第二章半導(dǎo)體材料

1、 概述概述 了解原子的結(jié)構(gòu)和結(jié)合是認(rèn)識硅扮演著半了解原子的結(jié)構(gòu)和結(jié)合是認(rèn)識硅扮演著半導(dǎo)體材料重要角色的關(guān)鍵。掌握這些知識，導(dǎo)體材料重要角色的關(guān)鍵。掌握這些知識，為理解簡單的半導(dǎo)體器件如何能充當(dāng)復(fù)雜為理解簡單的半導(dǎo)體器件如何能充當(dāng)復(fù)雜微芯片世界的一部分提供了基礎(chǔ)。微芯片世界的一部分提供了基礎(chǔ)。 目標(biāo)目標(biāo)通過本章學(xué)習(xí)，能夠：通過本章學(xué)習(xí)，能夠：1.能夠列出至少三種半導(dǎo)體材料能夠列出至少三種半導(dǎo)體材料2.解釋電阻率、電阻和電容，討論它們在芯解釋電阻率、電阻和電容，討論它們在芯片制造中的重要性片制造中的重要性3.解釋解釋N型和型和P型半導(dǎo)體材料在組成和電性能型半導(dǎo)體材料在組成和電性能方面的不同方面的不

2、同4.討論以砷化鎵為重點的其它半導(dǎo)體材料討論以砷化鎵為重點的其它半導(dǎo)體材料2.1原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)自然界中任何事物都是由自然界中任何事物都是由96種穩(wěn)定元素和種穩(wěn)定元素和12種不穩(wěn)定元素組成的。不同原子結(jié)構(gòu)決種不穩(wěn)定元素組成的。不同原子結(jié)構(gòu)決定了不同的元素特性。定了不同的元素特性。著名物理學(xué)家尼爾斯著名物理學(xué)家尼爾斯玻爾最早把原子的基玻爾最早把原子的基本結(jié)構(gòu)用于解釋不同元素的不同物理、化本結(jié)構(gòu)用于解釋不同元素的不同物理、化學(xué)和電性能。學(xué)和電性能。2.1.1玻爾原子模型玻爾原子模型 帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子集中在原子帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子集中在原子核中，帶負(fù)電的電子圍繞原子核在固定的核中，帶

3、負(fù)電的電子圍繞原子核在固定的軌道上運(yùn)動。軌道上運(yùn)動。 帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子之間存在著帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子之間存在著吸引力，不過吸引力和電子在軌道上運(yùn)動吸引力，不過吸引力和電子在軌道上運(yùn)動的離心力相抵，這樣原子結(jié)構(gòu)就穩(wěn)定了。的離心力相抵，這樣原子結(jié)構(gòu)就穩(wěn)定了。 每個軌道容納的電子數(shù)量是有限的。當(dāng)一每個軌道容納的電子數(shù)量是有限的。當(dāng)一個特定的電子軌道被填滿后，其余的電子個特定的電子軌道被填滿后，其余的電子就必須填充到下一個外層軌道上。就必須填充到下一個外層軌道上。 元素：同種原子構(gòu)成的最簡單的物質(zhì)，具元素：同種原子構(gòu)成的最簡單的物質(zhì)，具有特定的物理和化學(xué)性質(zhì)有特定的物理和化學(xué)性質(zhì) 分子

4、：由兩個或更多的原子構(gòu)成，通過化分子：由兩個或更多的原子構(gòu)成，通過化學(xué)作用緊密束縛在一起的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為一學(xué)作用緊密束縛在一起的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為一個獨(dú)立單元個獨(dú)立單元 化合物：由兩個或更多的原子構(gòu)成，形成化合物：由兩個或更多的原子構(gòu)成，形成一種性質(zhì)不同于組分原子的新物質(zhì)一種性質(zhì)不同于組分原子的新物質(zhì) 電子：各個電子占據(jù)了包含電子：各個電子占據(jù)了包含7個不同殼層的個不同殼層的軌道，每個殼層對應(yīng)了一個特定的能級，軌道，每個殼層對應(yīng)了一個特定的能級，以從以從K到到Q得字母來區(qū)分。得字母來區(qū)分。 電子能級：能量單位是電子伏特（電子能級：能量單位是電子伏特（ev），），代表一個電子從低電勢處移動到高出代表一個

5、電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。電勢處所獲得的動能。 價電子層：給定一種原子，最外部的電子價電子層：給定一種原子，最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學(xué)和物理性層就是價電子層，對原子的化學(xué)和物理性質(zhì)具有顯著的影響。質(zhì)具有顯著的影響。 固體能帶論：解釋了固體材料中電子怎樣固體能帶論：解釋了固體材料中電子怎樣改變軌道能級。改變軌道能級。 離子：當(dāng)原子失去或得到一個或多個電子離子：當(dāng)原子失去或得到一個或多個電子時成為離子。時成為離子。 電離：從原子中移去電子的過程，產(chǎn)生了電離：從原子中移去電子的過程，產(chǎn)生了帶正電的原子或分子。帶正電的原子或分子。 離子鍵：當(dāng)價層電子從一種元素的

6、原子轉(zhuǎn)離子鍵：當(dāng)價層電子從一種元素的原子轉(zhuǎn)移到另一個原子上時，形成離子鍵。移到另一個原子上時，形成離子鍵。 共價鍵：不同元素的原子共有價層電子，共價鍵：不同元素的原子共有價層電子，原子通過共有電子來使價層完全填充而變原子通過共有電子來使價層完全填充而變得穩(wěn)定。得穩(wěn)定。2.1.2元素周期表元素周期表 原子結(jié)構(gòu)的規(guī)則原子結(jié)構(gòu)的規(guī)則1、在任何原子中都有數(shù)量相等的質(zhì)子和電子、在任何原子中都有數(shù)量相等的質(zhì)子和電子2、任何元素都包括特定數(shù)目的質(zhì)子，沒有任、任何元素都包括特定數(shù)目的質(zhì)子，沒有任何兩種元素有相同數(shù)目的質(zhì)子。何兩種元素有相同數(shù)目的質(zhì)子?！霸有蛟有驍?shù)數(shù)”就等于原子中質(zhì)子的數(shù)目。就等于原子中質(zhì)子

7、的數(shù)目。3、有相同最外層電子數(shù)的元素有著相似的性、有相同最外層電子數(shù)的元素有著相似的性質(zhì)。質(zhì)。4、最外層被填滿或者擁有、最外層被填滿或者擁有8個電子的元素是個電子的元素是穩(wěn)定的，在化學(xué)性質(zhì)上比最外層未填滿的穩(wěn)定的，在化學(xué)性質(zhì)上比最外層未填滿的原子更穩(wěn)定。原子更穩(wěn)定。5、原子會試圖與其他原子結(jié)合而形成穩(wěn)定的、原子會試圖與其他原子結(jié)合而形成穩(wěn)定的條件。條件。2.1.3硅片制造中一般化學(xué)元素的族特性硅片制造中一般化學(xué)元素的族特性IA ：一個價電子，容易失去，低負(fù)電性：一個價電子，容易失去，低負(fù)電性 不穩(wěn)定不穩(wěn)定 非?；顫?，爆炸性非?；顫?，爆炸性 形成離子鍵形成離子鍵 由于污染問題，不推薦使用這族金屬

8、由于污染問題，不推薦使用這族金屬 IIA：2個價電子個價電子 有些不穩(wěn)定有些不穩(wěn)定 相當(dāng)活潑相當(dāng)活潑 不推薦使用這族金屬不推薦使用這族金屬IIIA：3個價電子個價電子 加入到半導(dǎo)體材料中的摻雜元素（主要加入到半導(dǎo)體材料中的摻雜元素（主要 是是B） 普通的互連導(dǎo)電材料（普通的互連導(dǎo)電材料（AL） IVA：4個價電子個價電子 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 形成共價鍵形成共價鍵 VA：5個價電子個價電子 加入到半導(dǎo)體材料中的摻雜元素（主加入到半導(dǎo)體材料中的摻雜元素（主 要是要是P和和AS） VIA：6個價電子個價電子VIIA：7個價電子，容易接受電子，高負(fù)電性個價電子，容易接受電子，高負(fù)電性 腐蝕性腐蝕性

9、非常活潑非常活潑 形成離子鍵形成離子鍵 在某些半導(dǎo)體應(yīng)用中有用：作為刻蝕在某些半導(dǎo)體應(yīng)用中有用：作為刻蝕 和清洗化合物而使用和清洗化合物而使用 VIIIA：8個價電子個價電子 穩(wěn)定，不活潑穩(wěn)定，不活潑 惰性氣體惰性氣體 應(yīng)用在半導(dǎo)體制造的某些方面是安全的應(yīng)用在半導(dǎo)體制造的某些方面是安全的IB：最好的金屬導(dǎo)體：最好的金屬導(dǎo)體 Cu正在取代正在取代AL的互連導(dǎo)體材料的位置的互連導(dǎo)體材料的位置IVBVIB：難熔（高熔點）金屬，一般用于：難熔（高熔點）金屬，一般用于 半導(dǎo)體制造中以改善金屬化（尤其半導(dǎo)體制造中以改善金屬化（尤其 是是Ti、W、Mo、Ta和和Cr） 與與Si反應(yīng)良好，形成具有優(yōu)良電學(xué)反應(yīng)

10、良好，形成具有優(yōu)良電學(xué) 特性的穩(wěn)定化合物特性的穩(wěn)定化合物2.2材料分類材料分類根據(jù)流經(jīng)材料電流的不同可分為三類材料：根據(jù)流經(jīng)材料電流的不同可分為三類材料： 導(dǎo)體導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體2.2.1導(dǎo)體導(dǎo)體 導(dǎo)體：價帶與導(dǎo)帶交疊，電子從價帶移動到導(dǎo)帶只導(dǎo)體：價帶與導(dǎo)帶交疊，電子從價帶移動到導(dǎo)帶只 需很小的能量。需很小的能量。 在原子的最外層通常有一些束縛松散的價電子，在原子的最外層通常有一些束縛松散的價電子，容易失去。金屬典型地具有這種價電子層結(jié)構(gòu)。容易失去。金屬典型地具有這種價電子層結(jié)構(gòu)。 在一般的半導(dǎo)體制造中，鋁是最普通的導(dǎo)體材在一般的半導(dǎo)體制造中，鋁是最普通的導(dǎo)體材料，用來充當(dāng)器件之

11、間的互聯(lián)線，而鎢可作為金屬料，用來充當(dāng)器件之間的互聯(lián)線，而鎢可作為金屬層之間的互連材料。層之間的互連材料。 銅是優(yōu)質(zhì)金屬導(dǎo)體的一個例子，最近被引入到硅銅是優(yōu)質(zhì)金屬導(dǎo)體的一個例子，最近被引入到硅片制造中取代鋁。片制造中取代鋁。 空穴：電子的移去在電子價帶中留下一個空空穴：電子的移去在電子價帶中留下一個空 位位 電子電子空穴對：每個導(dǎo)帶電子必定存在一個價帶空穴對：每個導(dǎo)帶電子必定存在一個價帶 空穴與之對應(yīng)，價帶電子能夠躍空穴與之對應(yīng)，價帶電子能夠躍 入空穴的位置，從而推動電子的入空穴的位置，從而推動電子的 移動和導(dǎo)電。這種狀態(tài)稱之為電移動和導(dǎo)電。這種狀態(tài)稱之為電 子子空穴對?？昭▽?。 復(fù)合：在成為

12、導(dǎo)帶自由電子不久，電子即失去能復(fù)合：在成為導(dǎo)帶自由電子不久，電子即失去能 量并跌入價帶的空穴中，這個過程稱為復(fù)量并跌入價帶的空穴中，這個過程稱為復(fù) 合。合。 壽命：一個電子從導(dǎo)帶移出直到復(fù)合所經(jīng)歷的時壽命：一個電子從導(dǎo)帶移出直到復(fù)合所經(jīng)歷的時 間。間。熱能促使電子熱能促使電子空穴對持續(xù)不斷的產(chǎn)生并隨之復(fù)合?？昭▽Τ掷m(xù)不斷的產(chǎn)生并隨之復(fù)合。 電導(dǎo)率與電阻率電導(dǎo)率與電阻率材料傳導(dǎo)電流的性質(zhì)稱為導(dǎo)電性。材料傳導(dǎo)電流的性質(zhì)稱為導(dǎo)電性。用電阻率（用電阻率（ ）來表征材料的導(dǎo)電性。電阻率越低）來表征材料的導(dǎo)電性。電阻率越低的材料具有越好的導(dǎo)電性。只依賴于材料本身，與的材料具有越好的導(dǎo)電性。只依賴于材料本身

13、，與幾何形狀無關(guān)。通常導(dǎo)體的電阻率在幾何形狀無關(guān)。通常導(dǎo)體的電阻率在10-4歐姆歐姆*厘米厘米以下，絕緣體的電阻率在以下，絕緣體的電阻率在109歐姆歐姆*厘米以上。用厘米以上。用公公式表示式表示：C1 電阻電阻 電阻：阻礙電流流動并伴隨著熱消耗。電阻：阻礙電流流動并伴隨著熱消耗。 硅片制造中特征尺寸的減小使電阻成為一個重要硅片制造中特征尺寸的減小使電阻成為一個重要參數(shù)。更小的尺寸引起互連線的電阻增加，增加參數(shù)。更小的尺寸引起互連線的電阻增加，增加了非理想效應(yīng)的熱損耗。了非理想效應(yīng)的熱損耗。面積lR2.2.2絕緣體絕緣體絕緣體：有很大的禁帶寬度分隔開價帶和導(dǎo)帶，電絕緣體：有很大的禁帶寬度分隔開價

14、帶和導(dǎo)帶，電 子從價帶移動到導(dǎo)帶很困難，有很低的電子從價帶移動到導(dǎo)帶很困難，有很低的電 導(dǎo)率和很高的電阻率。導(dǎo)率和很高的電阻率。半導(dǎo)體制造中的絕緣體包括二氧化硅、氮化硅和聚半導(dǎo)體制造中的絕緣體包括二氧化硅、氮化硅和聚酰亞胺（一種朔料材料），凈化后的去離子水也是酰亞胺（一種朔料材料），凈化后的去離子水也是絕緣體。絕緣體。 電容電容 電容是被電介質(zhì)分隔開的兩個導(dǎo)電極板上電容是被電介質(zhì)分隔開的兩個導(dǎo)電極板上的電荷存儲裝置。的電荷存儲裝置。 在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，MOS柵結(jié)構(gòu)，被絕緣層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)，被絕緣層隔開的金屬層和硅基體之間都存在著電容。隔開的金屬層和硅基體之間都存在著電容。 介電常數(shù)：介電

15、材料是電容器中的關(guān)鍵部介電常數(shù)：介電材料是電容器中的關(guān)鍵部分。介電常數(shù)分。介電常數(shù)K已經(jīng)成為一個重要的半導(dǎo)體已經(jīng)成為一個重要的半導(dǎo)體性能參數(shù)。性能參數(shù)。2.2.3半導(dǎo)體半導(dǎo)體 具有較小的禁帶寬度，介于絕緣體和導(dǎo)體之間。具有較小的禁帶寬度，介于絕緣體和導(dǎo)體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導(dǎo)帶。這種行為發(fā)生在半導(dǎo)體被加熱時，因而到導(dǎo)帶。這種行為發(fā)生在半導(dǎo)體被加熱時，因而其導(dǎo)電性隨溫度的增加而提高。其導(dǎo)電性隨溫度的增加而提高。 硅硅 它是一種半導(dǎo)體材料，有它是一種半導(dǎo)體材料，有4個價電子，位于個價電子，位于IVA族，族，硅中價層電子數(shù)目正好

16、位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（硅中價層電子數(shù)目正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個價電個價電子）和絕緣體（子）和絕緣體（8個價電子）中間。個價電子）中間。 硅的熔點是硅的熔點是1412，是一種質(zhì)硬的脆性材料，變，是一種質(zhì)硬的脆性材料，變形很容易破碎，與玻璃相似?？梢話伖獾孟耒R面形很容易破碎，與玻璃相似。可以拋光得像鏡面一樣平整。一樣平整。 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 不含任何雜質(zhì)和缺陷的純凈半導(dǎo)體，不含任何雜質(zhì)和缺陷的純凈半導(dǎo)體，其純度在其純度在99.999999%（810個個9）。）。 摻雜半導(dǎo)體：把特定的元素引入到本征半導(dǎo)體中，摻雜半導(dǎo)體：把特定的元素引入到本征半導(dǎo)體中，可提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性?？商岣弑菊靼雽?dǎo)體的導(dǎo)電性

17、。 兩種特性：兩種特性：1.通過摻雜精確控制電阻率通過摻雜精確控制電阻率 2.電子和空穴導(dǎo)電電子和空穴導(dǎo)電 半導(dǎo)體具有以下的特殊性質(zhì)：半導(dǎo)體具有以下的特殊性質(zhì)：(1) 溫度的變化能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力溫度的變化能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。當(dāng)溫度升高時，電阻率會降低。比如當(dāng)溫度升高時，電阻率會降低。比如Si在在200時電阻率比室溫時的電阻率低幾千倍?？梢岳脮r電阻率比室溫時的電阻率低幾千倍?？梢岳冒雽?dǎo)體的這個特性制成自動控制用的熱敏組件半導(dǎo)體的這個特性制成自動控制用的熱敏組件（如熱敏電阻等），但是由于半導(dǎo)體的這一特性，（如熱敏電阻等），但是由于半導(dǎo)體的這一特性，容易引起熱不穩(wěn)定性，在制

18、作半導(dǎo)體器件時需要容易引起熱不穩(wěn)定性，在制作半導(dǎo)體器件時需要考慮器件自身產(chǎn)生的熱量，需要考慮器件使用環(huán)考慮器件自身產(chǎn)生的熱量，需要考慮器件使用環(huán)境的溫度等，考慮如何散熱，否則將導(dǎo)致器件失境的溫度等，考慮如何散熱，否則將導(dǎo)致器件失效、報廢。效、報廢。 (2) 半導(dǎo)體在受到外界光照的作用時導(dǎo)電能力大大半導(dǎo)體在受到外界光照的作用時導(dǎo)電能力大大提高。提高。利用這一特點，可制成光敏三極管、光敏利用這一特點，可制成光敏三極管、光敏電阻等。電阻等。 (3) 在純凈的半導(dǎo)體中加入微量（千萬分之一）的在純凈的半導(dǎo)體中加入微量（千萬分之一）的其它元素（這個過程我們稱為摻雜），可使他的其它元素（這個過程我們稱為摻雜

19、），可使他的導(dǎo)電能力提高百萬倍。導(dǎo)電能力提高百萬倍。這是半導(dǎo)體的最初的特征。這是半導(dǎo)體的最初的特征。例如在原子密度為例如在原子密度為5*1022/cm3的硅中摻進(jìn)大約的硅中摻進(jìn)大約5X1015/cm3磷原子，比例為磷原子，比例為10-7（即千萬分之（即千萬分之一），硅的導(dǎo)電能力提高了幾十萬倍。一），硅的導(dǎo)電能力提高了幾十萬倍。2.3摻雜半導(dǎo)體的電阻率摻雜半導(dǎo)體的電阻率2.4電子和空穴的傳導(dǎo)電子和空穴的傳導(dǎo) N型硅型硅 導(dǎo)帶電子多于價帶空穴導(dǎo)帶電子多于價帶空穴多出的電子 P型硅型硅空穴 N型半導(dǎo)體中的電子傳導(dǎo)型半導(dǎo)體中的電子傳導(dǎo) P半導(dǎo)體中的空穴傳導(dǎo)半導(dǎo)體中的空穴傳導(dǎo)電子方向空穴方向tttt 受

20、主：在半導(dǎo)體材料中形成受主：在半導(dǎo)體材料中形成P型導(dǎo)電的摻雜劑型導(dǎo)電的摻雜劑 施主：在半導(dǎo)體材料中形成施主：在半導(dǎo)體材料中形成N型導(dǎo)電的摻雜劑型導(dǎo)電的摻雜劑 摻雜半導(dǎo)體的特性摻雜半導(dǎo)體的特性N 型P 型1. 電導(dǎo)電子空穴2. 性極負(fù)正3. 雜術(shù)語摻4. 硅中摻雜在授主受主砷、磷、銻硼2.5電子和空穴的輸運(yùn)電子和空穴的輸運(yùn)1、熱運(yùn)動、熱運(yùn)動 電子或空穴在半導(dǎo)體中的熱運(yùn)動是隨機(jī)的，又是被電子或空穴在半導(dǎo)體中的熱運(yùn)動是隨機(jī)的，又是被碰撞過程所中斷。所以熱運(yùn)動最終并不產(chǎn)生凈碰撞過程所中斷。所以熱運(yùn)動最終并不產(chǎn)生凈 移位移位或長時間內(nèi)的輸運(yùn)，電子隨機(jī)熱運(yùn)動的速度或長時間內(nèi)的輸運(yùn)，電子隨機(jī)熱運(yùn)動的速度 是

21、溫度是溫度的函數(shù)，在室溫下這一速度近似為的函數(shù)，在室溫下這一速度近似為 8*106cm/s.2、漂移運(yùn)動、漂移運(yùn)動 當(dāng)在樣品上加有電場時，就會有一個附加速度分當(dāng)在樣品上加有電場時，就會有一個附加速度分量與載流子的熱運(yùn)動相迭加，這個附加分量就是量與載流子的熱運(yùn)動相迭加，這個附加分量就是漂移運(yùn)動。漂移運(yùn)動。 電子的漂移運(yùn)動方向與電場的方向相反。電子的漂移運(yùn)動方向與電場的方向相反。 當(dāng)漂移速度與熱運(yùn)動速度相當(dāng)時，電場對漂移速當(dāng)漂移速度與熱運(yùn)動速度相當(dāng)時，電場對漂移速度的作用開始減小。度的作用開始減小。 電子和空穴漂移速度隨電場的增強(qiáng)而增加。但漂電子和空穴漂移速度隨電場的增強(qiáng)而增加。但漂移速度的增長速

22、率逐漸減緩，最后達(dá)到一個最大移速度的增長速率逐漸減緩，最后達(dá)到一個最大的漂移速度。的漂移速度。 單位面積上的電子和空穴漂移電流密度分別為：單位面積上的電子和空穴漂移電流密度分別為：總的漂移電流密度為總的漂移電流密度為 dndnqnvJdpdpqpvJdpdndJJJdpdnqpvqnv3、擴(kuò)散運(yùn)動、擴(kuò)散運(yùn)動 上述兩種運(yùn)動是指半導(dǎo)體中濃度均勻的載流子運(yùn)上述兩種運(yùn)動是指半導(dǎo)體中濃度均勻的載流子運(yùn)動，在濃度不均勻的情況下，載流子還會在濃度動，在濃度不均勻的情況下，載流子還會在濃度梯度梯度n n、 p p的影響下進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動，電子和空的影響下進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動，電子和空穴的擴(kuò)散電流密度分別為：穴的擴(kuò)散電流密

23、度分別為： pqDJnqDJppnn總的電流擴(kuò)散密度為：總的電流擴(kuò)散密度為： pnJJJpqDnqDpn2.6載流子的遷移率載流子的遷移率遷移率：漂移速度與外加電場強(qiáng)度之間的比例常數(shù)。遷移率：漂移速度與外加電場強(qiáng)度之間的比例常數(shù)。 載流子被電場加速的同時，將與晶格格點和晶格載流子被電場加速的同時，將與晶格格點和晶格中的雜質(zhì)碰撞產(chǎn)生散射，各種散射機(jī)構(gòu)決定了載中的雜質(zhì)碰撞產(chǎn)生散射，各種散射機(jī)構(gòu)決定了載流子的遷移率的大小。流子的遷移率的大小。 Ev遷移率與擴(kuò)散系數(shù)間滿足遷移率與擴(kuò)散系數(shù)間滿足PpnnqKTDqKTD)()(2.7硅中的載流子的壽命硅中的載流子的壽命 在任一溫度下，均可通過熱過程在硅內(nèi)

24、部不斷產(chǎn)在任一溫度下，均可通過熱過程在硅內(nèi)部不斷產(chǎn)生電子生電子空穴對，同時，電子空穴對，同時，電子空穴對又通過復(fù)空穴對又通過復(fù)合不斷消失。當(dāng)電子合不斷消失。當(dāng)電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合率完空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合率完全相同時便達(dá)到了平衡。全相同時便達(dá)到了平衡。 如果用一個高能源照射本征半導(dǎo)體表面，電子如果用一個高能源照射本征半導(dǎo)體表面，電子空穴對的數(shù)目將迅速增加。光照去去除后，電子空穴對的數(shù)目將迅速增加。光照去去除后，電子和空穴濃度仍然相等，但兩者的乘積卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于和空穴濃度仍然相等，但兩者的乘積卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體在同一溫度下的平均值半導(dǎo)體在同一溫度下的平均值 ，過剩的電子，過剩的電子和空穴通過復(fù)合衰減，同

25、時以光照和熱的形式向和空穴通過復(fù)合衰減，同時以光照和熱的形式向晶格釋放能量。晶格釋放能量。2in 過剩電子過剩電子空穴對復(fù)合所需時間為載流子壽命。對空穴對復(fù)合所需時間為載流子壽命。對硅而言，載流子壽命可高達(dá)幾百硅而言，載流子壽命可高達(dá)幾百 ，低至幾，低至幾ps。 硅中的電子空穴對可通過以下幾種途徑進(jìn)行復(fù)合：硅中的電子空穴對可通過以下幾種途徑進(jìn)行復(fù)合： 1.直接復(fù)合，在導(dǎo)帶、價帶之間直接躍遷所產(chǎn)生的復(fù)直接復(fù)合，在導(dǎo)帶、價帶之間直接躍遷所產(chǎn)生的復(fù) 合合 2.間接復(fù)合，借助硅中雜質(zhì)能級進(jìn)行復(fù)合間接復(fù)合，借助硅中雜質(zhì)能級進(jìn)行復(fù)合 3.表面復(fù)合表面復(fù)合 s2.8PN結(jié)結(jié) PN結(jié)的形成結(jié)的形成內(nèi)建電場內(nèi)建

26、電場 內(nèi)建電場是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動引起的，伴隨著它內(nèi)建電場是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：的建立將帶來兩種影響： 一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴(kuò)散一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴(kuò)散 二是二是P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電結(jié)，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對方，使空間電荷區(qū)變窄。場的作用下漂移到對方，使空間電荷區(qū)變窄。 當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即結(jié)交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即結(jié)處于動態(tài)平衡。結(jié)的寬度一般為處于動態(tài)平衡。結(jié)的寬度一般為0.5um。 PN結(jié)在未加外加電壓時，擴(kuò)散運(yùn)動與漂移結(jié)在

27、未加外加電壓時，擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動處于動態(tài)平衡，通過運(yùn)動處于動態(tài)平衡，通過PN結(jié)的結(jié)的電流電流為零。為零。 2.9半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 1.點接觸型二極管的結(jié)構(gòu)點接觸型二極管的結(jié)構(gòu) 它的特點是結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，適它的特點是結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，適用于高頻用于高頻(幾百兆赫幾百兆赫)電路。但它不能通過很電路。但它不能通過很大的電流，也不能承受高的反向電壓。主大的電流，也不能承受高的反向電壓。主要用于小電流整流和高額檢波，也適用于要用于小電流整流和高額檢波，也適用于開關(guān)電路。開關(guān)電路。2.面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)面接觸型二極管的結(jié)構(gòu) 它的特點是它的特點是 PN結(jié)面積大，能通過較

28、大的電結(jié)面積大，能通過較大的電流，結(jié)電容也大，適用于整流電路，但工流，結(jié)電容也大，適用于整流電路，但工作頻率較低。作頻率較低。3.平面型二極管的結(jié)構(gòu)平面型二極管的結(jié)構(gòu) 它的特點是結(jié)面積較大時，能通過較大的它的特點是結(jié)面積較大時，能通過較大的電流，適用于大功率整流。結(jié)面積較小時，電流，適用于大功率整流。結(jié)面積較小時，結(jié)電容較小，工作頻率較高，適用于開關(guān)結(jié)電容較小，工作頻率較高，適用于開關(guān)電路。電路。 2.10半導(dǎo)體產(chǎn)品材料半導(dǎo)體產(chǎn)品材料 鍺和硅鍺和硅 鍺的熔點為鍺的熔點為973 ，限制了高溫工藝，表，限制了高溫工藝，表面缺少自然生成的氧化物，從而容易漏電。面缺少自然生成的氧化物，從而容易漏電。

29、硅的熔點為硅的熔點為1415 ，允許高溫工藝，且容，允許高溫工藝，且容易生成二氧化硅。易生成二氧化硅。 半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體化合物 化合物半導(dǎo)體由元素周期表中的第化合物半導(dǎo)體由元素周期表中的第族、族、第第族、第族、第族、第族、第族形成。其中用的最族形成。其中用的最多的是砷化鎵（多的是砷化鎵（GaAsGaAs）、磷砷化鎵）、磷砷化鎵（GaAsPGaAsP）、磷化銦（）、磷化銦（InPInP）、砷鋁化鎵）、砷鋁化鎵（GaAlAsGaAlAs）和磷鎵化銦（）和磷鎵化銦（InGaPInGaP）等。當(dāng)電）等。當(dāng)電流激活時，由砷化鎵和磷砷化鎵做成的二極流激活時，由砷化鎵和磷砷化鎵做成的二極管會發(fā)出可見的激光

30、。也用于電子面板中的管會發(fā)出可見的激光。也用于電子面板中的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管。 砷化鎵砷化鎵 1、載流子的遷移率比硅高，寄生電容和信載流子的遷移率比硅高，寄生電容和信號損耗小，這種特性使得在通信系統(tǒng)中比號損耗小，這種特性使得在通信系統(tǒng)中比SiSi器件更快的響應(yīng)高頻微波并有效地把它器件更快的響應(yīng)高頻微波并有效地把它們轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。們轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳌?2、抗輻射能力強(qiáng)。、抗輻射能力強(qiáng)。 3、半絕緣特性使得臨近器件的歐姆最小化。、半絕緣特性使得臨近器件的歐姆最小化。 4、制造成本較、制造成本較SiSi大，而且沒有天然的氧化大，而且沒有天然的氧化物，脆性，有劇毒物，脆性，有劇毒 碳化硅（碳化硅（SiC

31、） 在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅最有希望的是碳化硅 (SiC ) 功率器件。它功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個數(shù)量的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個數(shù)量級，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有級，碳化硅與其他半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點下列優(yōu)異的物理特點: 高的禁帶寬度，高的高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的飽和電子漂移速度，高的擊穿強(qiáng)度，低的介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。介電常數(shù)和高的熱導(dǎo)率。 這些優(yōu)異的物理特性這些優(yōu)異的物理特性,決定了碳化硅在決定了碳化硅在高溫、高溫、高頻率、高功率高頻率、高功率的應(yīng)

32、用場合是極為理想的的應(yīng)用場合是極為理想的半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，半導(dǎo)體材料。在同樣的耐壓和電流條件下，SiC器件的漂移區(qū)電阻要比硅低器件的漂移區(qū)電阻要比硅低200倍，即倍，即使高耐壓的使高耐壓的SiC場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比場效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關(guān)時間可達(dá)器件的開關(guān)時間可達(dá)10nS量級。量級。 SiC可以用來制造射頻和微波功率器件，各可以用來制造射頻和微波功率器件，各種高頻整流器，種高頻整流器，MESFETS、MOSFETS和和JFETS等。等。SiC高頻功率器件已在高頻功率器件已在Motor

33、ola公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和公司研發(fā)成功，并應(yīng)用于微波和射頻裝置。射頻裝置。GE公司正在開發(fā)公司正在開發(fā)SiC功率器件功率器件和高溫器件和高溫器件(包括用于噴氣式引擎的傳感器包括用于噴氣式引擎的傳感器)。西屋公司已經(jīng)制造出了在西屋公司已經(jīng)制造出了在26GHz頻率下工頻率下工作的甚高頻的作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研公司正在研制高功率、高電壓的制高功率、高電壓的SiC整流器和其他整流器和其他SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。 理論分析表明，理論分析表明，SiC功率器件非常接近于理功率器件非常接近于理想的功率器件?？梢灶A(yù)見，各種想的功率器件?？梢灶A(yù)見，各種SiC器件的器件的研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領(lǐng)域研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領(lǐng)域的主要潮流之一。但是，的主要潮流之一。但是，SiC材料和功率器材料和功率器件的機(jī)理、理論、制造工藝均有大量問題件的機(jī)理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)需要解決，它們要真正給電力電子技術(shù)領(lǐng)域帶來又一次革命，估計至少還需要十幾域帶來又一次革命，估計至少還需要十幾年的時間。年的時間。 鍺化硅鍺化硅 這樣的結(jié)合把晶體管的速度提高到可以應(yīng)這樣的結(jié)合把晶體管的速度提高到可以應(yīng)用