ch半導體材料實用PPT學習教案

1、會計學1ch半導體材料實用半導體材料實用2n半導體的發(fā)現(xiàn)實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)半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。第1頁/共38頁3n半導體的發(fā)現(xiàn)實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與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性。在它兩端

2、加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導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。 n1873年年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。n而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。第2頁/共38頁4p半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。p鍺和硅是最常用的元素半導體；化合物半導體包括-族化合物（砷化鎵、磷化鎵

3、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)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。第3頁/共38頁5第4頁/共38頁6第5頁/共38頁7n為了滿足量產上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。n常見的品質問題包括晶格的位錯（dislocation）、孿晶面（twins），或是堆垛層錯 （stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。第6頁/共38

4、頁8n目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為丘克拉斯基法（Czochralski method）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入熔化的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。多晶硅生產設備第7頁/共38頁9第8頁/共38頁1020092009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市場市場份額份額11英特爾332534143024.6%13.8%22三星電子176862825

5、659.8%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半導體60351035071.5%3.4%57意法半導體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22837130031331.5%100.0%第9頁/共38頁11十億美元第10頁/共38頁12 2008-2014年中國半導體市場規(guī)模增

6、長情況 第11頁/共38頁13第12頁/共38頁14材料的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體 Eg Eg第13頁/共38頁15第14頁/共38頁16滿 帶空 帶h Eg半導體的載流子：電子和空穴電子和空穴總是成對出現(xiàn)的在電場作用下，電子和空穴均可導電，它們稱作本征載流子。它們的導電形成半導體的本征導電性。第15頁/共38頁17空帶滿帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來，這相當于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為空穴導電。 Eg在外電場作用下,第16頁/共38頁18半導體中導電過程的簡單“停車站”模擬（a）不可能移動（b）上下兩

7、層都可能移動第17頁/共38頁溫度特性溫度也能顯著改變半導體材料的導電性能。一般來說，半導體的導電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導體的電阻率具有負的溫度系數(shù)，而金屬的電阻率具有正當溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。環(huán)境特性半導體的導電能力還會隨光照而發(fā)生變化,稱為光電導現(xiàn)象。此外半導體的導電能力還會隨所處環(huán)境的電場、磁場、壓力和氣氛的作用等而變化。19第18頁/共38頁20本征型純-SiN -型施主雜質 P +P -型受主雜質 B 摻雜工藝： 主要為熱擴散和離子注入多子與少子第19頁/共38頁21第20頁/共38頁22第21頁/共38頁23 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內電場內電場 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空

8、間電荷區(qū)p當N型半導體和P型半導體結合在一起時，由于P型半導體中空穴濃度高、電子濃度低，而N型半導體中電子濃度高、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散。P區(qū)的空穴要擴散到N區(qū)，且與N區(qū)的電子復合，在P區(qū)一側就留下了不能移動的負離子空間電荷區(qū)。p同樣，N區(qū)的電子要擴散到P 區(qū)，且與P區(qū)的空穴負荷在N區(qū)一側就留下了不能移動的正離子空間電荷區(qū)。第22頁/共38頁24 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內電場內電場 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)p對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。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，P

9、N結的電阻很大。PN結第23頁/共38頁25p如果電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，PN結處于正向偏置。p電流從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。p于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大，PN結呈現(xiàn)低阻性。正向導通第24頁/共38頁26p如果電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，PN結處于反向偏置。p空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。p內電場對多子擴散運動的

10、阻礙增強，擴散電流大大減小，PN結呈現(xiàn)高阻性。反向截止第25頁/共38頁27正向導通，反向截止PN結是幾乎所有半導體器件的基本單元。第26頁/共38頁于其紅限頻率時，它的電阻值有隨光強的增加而急劇減小的現(xiàn)象。利用這種特性制成的半導體器件稱為光敏電阻(photosensitive resistance)。n光敏電阻是自動控制、遙感等技術中的一個重要元件。28第27頁/共38頁29第28頁/共38頁30這種由內建電場引起的光-電效應，稱為光生伏特效應。利用光電效應可以制成太陽能電池，直接把光能轉換成電能，這是它最重要的實際應用。另外，光生伏特效應也廣泛應用于光電探測器。第29頁/共38頁31第30

11、頁/共38頁32第31頁/共38頁33v Si單晶作為主要半導體材料，其大直徑化的進程仍將繼續(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 對大尺寸（Si）晶片的幾何尺寸精度和晶片表面質量要求越來越高，從而促進超精細晶片加工技術的發(fā)展。1、晶片尺寸更大 第32頁/共38頁34v 1989年推出的英特爾486處理器采用1微米工藝技術，當前國際主流生產技術為0.250.35m，先進生產技術為0.130.10m，90nm技術已開始投入小批量生產，并研究成功65 nm技術。2010年采用45nm 技術，

12、按照國際半導體產業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）預測2016年和2018年將分別發(fā)展到22nm和18nm，預計在2020年有望達到16nm 。2、 線寬更小 第33頁/共38頁35v 傳統(tǒng)半導體材料中大部分采用的是硅，新型半導體材料如氮化鎵、碳化硅、硒化鋅的發(fā)展將極大豐富半導體材料的應用領域。3、新材料 v 量子（阱、線、點）結構半導體材料的研制向實用化發(fā)展，使“能帶工程”用于生產實踐。通過對半導體材料和相應器件設計的人工“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34頁/共38頁36v 封裝技術對于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通過封裝技術創(chuàng)新使產品微型化。v 封裝的關鍵新能要求包括插腳數(shù)目、電板