半導(dǎo)體中的貴族

半導(dǎo)體中的“貴族”絕緣體:電導(dǎo)率很低，約介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；導(dǎo)體：電導(dǎo)率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬；半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體的分類1.硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體——第一代半導(dǎo)體；2.砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵（GaP）、砷化銦（InAs）、氮化鋁（AlN）及其合金——第二代半導(dǎo)體；3.將寬禁帶（Eg＞2.3ev）的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）、氧化鋅（ZnO）甚至金剛石等——第三代半導(dǎo)體。砷化鎵（GaAs）砷化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域1.光伏太陽能產(chǎn)業(yè)2.軍事電子產(chǎn)業(yè)3.微電子領(lǐng)域4.光電子領(lǐng)域1.光伏太陽能產(chǎn)業(yè)GaAs太陽能電池矩陣2.軍事電子產(chǎn)業(yè)3.微電子領(lǐng)域手機的網(wǎng)絡(luò)制式3GGSM（GlobalSystemofMobilecommunication）WCDMA—Wideband

CodeDivisionMultiple

Access

CDMA2000—Code

DivisionMultipleAccess

TD-SCDMA—Time

Division-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess

third-generationmobilesystem384Kbps2G2.4Kbps1G2Mbps3G10-100Mbps4G手機的網(wǎng)絡(luò)制式中國移動：2G——GSM3G——TD-SCDMA（T網(wǎng)）中國聯(lián)通：2G——GSM3G——WCDMA（W網(wǎng)）中國電信：2G——CDMA3G——CDMA2000（C網(wǎng)）2G——GSM850/900/1800/1900MHz3G——WCDMA850/900/2100MHz3G——TD-SCDMA2010-2025MHz3G——CDMA20002110-2125MHz發(fā)光二極管Light-EmittingDiode是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。4.光電子領(lǐng)域砷化鎵是紅、橙、黃光發(fā)光二極管（LED）的唯一襯底材料。LED照明被稱為是人類照明史的第四次革命。以紅（RED）、綠（GREEN）、藍（BLUE）三原色共同交集成像的RGB技術(shù)，其中紅光全部采用砷化鎵作為襯底材料。用其制作的半導(dǎo)體激光二極管（LD）、發(fā)光二極管（LED）、光探測器、半導(dǎo)體激光器，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體照明、家用電器、工業(yè)儀表、大屏幕顯示、交通指示、軍用夜視儀等領(lǐng)域。半導(dǎo)體照明是21世紀最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一地區(qū)＼條件·效益

條件

能源節(jié)約

降低二氧化碳排放

美國

5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代

每年節(jié)省350億美元電費每年減少7.55億噸二氧化碳排放量日本

100％白熾燈被白光LED取代

可少建1-2座核電廠每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗臺灣

25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代

節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量光纖通訊光纖通訊中的發(fā)射器GaAs——810-870nm，GaAsP——1300nm砷化鎵與硅的比較硅砷化鎵砷化鎵材料與Si材料的特性比較指標(biāo)GaAsSi密度5.32g/cm32.34g/cm3禁帶寬度1.47ev1.12ev電子有效質(zhì)量m0/15m0/5電子遷移率8500cm2/V.S1350cm2/V.S熱導(dǎo)0.46w/cm.K1.47w/cm.K禁帶寬度Eg1.對于太陽能電池，理論分析表明，制造光伏電池的最佳材料是禁帶寬度為1.5ev的半導(dǎo)體，而禁帶寬度在1.1-2.0ev范圍內(nèi)的材料均可制出效率較高的光伏電池；2.砷化鎵與硅半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)不同。α

=5.405×10-4ev/KΒ

=204;Eg(0)=1.52ev其中p為動量，m0為自由電子質(zhì)量。自由電子的動能可表示為：畫出E相對p的圖，將得到如圖所示的拋物線圖。

有效質(zhì)量電子有效質(zhì)量視半導(dǎo)體的特性而定。其大小同樣可通過該材料的能量-動量曲線所表征的能量與動量關(guān)系式，由E與對p的二次微分可以得到：在半導(dǎo)體晶體中，導(dǎo)帶中的電子類似自由電子，可在晶體中自由移動。但因為原子核的周期性電勢，前式不再適合。但可將自由電子質(zhì)量換成有效質(zhì)量mn(下標(biāo)符號n表示電子)，仍可得到相同形式的關(guān)系，即Eg

空穴能量

電子能量

導(dǎo)帶（mn

＝0.25m0）

價帶（mp=m0

）

右圖為砷化鎵的動量-能量關(guān)系曲線，其價帶頂部與導(dǎo)帶最低處發(fā)生在相同動量處(p＝0)。因此，當(dāng)電子從價帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時，不需要動量轉(zhuǎn)換。這類半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。直接帶隙半導(dǎo)體：能量/eV砷化鎵有一非常窄的導(dǎo)帶拋物線，其電子的有效質(zhì)量僅為0.063m0。直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體對硅而言，其動量-能量曲線中價帶頂部發(fā)生在p＝0時，但導(dǎo)帶的最低處則發(fā)生在沿[100]方向的p＝pC。因此，當(dāng)電子從硅的價帶頂部轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶最低點時，不僅需要能量轉(zhuǎn)換(≥Eg),也需要動量轉(zhuǎn)換(≥pC)。這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。硅有一較寬的導(dǎo)帶拋物線，其電子的有效質(zhì)量為0.19m0。間接帶隙半導(dǎo)體：能量/eV直接與間接禁帶結(jié)構(gòu)的差異在發(fā)光二極管與激光等應(yīng)用中相當(dāng)重要。這些應(yīng)用需要直接禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)生有效光子。GaP、GaAs、GaNGaAs與Si的晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)GaAs電學(xué)性質(zhì)電子的速度有效質(zhì)量越低，電子速度越快；GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3；用GaAs制備的晶體管開關(guān)速度比硅的快3~4倍；高頻器件，軍事上應(yīng)用。電子遷移速率砷化鎵和硅的電子遷移率與電場強度的關(guān)系1.與載流子濃度一起決定半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率的大小。遷移率越大，電阻率越小，通過相同電流時，功耗越小，電流承載能力越大。2.二是影響器件的工作頻率。遷移率越大，需要的渡越基區(qū)的時間越短，晶體管的截止頻率與基區(qū)材料的載流子遷移率成正比，因此提高載流子遷移率，可以降低功耗，提高器件的電流承載能力，同時，提高晶體管的開關(guān)響應(yīng)速度。雙極性晶體管NPN型雙極性晶體管的典型狀態(tài)：

在發(fā)射結(jié)上具有正向偏置，而集集電結(jié)具有反向偏置。E——發(fā)射極B——基極C——集電極砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高應(yīng)用領(lǐng)域頻率范圍個人通訊服務(wù)900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有線電視50～1000MHzGPS1.6GHz衛(wèi)星電視11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型衛(wèi)星地面站）6、14、28GHz衛(wèi)星移動電話1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）寬頻衛(wèi)星服務(wù)28GHz汽車雷達控制系統(tǒng)76～77GHz電子收費系統(tǒng)5.8GHzGaAs非常適合高頻無線通訊砷化鎵相對于硅的優(yōu)越性1.工作頻率高，Si器件最高工作頻率約為4GHz，而GaAs器件可以工作至100GHz；2.工作速度快，GaAs器件比Si器件工作速度一般高10倍以上，整機系統(tǒng)可以快100倍以上；3.GaAs器件比Si器件具有更寬的溫度特性；4.GaAs器件比Si器件具有更好的抗輻照特性；5.GaAs可以制作發(fā)光器件，易于實現(xiàn)微電子和光電子的結(jié)合，適合制作光電集成電路。GaAs相對于Si的不足之處1.Si可以把自己的氧化物形式用作絕緣體，這種絕緣體起著掩膜的作用，對Si提供保護，而砷化鎵卻無此能力，因而砷化鎵器件較難制造，且造價較高；2.Si的導(dǎo)熱能力是砷化鎵的2.75倍，因此，用Si電路可實現(xiàn)的封裝密度要高于砷化鎵電路；另外，砷化物是劇毒物質(zhì)，即使用量極少，也會在處置和清楚GaAs產(chǎn)品方面產(chǎn)生各種問題；3.Si是地球上最豐富的元素（僅次于氧），而砷化鎵卻極其稀少，獲取要困難的多。砷化鎵應(yīng)用領(lǐng)域太空高效太陽電池原來人造天體上所用的都是硅的太陽能電池。由于砷化鎵太陽能電池的工藝獲得突破，現(xiàn)已證明，在太空中使用砷化鎵太陽能電池更為合理。最近發(fā)射和計劃發(fā)射的人造天體多使用砷化鎵太陽能電池作能源。最引人注目的是美國發(fā)射的火星探路者，它使用了砷化鎵太陽能電池來驅(qū)動自動小車在火星上工作了30天。軍事應(yīng)用在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中，電子信息技術(shù)顯示出巨大的威力，其中砷化鎵起了不可磨滅的作用。在相控陣雷達、電子對抗、激光描準、夜視、通信等方面，砷化鎵器件都起了關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)在各發(fā)達國家都在研究供軍事用的砷化鎵材料與器件。移動電話

近些年來移動電話飛速發(fā)展，年增長率達兩三倍。由于用戶的增加和功能的擴大，就必須提高其使用的頻率。在較高的頻率下，砷化鎵器件與硅器件相比.具有使用的電壓低、功率效率高、噪聲低等優(yōu)點，而且頻率愈高，兩種器件在上述性能方面的差距愈大。所以現(xiàn)在移動通信成了砷化鎵微波電路的最大用戶。光纖通信在此種通信中光的發(fā)射是要用砷化鎵或砷化鎵基的激光二極管或發(fā)光二極管，由于移動通信和因特網(wǎng)的發(fā)展擴大了對光纖通信的需求。汽車自動化首先獲得應(yīng)用的是全球定位系統(tǒng)，可以指示給駕駛員關(guān)于汽車的方位、合理的行車路線等信息，這也為汽車的無人駕駛提供了前提條件，這套系統(tǒng)主要靠砷化鎵的微波器件所支持的。另外已接近商品化的汽車防碰撞裝置是以砷化鎵微波器件所構(gòu)成的雷達為核心的。

國內(nèi)外現(xiàn)狀對比目前我國在研制通信用砷化鎵器件方面尚處于起步階段。手機用砷化鎵電路基本靠進口。隨著我國通信產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對砷化鎵器件需求越來越大。砷化鎵電路用于手機的功放和開關(guān)部分，還可用于移動通信基站、光通信、衛(wèi)星通信、CATV、軍事通信等重要用途，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。砷化鎵的分類1.半絕緣砷化鎵材料（Si-GaAs）——40%

應(yīng)用領(lǐng)域：微波場效應(yīng)器件、集成電路（模擬、數(shù)字、光電子）。2.低阻砷化鎵材料——60%

應(yīng)用領(lǐng)域：LED、激光器、太陽能電池、微波二極管等器件。砷化鎵單晶的制備方法1.液封直拉法（LiquidEncapsulatedCzochralski，LEC法）2.水平布里奇曼法（HorizontalBridgman，HB法）3.垂直布里奇曼法（VerticalBridgeman，VB法）4.垂直梯度凝固法（VerticalGradientFreeze，VGF法）1.液封直拉法LEC法是生長半絕緣砷化鎵單晶的主要工藝；采用石墨加熱器和PBN坩堝，B2O3作為液封劑，在2MPa的Ar氣環(huán)境下生長；優(yōu)點：可靠性高，容易生長較大直徑的單晶，碳含量可控，半絕緣性能好；缺點：化學(xué)劑量比較難控制，晶體的位錯密度大且分布不均勻。目前市場上80%以上的半絕緣砷化鎵單晶大是采用