶瓷既繼承了金屬和陶瓷的各自的優(yōu)點,又彌的各自的

54、優(yōu)點,又彌補了兩者的先天缺陷。補了兩者的先天缺陷。 宇宙航行的重要材宇宙航行的重要材料料 耐高溫隔熱層,航耐高溫隔熱層,航天飛機能抵擋住高天飛機能抵擋住高速穿行稠密大氣時速穿行稠密大氣時磨擦產(chǎn)生的高溫,磨擦產(chǎn)生的高溫,全靠它那三萬一千全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外塊硅瓦拼砌成的外殼。殼。 913)光導(dǎo)纖維通信)光導(dǎo)纖維通信 用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維,激光在玻璃用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維,激光在玻璃纖維的通路里,無數(shù)次的全反射向前傳輸,代替了笨重纖維的通路里,無數(shù)次的全反射向前傳輸,代替了笨重的電纜。的電纜。 光纖通信容量高,一根頭發(fā)絲那么細的玻璃纖維,可以光纖通信容量高

55、,一根頭發(fā)絲那么細的玻璃纖維,可以同時傳輸同時傳輸256路電話,它還不受電、磁干擾,不怕竊聽,路電話,它還不受電、磁干擾,不怕竊聽,具有高度的保密性。具有高度的保密性。92化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 所有完全由所有完全由IV元素組成的元素半導(dǎo)體元素組成的元素半導(dǎo)體和和化合化合物半導(dǎo)體物半導(dǎo)體的的能帶結(jié)構(gòu)均為間接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)均為間接躍遷型; 晶體結(jié)構(gòu)為晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的IIIV族化合物族化合物以以GaAs為界,為界,平均原子序數(shù)比平均原子序數(shù)比GaAs小的是間小的是間接躍遷型接躍遷型,其余均為直接躍遷型其余均為直接躍遷型; IIVI族化合物全為直接躍遷型族化合物全為直接躍遷型。9

56、3 IIIIIIV V族化合物半導(dǎo)體材料族化合物半導(dǎo)體材料 IIIIVIVI族化合物半導(dǎo)體材料族化合物半導(dǎo)體材料 IV IV VIVI族化合物半導(dǎo)體材料族化合物半導(dǎo)體材料 IV IV IVIV族化合物半導(dǎo)體材料族化合物半導(dǎo)體材料 其它化合物半導(dǎo)體材料其它化合物半導(dǎo)體材料94 常見的常見的III-V化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體化合物化合物晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)帶隙帶隙躍遷性質(zhì)躍遷性質(zhì)GaAs閃鋅礦閃鋅礦1.42直接直接GaP閃鋅礦閃鋅礦2.27間接間接GaN纖鋅礦纖鋅礦3.4間接間接InAs閃鋅礦閃鋅礦0.35直接直接InP閃鋅礦閃鋅礦1.35直接直接InN纖鋅礦纖鋅礦2.05AlN纖鋅礦纖鋅礦6.249

57、5一、一、GaAS 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)96GaAs能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) 直接帶隙結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu) 雙能谷:強電場下電子從雙能谷:強電場下電子從高遷移率能谷向低遷移率高遷移率能谷向低遷移率能谷轉(zhuǎn)移,引起電子漂移能谷轉(zhuǎn)移,引起電子漂移速度隨電場的升高而下降速度隨電場的升高而下降的的負微分遷移率效應(yīng)負微分遷移率效應(yīng) 存在子能谷;子能谷與存在子能谷;子能谷與主能谷能量差小于禁帶寬主能谷能量差小于禁帶寬度而大于度而大于KtKt;電子在子能;電子在子能谷的有效質(zhì)量大于在主能谷的有效質(zhì)量大于在主能谷的有效質(zhì)量。谷的有效質(zhì)量。 帶隙為帶隙為1.

58、42 eV1.42 eV97GaAs物理性質(zhì)物理性質(zhì) GaAs晶體呈暗灰色,有金屬光澤晶體呈暗灰色,有金屬光澤 分子量為分子量為144.64 原子密度原子密度4.421022/cm398GaAs化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) GaAs室溫下不溶于鹽酸,可與濃硝酸反應(yīng),室溫下不溶于鹽酸,可與濃硝酸反應(yīng),易溶于王水易溶于王水 室溫下,室溫下,GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定 加熱到加熱到6000C開始氧化,開始氧化,加熱到加熱到8000C以上以上開始離解開始離解99GaAs電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 電子遷移率高達電子遷移率高達 8000 GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/1

59、5,是硅電子的是硅電子的1/3 用用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快34倍倍 高頻器件,軍事上應(yīng)用高頻器件,軍事上應(yīng)用SVcm2100GaAs光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 直接帶隙結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu) 發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多,可,可以制備發(fā)光二極管,光電器件和半導(dǎo)體激以制備發(fā)光二極管,光電器件和半導(dǎo)體激光器等光器等101GaAs的應(yīng)用的應(yīng)用 GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢 GaAs是功率放大器的主流技術(shù)是功率放大器的主流技術(shù)1021)GaAs在無線通訊方面在無線通訊方面 砷化鎵晶片與硅晶片主要差別,在于它是

60、一種砷化鎵晶片與硅晶片主要差別,在于它是一種“高頻高頻”傳輸傳輸使用的晶片,由于其使用的晶片,由于其頻率高,傳輸距離遠,傳輸品頻率高,傳輸距離遠,傳輸品質(zhì)好,可攜帶信息量大,傳輸速度快,耗電量低質(zhì)好,可攜帶信息量大,傳輸速度快,耗電量低,適合,適合傳輸影音內(nèi)容,傳輸影音內(nèi)容,符合現(xiàn)代遠程通訊要求符合現(xiàn)代遠程通訊要求。 一般訊息在傳輸時,因為距離增加而使所能接收到的訊一般訊息在傳輸時,因為距離增加而使所能接收到的訊號越來越弱,產(chǎn)生號越來越弱,產(chǎn)生“聲音不清楚聲音不清楚”甚至甚至“收不到信號收不到信號”的情形,這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點,在的情形,這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點,在

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