ch2-2半導(dǎo)體材料課件

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)半導(dǎo)體西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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10-3～109歐·厘米之間，溫度升高時(shí)電阻率指數(shù)則減小。半導(dǎo)體歷史西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前：1833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)。不久，1839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。半導(dǎo)體材料西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院5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。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ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Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。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。半導(dǎo)體材料分類西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院6重要半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院7半導(dǎo)體材料的制造西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院9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（Czochralskimethod）。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。多晶硅生產(chǎn)設(shè)備丘克拉斯基法西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院102010全球十大半導(dǎo)體公司排名西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院112009年排名2010年排名公司2009收入2010收入2009-2010增長率2010市場(chǎng)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)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%中國半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院13

2008-2014年中國半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模增長情況能帶結(jié)構(gòu)西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院14導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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)體半導(dǎo)體絕緣體EgEg半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院17滿帶空帶hEg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。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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)半導(dǎo)體的摻雜西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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熱擴(kuò)散西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院22離子注入西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院23PN結(jié)的形成西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院25

P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)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)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。由于耗盡層的存在，PN結(jié)的電阻很大。PN結(jié)PN結(jié)的導(dǎo)電性西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院26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。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)。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)≒N結(jié)的導(dǎo)電性西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院27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。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)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(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(thermosensitiveresistance)。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(photosensitiveresistance)。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。西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院29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)。

西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院30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。西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院31這種由內(nèi)建電場(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。光伏效應(yīng)應(yīng)用西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院32半導(dǎo)體的應(yīng)用西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院33半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì)

西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院34Si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。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、晶片尺寸更大半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì)

西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院351989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0.25～0.35μm，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)為0.13～0.10μm，90nm技術(shù)已開始投入小批量生產(chǎn)，并研究成功65nm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、線寬更小半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì)

西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院36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。半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢(shì)

西南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院37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。封裝的關(guān)鍵新能要求包括插腳數(shù)目、電板空間密度的最大化及散熱效