ch半導體材料PPT課件

1、半導體材料1要點 半導體材料概述、半導體材料的發(fā)展、電學性能與應(yīng)用、半導體材料的發(fā)展趨勢第1頁/共39頁半導體2半導體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導體室溫時電阻率約在10-3109歐厘米之間，溫度升高時電阻率指數(shù)則減小。第2頁/共39頁半導體歷史3n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(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一

2、個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。第3頁/共39頁半導體歷史4n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(guān)，即它的導電有方向性。在它兩端加一個正向電壓，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(yīng)，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(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增加的光電導效應(yīng)，這是半導體又一個特有的性質(zhì)。半導體的這四個效應(yīng)，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

3、白格和維斯首次使用。n而總結(jié)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4頁/共39頁半導體材料5p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5頁/共39頁半導體材料分類6第6頁/共39頁重要半導體晶體結(jié)構(gòu)7第7頁/共39頁半導體材料的制造8n為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導體的電性必須是可預(yù)

4、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(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴格要求。n常見的品質(zhì)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8頁/共39頁半導體材料的制造9n 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(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，溶質(zhì)將會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市場市場份額份額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半導體60351035071.5%3.4%57意法半導

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22837130031331.5%100.0%第11頁/共39頁全球半導體發(fā)展現(xiàn)狀12十億美元第12頁/共39頁中國半導體市場發(fā)展趨勢13 2008-2014年中國半導體市場規(guī)模增長情況 第13頁/共39頁能帶結(jié)構(gòu)14第14頁/共39頁導體、絕緣體、半導體15材料的導電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。導體導體半導體半導體絕緣體絕緣體 Eg Eg第15頁/共39頁元

7、素半導體材料的特性16第16頁/共39頁半導體的導電機制17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17頁/共39頁半導體的導電機制18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18頁/共39頁半導體的導電機制19半導體中導電過程的簡單“停車站”模擬（a）不可能移動（b）上下兩層都可能移動第19頁/共39頁半導體的導電特性溫度特性溫度也能顯著改變半導體材料的導電性能。一

8、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。20第20頁/共39頁半導體的摻雜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： 主要為熱擴散和離子注入多子與少子第21頁/共39頁熱擴散22第22頁/共39頁離子注入23第23頁/共39頁PN結(jié)的形成24 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)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當N型半導體和P型半導體結(jié)合在

9、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(cè)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(cè)就留下了不能移動的正離子空間電荷區(qū)。第24頁/共39頁PN結(jié)的形成25 P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)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(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PN結(jié)的導電性26p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(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動，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)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。p于是，內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。正向?qū)ǖ?6頁/共39頁PN結(jié)的導電性27p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(jié)區(qū)，PN結(jié)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(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。p內(nèi)電場對多子擴散運動的

11、阻礙增強，擴散電流大大減小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。反向截止第27頁/共39頁PN結(jié)的伏安特性 PN結(jié)的伏安特性最主要特點就是單向?qū)щ娦浴?8正向?qū)?，反向截止PN結(jié)是幾乎所有半導體器件的基本單元。第28頁/共39頁半導體電學性能的應(yīng)用1、熱敏電阻 根據(jù)半導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，已廣泛應(yīng)用于自動控制技術(shù)。2、光敏電阻 半導體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時，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(photo

12、sensitive resistance)。 光敏電阻是自動控制、遙感等技術(shù)中的一個重要元件。 29第29頁/共39頁半導體電學性能的應(yīng)用3、溫差熱電偶 把兩種不同材料的半導體組成一個回路，并使兩個接頭具有不同的溫度，會產(chǎn)生較大的溫差電動勢，稱為半導體溫差熱電偶。溫度每差一度，溫差電動勢能夠達到、甚至超過1毫伏。 利用半導體溫差熱電偶可以制成溫度計，或小型發(fā)電機。 30第30頁/共39頁光生伏特效應(yīng)-Photovoltaic 用適當波長的光照射非均勻半導體，例如P-N結(jié)和金屬-半導體接觸等，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)生光生電流或者光生電壓。31這種由內(nèi)建

13、電場引起的光-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。第31頁/共39頁光伏效應(yīng)應(yīng)用32第32頁/共39頁半導體的應(yīng)用33第33頁/共39頁半導體材料主要發(fā)展趨勢 34v 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(zhì)量要求越來越高，從而促進超精細晶片加工技術(shù)的發(fā)展。1、晶片尺寸更大 第34頁/

14、共39頁半導體材料主要發(fā)展趨勢 35v 1989年推出的英特爾486處理器采用1微米工藝技術(shù)，當前國際主流生產(chǎn)技術(shù)為，先進生產(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)，按照國際半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）預(yù)測2016年和2018年將分別發(fā)展到22nm和18nm，預(yù)計在2020年有望達到16nm 。2、 線寬更小 第35頁/共39頁半導體材料主要發(fā)展趨勢 36v 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(yīng)用領(lǐng)域。3、新材料 v 量子（阱、線、點）結(jié)構(gòu)半導體材料的研制向?qū)嵱没l(fā)展，使“能帶工程”用于生產(chǎn)實踐。通過對半導體材料和相應(yīng)器件設(shè)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36頁/共39頁半導體材料主要發(fā)展趨勢 37v 封裝技術(shù)對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