ch半導(dǎo)體材料PPT課件

1、半導(dǎo)體材料1要點(diǎn) 半導(dǎo)體材料概述、半導(dǎo)體材料的發(fā)展、電學(xué)性能與應(yīng)用、半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)第1頁/共39頁半導(dǎo)體2半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導(dǎo)體室溫時(shí)電阻率約在10-3109歐厘米之間，溫度升高時(shí)電阻率指數(shù)則減小。第2頁/共39頁半導(dǎo)體歷史3n半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前：n1833年年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬。一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。n不久， 1839年年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一

2、個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。第3頁/共39頁半導(dǎo)體歷史4n半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前： n在1874年年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性。在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。 n1873年年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼

3、白格和維斯首次使用。n而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。第4頁/共39頁半導(dǎo)體材料5p半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。p鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括-族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、-族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物)，以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。p除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。第5頁/共39頁半導(dǎo)體材料分類6第6頁/共39頁重要半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)7第7頁/共39頁半導(dǎo)體材料的制造8n為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)

4、測(cè)并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。n常見的品質(zhì)問題包括晶格的位錯(cuò)（dislocation）、孿晶面（twins），或是堆垛層錯(cuò) （stacking fault）都會(huì)影響半導(dǎo)體材料的特性。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。第8頁/共39頁半導(dǎo)體材料的制造9n 目前用來成長高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的方法稱為丘克拉斯基法（Czochralski method）。這種制程將一個(gè)單晶的晶種（seed）放入熔化的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時(shí)，溶質(zhì)將會(huì)沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。多晶

5、硅生產(chǎn)設(shè)備第9頁/共39頁丘克拉斯基法10第10頁/共39頁2010全球十大半導(dǎo)體公司排名1120092009年排名年排名 20102010年排名年排名公司公司20092009收入收入20102010收入收入2009-20102009-2010增長率增長率20102010市場(chǎng)市場(chǎng)份額份額11英特爾332534143024.6%13.8%22三星電子176862825659.8%9.4%33東芝96041237628.9%4.1%44德州電器91421235635.2%4.1%115瑞薩電子454210368128.3%3.5%76Hynix半導(dǎo)體60351035071.5%3.4%57意法半導(dǎo)

6、體85101029020.9%3.4%138美光科技41708884113.0%3.0%69高通6409716711.8%2.4%1010英飛凌4682668042.7%2.2%其他12433815215622.4%50.7%總計(jì)22837130031331.5%100.0%第11頁/共39頁全球半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀12十億美元第12頁/共39頁中國半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)13 2008-2014年中國半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模增長情況 第13頁/共39頁能帶結(jié)構(gòu)14第14頁/共39頁導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體15材料的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 Eg Eg第15頁/共39頁元

7、素半導(dǎo)體材料的特性16第16頁/共39頁半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制17滿 帶空 帶h Eg半導(dǎo)體的載流子：電子和空穴電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的在電場(chǎng)作用下，電子和空穴均可導(dǎo)電，它們稱作本征載流子。它們的導(dǎo)電形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。第17頁/共39頁半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制18空帶滿帶空穴下面能級(jí)上的電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電。 Eg在外電場(chǎng)作用下,第18頁/共39頁半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制19半導(dǎo)體中導(dǎo)電過程的簡單“停車站”模擬（a）不可能移動(dòng)（b）上下兩層都可能移動(dòng)第19頁/共39頁半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性溫度特性溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一

8、般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，而金屬的電阻率具有正當(dāng)溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。環(huán)境特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化,稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。此外半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和氣氛的作用等而變化。20第20頁/共39頁半導(dǎo)體的摻雜21本征型純-SiN -型施主雜質(zhì) P +P -型受主雜質(zhì) B 摻雜工藝： 主要為熱擴(kuò)散和離子注入多子與少子第21頁/共39頁熱擴(kuò)散22第22頁/共39頁離子注入23第23頁/共39頁P(yáng)N結(jié)的形成24 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)p當(dāng)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在

9、一起時(shí)，由于P型半導(dǎo)體中空穴濃度高、電子濃度低，而N型半導(dǎo)體中電子濃度高、空穴濃度低；p在交界面附近電子和空穴都要從濃度高的地方濃度低的地方擴(kuò)散。P區(qū)的空穴要擴(kuò)散到N區(qū)，且與N區(qū)的電子復(fù)合，在P區(qū)一側(cè)就留下了不能移動(dòng)的負(fù)離子空間電荷區(qū)。p同樣，N區(qū)的電子要擴(kuò)散到P 區(qū)，且與P區(qū)的空穴負(fù)荷在N區(qū)一側(cè)就留下了不能移動(dòng)的正離子空間電荷區(qū)。第24頁/共39頁P(yáng)N結(jié)的形成25 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)p對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。p在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。p由于耗盡層的存在，PN結(jié)的電阻很大。PN結(jié)第25

10、頁/共39頁P(yáng)N結(jié)的導(dǎo)電性26p如果電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于正向偏置。p電流從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。p于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。正向?qū)ǖ?6頁/共39頁P(yáng)N結(jié)的導(dǎo)電性27p如果電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，PN結(jié)處于反向偏置。p空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。p內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的

11、阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。反向截止第27頁/共39頁P(yáng)N結(jié)的伏安特性 PN結(jié)的伏安特性最主要特點(diǎn)就是單向?qū)щ娦浴?8正向?qū)?，反向截止PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。第28頁/共39頁半導(dǎo)體電學(xué)性能的應(yīng)用1、熱敏電阻 根據(jù)半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而迅速下降的現(xiàn)象制成的半導(dǎo)體器件，稱為熱敏電阻(thermosensitive resistance) 。 熱敏電阻有體積小，熱慣性小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。2、光敏電阻 半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。利用這種特性制成的半導(dǎo)體器件稱為光敏電阻(photo

12、sensitive resistance)。 光敏電阻是自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要元件。 29第29頁/共39頁半導(dǎo)體電學(xué)性能的應(yīng)用3、溫差熱電偶 把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫度，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)，稱為半導(dǎo)體溫差熱電偶。溫度每差一度，溫差電動(dòng)勢(shì)能夠達(dá)到、甚至超過1毫伏。 利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。 30第30頁/共39頁光生伏特效應(yīng)-Photovoltaic 用適當(dāng)波長的光照射非均勻半導(dǎo)體，例如P-N結(jié)和金屬-半導(dǎo)體接觸等，由于勢(shì)壘區(qū)中內(nèi)建電場(chǎng)（也稱為自建電場(chǎng)）的作用，電子和空穴被分開，產(chǎn)生光生電流或者光生電壓。31這種由內(nèi)建

13、電場(chǎng)引起的光-電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。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(shí)際應(yīng)用。另外，光生伏特效應(yīng)也廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)器。第31頁/共39頁光伏效應(yīng)應(yīng)用32第32頁/共39頁半導(dǎo)體的應(yīng)用33第33頁/共39頁半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì) 34v Si單晶作為主要半導(dǎo)體材料，其大直徑化的進(jìn)程仍將繼續(xù)。直徑450mm單晶已列入發(fā)展規(guī)劃，直徑680mm（27in）的單晶研制也已列入議事日程，微電子器件用GaAs、InP等也不斷使用大直徑晶片。v 對(duì)大尺寸（Si）晶片的幾何尺寸精度和晶片表面質(zhì)量要求越來越高，從而促進(jìn)超精細(xì)晶片加工技術(shù)的發(fā)展。1、晶片尺寸更大 第34頁/

14、共39頁半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì) 35v 1989年推出的英特爾486處理器采用1微米工藝技術(shù)，當(dāng)前國際主流生產(chǎn)技術(shù)為，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)為，90nm技術(shù)已開始投入小批量生產(chǎn)，并研究成功65 nm技術(shù)。2010年采用45nm 技術(shù)，按照國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）預(yù)測(cè)2016年和2018年將分別發(fā)展到22nm和18nm，預(yù)計(jì)在2020年有望達(dá)到16nm 。2、 線寬更小 第35頁/共39頁半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì) 36v 傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料中大部分采用的是硅，新型半導(dǎo)體材料如氮化鎵、碳化硅、硒化鋅的發(fā)展將極大豐富半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域。3、新材料 v 量子（阱、線、點(diǎn)）結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的研制向?qū)嵱没l(fā)展，使“能帶工程”用于生產(chǎn)實(shí)踐。通過對(duì)半導(dǎo)體材料和相應(yīng)器件設(shè)計(jì)的人工“裁剪”，必將研制出更多、更高性能的新穎（電子、光電子等）功能器件。第36頁/共39頁半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì) 37v 封裝技術(shù)對(duì)于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通過封裝技術(shù)創(chuàng)新使產(chǎn)品微型化。v