半導(dǎo)體材料硅其他

1、半導(dǎo)體材料硅其他第1頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 “硅器” 硅是一種常見的物質(zhì)，它廣泛的存在于我們的日常生活中，從你手中的手機(jī)，到家中的電視，陶瓷餐具，水晶工藝品，無不包含著硅的身影?？梢哉f，硅在我們的生活中無處不在。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二遠(yuǎn)古時(shí)候的“硅器”陶瓷，主要成分為硅酸鹽第3頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二天然石英（SiO2）第4頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二生活中的硅金絲水晶球 水晶欣賞第5頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 岱岳雄姿 觀

2、音第6頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二電腦中的硅芯片主板第7頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二什么是“半導(dǎo)體材料”材料按照導(dǎo)電的能力來劃分可以分為：導(dǎo)體 金屬等絕緣體橡膠，塑料等半導(dǎo)體硅，鍺等等 半導(dǎo)體材料是介于導(dǎo)體與絕緣體之間的，導(dǎo)電能力一般的導(dǎo)體。它的顯著特點(diǎn)是對溫度、雜質(zhì)和光照等外界作用十分的敏感。第8頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二元素周期表Group123456789101112131415161718周期11H氫2He氦23Li鋰4Be鈹5B硼6C碳7N氮8O氧9F氟10Ne氖311Na鈉12Mg鎂13Al

3、鋁14Si硅15P磷16S硫17Cl氯18Ar氬419K鉀20Ca鈣21Sc鈧22Ti鈦23V釩24Cr鉻25Mn錳26Fe鐵27Co鈷28Ni鎳29Cu銅30Zn鋅31Ga鎵32Ge鍺33As砷34Se硒35Br溴36Kr氪537Rb銣38Sr鍶39Y釔40Zr鋯41Nb鈮42Mo鉬43Tc锝44Ru釕45Rh銠46Pd鈀47Ag銀48Cd鎘49In銦50Sn錫51Sb銻52Te碲53I碘54Xe氙655Cs銫56Ba鋇56-70鑭系*71Lu镥72Hf鉿73Ta鉭74W鎢75Re錸76Os鋨77Ir銥78Pt鉑79Au金80Hg汞81Tl鉈82Pb鉛83Bi鉍84Po釙85At砹86Rn氡

4、787Fr鈁88Ra鐳89-102錒系*103Lr鐒*104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Uun111Uuu112Uub113Uut114Uuq115Uup116Uuh117Uus118Uuo第9頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二鍺常見半導(dǎo)體材料硅第10頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料之所以具有介于導(dǎo)體與絕緣體之間的性質(zhì)，一部分原因是因?yàn)樗奶厥獾慕Y(jié)構(gòu)。 科學(xué)分析表明，硅原子是按照金剛石結(jié)構(gòu)的形式占據(jù)空間位置（晶格）。 金剛石結(jié)構(gòu)的排列特點(diǎn)是：晶格立方格子的8個(gè)頂點(diǎn)有一個(gè)原

5、子晶格6個(gè)面的中心各有一個(gè)原子晶格的4個(gè)對角線離頂點(diǎn)的1/4處各有一個(gè)原子第11頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 金剛石結(jié)構(gòu)和常見CO2分子結(jié)構(gòu)比較圖。從不同方向觀察硅晶體 第12頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二晶體的能帶導(dǎo)體存在一個(gè)電子不能填滿的導(dǎo)帶，故能導(dǎo)電。金屬導(dǎo)體的電阻率約為108106歐姆米 ； 絕緣體只有滿帶和空帶，沒有導(dǎo)帶，且禁帶很大（36 eV） ，故不能導(dǎo)電。絕緣體的電阻率約為1081020歐姆米 ； 半導(dǎo)體只有滿帶和空帶，但禁帶很?。?.12eV），滿帶中的電子可以在光、熱、電作用下進(jìn)入空帶，形成導(dǎo)帶。電阻率約為10810

6、7歐姆米。 第13頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體 純凈半導(dǎo)體又叫本征半導(dǎo)體，就是指晶體中除了本身原子外，沒有其他雜質(zhì)原子存在。 假如在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，使其產(chǎn)生載流子以增加半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。第14頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二n型和p型半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體中以電子導(dǎo)電為主的稱為n (negative)型半導(dǎo)體(硅摻磷、砷等族元素)，以空穴導(dǎo)電為主的稱為p (positive)型半導(dǎo)體(硅摻硼、鎵等族元素) 。第15頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體的性質(zhì) 電阻

7、率隨溫度的增加而減?。ǚQ為負(fù)溫度系數(shù)） 微量的雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能有很大的影響 光照可以改變半導(dǎo)體的電阻率第16頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二真空二極電子管的工作原理第17頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二晶體管的接觸面工作原理第18頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體在開關(guān)和整流器中的運(yùn)用原理：一個(gè)P-N結(jié)，它的作用是只讓電流向一個(gè)方向流通，是電的“單向閥”，可以用作開關(guān)，也可作為整流器 。開關(guān)時(shí)間可短到幾十幾百ns，超高速集成電路開關(guān)已達(dá)十幾幾個(gè)ns。第19頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，

8、星期二npn三極管示意圖三極管的重要特性是具有放大作用第20頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體材料制作晶體管晶體管原理圖晶體管結(jié)構(gòu)第21頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 1947年利用半導(dǎo)體材料鍺制成的第一個(gè)晶體三極管在美國新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室誕生，發(fā)明人是三位美國科學(xué)家（從左至右）巴丁、肖克利和布拉頓。他們?nèi)双@得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)明引起現(xiàn)代電子學(xué)的革命，微電子學(xué)誕生了，并獲得迅速發(fā)展。1958年半導(dǎo)體硅集成電路的誕生，吹響了以集成電路為核心的微電子技術(shù)發(fā)展的號角。微電子技術(shù)正是電子計(jì)算機(jī)和當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。第22

9、頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二集成電路 集成電路就是將電子線路中所采用的電阻、電容、二極管、三極管等元件及互聯(lián)線制作在單個(gè)的半導(dǎo)體硅芯片上，具有和單個(gè)分開的分立器件制作的電子線路同等或更好的功能。制造工藝：主要是氧化、光刻、擴(kuò)散摻雜和封裝。其芯片的耗能及單位成本很低，并能提供較高的工作速度和可靠性。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體與集成電路第24頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二內(nèi)存條計(jì)算機(jī)主板集成電路第25頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二微電子技術(shù)的發(fā)展年代名稱集成度（單位體積

10、中的元件個(gè)數(shù)）50年代晶體管100 60年代集成電路100070年代大規(guī)模集成電路1萬10萬80年代超大規(guī)模集成電路100萬1億90年代更大規(guī)模集成電路100億200億第26頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二芯片換代的標(biāo)志 1 密集程度高 2 同等功能的元件和整機(jī)的價(jià)格下降 3 尺寸減小 4 信息容量增大 5 運(yùn)算速度提高 由于各元件及各元件間的隔離區(qū)的形狀都是光刻技術(shù)完成的，所以通過光刻線寬的不斷縮小，可使元件尺寸不斷減小。激光光刻線寬的極限約為0.2微米，用X射線光刻甚至可小于0.1微米。目前利用0.3微米線寬工藝已在10mm20mm的芯片上集成了1.4億個(gè)元件，集

11、成密度達(dá)70萬個(gè)/mm2。第27頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。提純主要有物理提純和化學(xué)提純。單晶的制備主要是利用熔體生長法 ，其中提拉法在工業(yè)中最為常用。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。半導(dǎo)體材料的制作工藝硅晶片生產(chǎn)第28頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體的生產(chǎn)第29頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體材料的運(yùn)用和意義 20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的100年，原子能、半導(dǎo)體、激光和電子計(jì)算機(jī)成為20世紀(jì)的“四大發(fā)明創(chuàng)造”。激光和計(jì)算機(jī)是以半導(dǎo)

12、體材料為基礎(chǔ)的，而激光和計(jì)算機(jī)都是信息技術(shù)的重要支撐技術(shù)。因此，半導(dǎo)體材料技術(shù)在信息技術(shù)，以至于整個(gè)高科技領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。第30頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體材料運(yùn)用的樹狀圖第31頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二 半導(dǎo)體材料最常見的用途就是發(fā)光二極管，它主要用在儀器上做數(shù)字顯示 。第32頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體材料在照明中的運(yùn)用手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)、汽車中，都有半導(dǎo)體照明的身影 用半導(dǎo)體照明的上海東方明珠電視塔第33頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二光生伏特效應(yīng)

13、當(dāng)入射光子的能量大于禁帶寬度時(shí)，光照射在距表面很近的pn結(jié)，就會(huì)在pn結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢，接通外電路就可形成電流。這稱為光生伏特效應(yīng)。 太陽能電池就是利用光生伏特效應(yīng)制成的。光生伏特效應(yīng)第34頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二太陽能電池第35頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二光電效應(yīng)和光電傳感器 光電二極管是一個(gè)固態(tài)PN結(jié)器件，器件的一邊(比如P層),做得非常薄，使光可以穿透到結(jié)中，形成一個(gè)與入射的光子通量成正比的電流。這稱為光電效應(yīng)。 最簡單的光電傳感器是由一塊芯片上的光電二極管傳感器件和開關(guān)的陣列。第36頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)

14、37分，星期二半導(dǎo)體材料在顯示器件中的運(yùn)用夏普發(fā)布1/1.8英寸大小800萬象素CCD 數(shù)碼產(chǎn)品上常用的液晶顯示屏第37頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二小芯片改變大世界 集成電路的普及和發(fā)展給人類帶來了小無止境的產(chǎn)品，也為人類帶來了大無邊際的網(wǎng)絡(luò)。 電話網(wǎng)延伸了人們的聽力“銥星”系統(tǒng)； 電視網(wǎng)延伸了人們的視力； 計(jì)算機(jī)網(wǎng)延伸了人們的大腦。第38頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二銥星系統(tǒng) “銥星”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由77顆衛(wèi)星組成，運(yùn)行在七條高度為765千米的太空中低軌道上，每條軌道上均勻分布著11顆衛(wèi)星。實(shí)際運(yùn)行的“銥星”系統(tǒng)由66顆通信衛(wèi)星組成。

15、由于衛(wèi)星眾多，所以通信效率極高，可以隨時(shí)為世界上的任何地方的用戶提供電話通信服務(wù)，而且不必?fù)?dān)心與其他蜂窩電話系統(tǒng)不相容。 目前，太空已有250多顆通信廣播衛(wèi)星運(yùn)行，擔(dān)負(fù)著80的洲際通信業(yè)務(wù)和全部洲際電視傳播。第39頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二計(jì)算機(jī)網(wǎng)的誕生用于減少信息傳輸量的視頻壓縮/解壓縮芯片;用于數(shù)碼錄放音及影像存儲(chǔ)的記憶體元件芯片; 媒體處理芯片; 快速電池充電控制芯片; 路由器芯片等 芯片發(fā)展到一定程度，直接導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)網(wǎng)的誕生。各種各樣的芯片大大支持了計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化。 芯片把數(shù)字的快速處理和快速傳遞融合在一起，形成了當(dāng)今的信息網(wǎng)絡(luò)。第40頁，共47頁，2

16、022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二溫差效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體材料兩端的溫度不同時(shí)，載流子就會(huì)從高溫端流向低溫端，結(jié)果半導(dǎo)體的兩端就會(huì)產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象成為溫差效應(yīng)。利用這種效應(yīng)可以做成溫差發(fā)電堆。第41頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二砷化鎵半導(dǎo)體 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度受到芯片材料中電子運(yùn)動(dòng)速度的限制 在砷化鎵單晶材料中電子的遷移率（電子在電場作用下的遷移速度）比在單晶硅材料中電子的遷移率大67倍，所以采用砷化鎵晶體管的計(jì)算機(jī)的響應(yīng)速度和運(yùn)算速度都更快。第42頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二砷化鎵晶體結(jié)構(gòu) 第43頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二超晶格材料 超晶格就是用兩種或兩種以上不同半導(dǎo)體或半導(dǎo)體的n型或p型極薄膜層交替排列組成的周期陣列，即在原來的周期性的晶格勢場上再加上一個(gè)人為的周期勢。超晶體周期交替結(jié)構(gòu) 第44頁，共47頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)37分，星期二超晶格材料的應(yīng)用 由于在與界面平行的方向電子可以自由運(yùn)動(dòng)，遷移率極高，故可制成世界上最快的晶體管。 改變砷化鎵薄層和鎵鋁砷薄層的厚度，可以發(fā)射不同的光波長 。從而制造出所需要的光導(dǎo)纖維?？梢灾圃旌莒`敏的