半導體材料與器件-復習

1、“摩爾定律之父摩爾定律之父” 戈登摩爾戈登摩爾讓集成電路填滿更多的元件讓集成電路填滿更多的元件 緒論緒論 (6-9 (6-9學時學時) )掌握半導體的發(fā)展史、摩爾定律摩爾定律、高高K K柵極材料柵極材料、3D3D晶體管晶體管、CPU的發(fā)展史、半導體材料的應用等第第一一章半導體材料的章半導體材料的基本基本性質(zhì)性質(zhì) (6 (6學時學時) ) 掌握半導體中的電子狀態(tài)；半導體材料的分類半導體材料的分類、電學性質(zhì)電學性質(zhì)、光電性質(zhì)光電性質(zhì)、磁學性質(zhì)磁學性質(zhì)和熱電性質(zhì)熱電性質(zhì)第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述 (6(6學時學時) )概括介紹半導體材料的發(fā)展歷程第三章半導體材料的制備概述第三章半導體

2、材料的制備概述 (6(6學時學時) )掌握半導體材料制備的理論基礎及其制備方法第四章雜質(zhì)工程和能帶工程第四章雜質(zhì)工程和能帶工程 (3(3學時學時) )摻雜效應、嬗變摻雜、半導體固溶體第六章半導體照明第六章半導體照明 (3(3學時學時) )主要講述有關(guān)照明的幾個物理概念、高亮度LED原理、高亮度LED材料以及相關(guān)特性。第五章寬禁帶半導體第五章寬禁帶半導體 (6(6學時學時) )掌握寬禁帶半導體材料的特征優(yōu)勢以及介紹幾種相關(guān)寬禁帶半導體材料及其相關(guān)應用緒論 半導體的發(fā)展史半導體的發(fā)展史 整流電路整流電路 晶體管晶體管6060余年余年 摩爾定律摩爾定律IntelIntel CPUCPU的發(fā)展史的發(fā)展

3、史 高高K K金屬柵技術(shù)金屬柵技術(shù) 3D3D晶體管技術(shù)晶體管技術(shù) 22 22納米技術(shù)的優(yōu)點納米技術(shù)的優(yōu)點 半導體材料的應用半導體材料的應用視頻：半導體定義視頻：半導體定義1,21,2 1965 1965 年年 4 4 月月 19 19 日日,時任仙童半導體公司研究開發(fā)實驗室主任的摩爾應邀為電子學雜志 35 周年專刊 寫了一篇觀察評論報告,題目是:讓集成電路讓集成電路填滿更多的元件填滿更多的元件.“摩爾定律摩爾定律” 的最初原型的最初原型：“最低元件價格下晶體管數(shù)量每年大約增加一倍.可以確信,短期內(nèi)這一增長率會繼續(xù)保持.即便不是有所加快的話.而在更長時期內(nèi)的增長率應是略有波動,盡管役有充分的理由

4、來證明,這一增長率至少在未來十年內(nèi)十年內(nèi)幾乎維持為一個常數(shù).摩爾定律 當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。 1995年,摩爾在經(jīng)濟學家雜志上撰文寫道:現(xiàn)在令我感到最為擔心的是 成本的增加,這是另一條指數(shù)曲線.近年來,國內(nèi) IT 專業(yè)媒體上又出現(xiàn)了新摩爾定律新摩爾定律 的提法,則指的是我國我國 Internet Internet 聯(lián)網(wǎng)主機數(shù)聯(lián)網(wǎng)主機數(shù)和上網(wǎng)用上網(wǎng)用戶人數(shù)戶人數(shù)的遞增速度,大約!而且專家們預言,這一趨勢在未來若干年內(nèi)若干年內(nèi)仍將保 持

5、下去. 從芯片制造工藝來看，在1965年推出的10微米(m)處理器后，經(jīng)歷了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米、0.045微米、0.032微米。 0.032微米的制造工藝是目前CPU的最高工藝。 2011 年可以做到 22 納米。22 納米就是跟病毒的尺寸是一樣的。 在 2013 年可做到 16 納米，2015 年可以做到 11 納米。預言：預言：1616納米極限納米極限 摩爾定律摩爾定律20182018年到盡頭？年到盡頭？“采用和金屬柵極金屬柵極材料，是自20世紀60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導體（

6、MOS）晶體管以來，晶體管技術(shù)領域里最重大的突破?！?戈登. 摩爾高高K-K-金屬柵極到底是什么金屬柵極到底是什么? ?在處理器量產(chǎn)中采用的在處理器量產(chǎn)中采用的45nm45nm芯片生產(chǎn)工藝和同芯片生產(chǎn)工藝和同時提及的高時提及的高K-K-金屬柵極有什么關(guān)系嗎金屬柵極有什么關(guān)系嗎? ?為什么說成功研制高為什么說成功研制高K-K-金屬柵極并將之付諸量金屬柵極并將之付諸量產(chǎn)是半導體業(yè)界里程碑式的技術(shù)變革和突破？產(chǎn)是半導體業(yè)界里程碑式的技術(shù)變革和突破？WhyWhy45nm(1m=1000nm, 1nm45nm(1m=1000nm, 1nm為為1010億分之一米億分之一米) )不是指的芯片上每個晶體管的大

7、小也不是指用于蝕刻芯片形成電路時采用的激光光源的波長而是。半導體業(yè)界習慣上用線寬這個工藝尺寸來代表硅芯片生產(chǎn)工藝的水平。早期的CPU都是采用做傳導的例如說奔騰2 、老賽揚等。后期的CPU都采用了做傳導，大家都知道銅比鋁有更好的傳導性。處理器性能的不斷提高離不開優(yōu)秀的核心微架構(gòu)設計核心微架構(gòu)設計，而芯片生產(chǎn)工藝芯片生產(chǎn)工藝的更新?lián)Q代是保證不斷創(chuàng)新設計的處理器變?yōu)楝F(xiàn)實的基礎。每一次制作工藝的更新?lián)Q代都給新一輪處理器高速發(fā)展鋪平了大道:當工藝每次提升的時候我們在字面上緊緊看到的是數(shù)字的提升，給大家的感覺好像是從65nm到45nm同以前從130nm到90nm，以及從90nm到65nm一樣沒有什么特別的

8、。根據(jù)摩爾定律，就是每18個月，在同樣面積的硅片上把兩倍的晶體管“塞”進去，從單個晶體管的角度來看，為了延續(xù)摩爾定律，我們需要每兩年把晶體管的尺寸縮小到原來的一半?，F(xiàn)在的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導體的材料已經(jīng)達到了它的物理電氣特性的極限。最早達到這個極限的部件是，現(xiàn)有的工藝都是采用二氧化硅(SiO2)層作為柵極介電質(zhì)。源極(Source)和漏極(Drain)之間的部分叫做溝道(Channel)，柵極氧化物上面是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實很簡單，就是用兩個狀態(tài)表示二進制的“0”和“1”。源極和漏極之間是溝道，當沒有對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中

9、不會聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(D)之間不會有有效電流產(chǎn)生，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。關(guān)閉狀態(tài)關(guān)閉狀態(tài)可以把這種關(guān)閉的狀態(tài)解釋為“0”，當對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中會聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導通的通道，晶體管處于開啟狀態(tài)，可以把這種狀態(tài)解釋為“1”。這樣二進制的兩個狀態(tài)就由晶體管的開啟和關(guān)閉狀態(tài)表示出來了。開啟狀態(tài)開啟狀態(tài)晶體管的開啟/關(guān)閉的速度就是我們說的頻率，如果主主頻是頻是1GHz1GHz，也就是晶體管可以在，也就是晶體管可以在1 1秒鐘開啟和關(guān)閉的秒鐘開啟和關(guān)閉的次數(shù)達次數(shù)達1010億次億次。從65nm開始，我們已經(jīng)無法讓柵極介電質(zhì)繼續(xù)縮減變薄，而且到4

10、5nm，晶體管的尺寸要進一步縮小，源極和漏極也靠得更近了，如果不能解決，新一代處理器的問世可能變得遙遙無期。這里要解釋下。最先漏電嚴重的要從90nm工藝開始算起。在同樣的電壓下晶體管的數(shù)量越多電流的傳導就越困難，只有加大電壓才能解決，但是加大電壓也勢必會造成漏電。這就是為什么90nm的工藝功耗不降反升了。 技術(shù)革新的驅(qū)動力：技術(shù)革新的驅(qū)動力：隨著CPU制造工藝不斷進步，傳統(tǒng)的氧化硅柵介質(zhì)不斷變薄，晶體管漏電量逐步增加，隨之引起的和開始成為阻礙CPU技術(shù)發(fā)展的瓶頸。現(xiàn)有材料都到物理極限了，進一步縮小二氧化硅層是不可能的了，怎么辦呢？既然繼續(xù)采用二氧化硅作為柵極介電質(zhì)沒有前途，那么就要另辟蹊徑，有

11、沒有可以代替二氧化硅的材料呢？就是尋找比二氧化硅更好的“絕緣體”，用以更好地，而且替代材料需要替代材料需要。高K一種材料應具有良好的絕緣屬性，同時在柵極和晶體硅襯底的通道之間(源極和漏極之間)產(chǎn)生很好的場效應。K其實是電子學的工程術(shù)語，K K源于希臘文Kappa，用于衡量一種材料存儲電荷一種材料存儲電荷(正電荷或者負電子)的能力。類比于吸水的不同材料，海綿可以吸附和存儲大量的水，木頭可以存儲一些水分，所以海綿比木頭的“K值”更高。具有。假定材料1的K值為1，材料2的K值為2。給定相同的電壓V+，如果材料的厚度相同，K=2的材料存儲電荷的能力是K=1的材料存儲電荷能力的兩倍。如果K=2材料的厚度

12、為K=1材料的兩倍，那么存儲電荷的能力就相同了。，也可以更厚些同時保持著更理想的屬性。高高K K材料可以大幅減少漏電材料可以大幅減少漏電? ?經(jīng)歷了無數(shù)次失敗的痛苦，研究人員最終找到了一種基于，這種材料具有高K的潛質(zhì)。不過這種材料作為。又經(jīng)過了多次的試驗和篩選，最后采用金屬金屬代替多晶硅多晶硅作為柵極材料的辦法來解決問題。高K材料的研究“高高-K -K 柵極介電質(zhì)柵極介電質(zhì)+ +金屬柵極金屬柵極”？就是目前標準晶體管結(jié)構(gòu)，這種晶體管的材料在過去將近四十年沒有太大的變化：在晶體硅襯底的柵極是多晶硅，柵極介電質(zhì)是二氧化硅。而新的“高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極”晶體管(介電質(zhì)也稱為介質(zhì))確定了新的材

13、料，又歷經(jīng)了重重艱辛，。二氧化硅柵極介電質(zhì)二氧化硅柵極介電質(zhì)+ +多晶硅多晶硅高高-K -K 柵極介電質(zhì)柵極介電質(zhì)+ +金屬柵極金屬柵極IntelIntel開發(fā)出了新的鉿基高開發(fā)出了新的鉿基高k k材料以及新的金屬柵極材料以及新的金屬柵極技術(shù)，使用這項技術(shù)的優(yōu)點：技術(shù)，使用這項技術(shù)的優(yōu)點： 切換電源功耗降低切換電源功耗降低30%30%； 源極到漏極的漏電率降低到原來的源極到漏極的漏電率降低到原來的1/51/5； 柵氧化層漏電率降低到原來的柵氧化層漏電率降低到原來的1/101/10； 大幅度提高晶體管開關(guān)速度，也有助于減少大幅度提高晶體管開關(guān)速度，也有助于減少CPUCPU的體積。的體積。這些好處

14、簡單說來就是：“能使能使CPUCPU性能更強、性能更強、功耗更低、更便宜。功耗更低、更便宜?！?高高K K金屬柵極的技術(shù)地位：金屬柵極的技術(shù)地位：高k柵介質(zhì)和金屬柵極技術(shù)的出現(xiàn)和應用是不僅如此，這一技術(shù)的出現(xiàn)也契合了當今的時代潮流：新型介質(zhì)完全符合無鉛化的要求，同時它在CPU節(jié)能降耗方面的意義重大，這其中還蘊涵著整機系統(tǒng)運行噪聲降低、維護成本降低等一系列積極因素?？偟膩碚f，它算得上是Intel追求科技人性化過程中的必然結(jié)果。 影響力：影響力：高K柵介質(zhì)和金屬柵極技術(shù)也將成為Intel的競爭者面前的一座技術(shù)壁壘，不管誰是下一個“跨欄者”，它都還有很艱辛漫長的道路要走。視頻視頻- -高高K K金屬

15、柵極技術(shù)金屬柵極技術(shù)“到到3232納米或者納米或者2222納米的時候，不用高納米的時候，不用高k k是走不是走不下去的，非用不可下去的，非用不可。英特爾是先架了一座橋，通。英特爾是先架了一座橋，通向向3232、2222納米的時候更方便了，其他人也在架橋，納米的時候更方便了，其他人也在架橋，不是說不架橋就可以跳過去了，這是一個工業(yè)趨不是說不架橋就可以跳過去了，這是一個工業(yè)趨勢誰也躲不開。勢誰也躲不開?！备逰介質(zhì)器件的門限電壓可能迅速竄升到500毫伏甚至更高，芯片在運行過程中受熱升溫后，晶體管的門限電壓也將以不可預測的幅度來回擺動，這些問題很可能影響芯片的穩(wěn)定性。Intel已經(jīng)報道32nm hig

16、h-K工藝，即：用于高K材料的等價氧化物(電介質(zhì))的厚度從45納米工藝時的1 1納米納米縮小至0.90.9納米納米，柵極長度縮小到30納米，處理器的同比封裝尺寸將是45納米產(chǎn)品的70%，并采用第4代應變硅，電子在晶體管中的流通更順暢，阻力更小，耗電更低。然而并未公布相應氧化物高然而并未公布相應氧化物高K K材料的具體成分材料的具體成分，其中很多研究內(nèi)容需要我們?nèi)ヌ剿鳌鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢過去的研究結(jié)果已經(jīng)表明。在這些金屬氧化物高K材料中，TiO2、ZrO2和HfO2的綜合性能表現(xiàn)得更加優(yōu)越， 更 易 替 代 二 氧 化 硅 在MOSFET 柵介質(zhì)中的應用。鐵電材料鐵

17、電材料金屬氧化物金屬氧化物氮化物氮化物http:/ 尺寸的手持設備反復開關(guān)消耗的能源較低 提供了一種管理晶體管密度的方式提供了一種管理晶體管密度的方式傳統(tǒng)2-D平面柵極被、的3-D硅鰭狀物所代替。是通過在鰭狀物三面的每一面安裝一個柵極而實現(xiàn)的（兩側(cè)和頂部各有一個柵極），而不是像2-D平面晶體管那樣，只在頂部有一個柵極。3D三柵極晶體管技術(shù)?與之前的32納米平面晶體管相比，22納米：低電壓下可將性能提高低電壓下可將性能提高37%37%電量消耗將減少電量消耗將減少50%50%造價僅提高造價僅提高2%3%2%3%門包裹著硅鰭。硅鰭的三面都由門包裹控制，頂部包門包裹著硅鰭。硅鰭的三面都由門包裹控制，頂

18、部包裹一個門，側(cè)面各包裹一個門，共包裹三個門。裹一個門，側(cè)面各包裹一個門，共包裹三個門。2D2D二二維晶體管只有頂部一個門包裹控制。維晶體管只有頂部一個門包裹控制。英特爾對此解釋簡單明了：“控制門增加，晶體控制門增加，晶體管處于管處于開開狀態(tài)時，通過的電流會盡可能多狀態(tài)時，通過的電流會盡可能多；晶體管在兩種狀態(tài)之間迅速切換能夠顯著提高性能。”Intel 3-D三柵極晶體管模型英特爾的22納米制程還將基于其第三代HKMG，并將采用等技術(shù)。另外與32納米類似，22納米制程仍將繼續(xù)使用。英特爾沒有披露關(guān)于低k互連技術(shù)的任何細節(jié)。英特爾堅稱，它不會采用絕緣硅不會采用絕緣硅(SOI)(SOI)技術(shù)技術(shù)。

19、據(jù)英特爾，SOISOI晶圓將導致總體工藝成本上升晶圓將導致總體工藝成本上升10%10%左右左右。http:/ 通道一般是用硅制成的，而如果使用應變硅代替普通的硅來制造晶體管通道的話，格子里的原子將被分散在較遠的距離、可以將原子拉長，那么電子在通過稀疏的原子格時遇到的阻抗就大大下降。Intel宣稱利用這種技術(shù)只需將Si原子拉長，就可以提高的電流速度，而成本只增加了在實驗環(huán)境下，測試結(jié)果顯示電子在應變硅材料中的流動速度要比其在非應變硅中快。而制成芯片后其運行速度也要較非應變硅制成的芯片快。http:/ fab 俱樂部，臺積電等也在開發(fā)多柵晶體管結(jié)構(gòu)。只是按英特爾院士Mark Bohr看法，英特爾至

20、少領先3年，如臺積電計劃在14nm時才準備采用FinFET結(jié)構(gòu)。3D3D晶體管結(jié)構(gòu)的偉大意義晶體管結(jié)構(gòu)的偉大意義另外，據(jù)Mark Bohr透露，。意味著業(yè)界一直爭論的16納米之后(包括16納米)的技術(shù)如何走？英特爾至少已經(jīng)打開一條生路。因此3D晶體管結(jié)構(gòu)具有劃時代的革命性意義。3D晶體管結(jié)構(gòu)從制造工藝成本上僅增加2-3因此是十分誘人的。它的22nm制程又稱1270，已進入生產(chǎn)。首先會在奧勒岡州的D10晶圓廠生產(chǎn)，而后再移到亞利桑那州的F32廠，將在2011年下半年開始量產(chǎn)。英特爾的下一代處理器Ivy Bridge將獨家采用該3D晶體管技術(shù)。也就是說英特爾在生產(chǎn)Ivy Bridge芯片時將退出2

21、D晶體管制造業(yè)務、完全轉(zhuǎn)向3D晶體管。2011年底，Ivy Bridge芯片將開始進入商業(yè)生產(chǎn)，然而估計應該在2012年時進入批量生產(chǎn)。為此，英特爾公司于近日上調(diào)其2011年的資本支出計劃由之前的支出90億美元，上調(diào)至102億美元。用來推進其22納米芯片制造工藝的研發(fā)，并向其下一個目標14納米芯片進發(fā)。半導體的就是利用它的作為，就是點接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波）。半導體還用來做、等，半導體的四個效應都用到了。 1 1、半導體材料的早期應用、半導體材料的早期應用 從1907年到1927年，美國的物理學家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅。1

22、931年，蘭治和伯格曼研制成功。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機和船艦。二戰(zhàn)時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機。半導體材料的研制和應用的關(guān)聯(lián)回顧半導體材料的發(fā)展歷史，隨著不同時期新的材料的出現(xiàn)，半導體材料的應用先后出現(xiàn)幾次飛躍。Si片的出現(xiàn)使半導體材料在微電子領域中的應用獲得突破性的進展。Si材料有兩種，即單晶硅和多晶硅。Si材料的提純需在超高真空條件下進行。單晶硅片在70年代實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，微電子技術(shù)在此基礎上發(fā)展。這種材料稱為化合物半導體材料。類似的化合物半導體材料還有：GaAlAs、GaAsP、InG

23、aAs、GaP、InGaAsP等。第二代半導體材料以群體效應出現(xiàn)，使半導體材料半導體材料的應用的應用進入光電子領域光電子領域。這類材料的價格低于前兩代，而且有更優(yōu)異的性能。例如，它們的熱導率是Si的3倍多，擊穿場強是Si的10倍，飽和電子遷移率是Si的2.5倍，鍵合能也很高。這些特點使它們特別適用于高頻大功率、抗輻射、抗腐蝕的電子器件?，F(xiàn)已用于。這類器件已在軍事雷軍事雷達達、衛(wèi)星通訊衛(wèi)星通訊以及高清晰度電視圖像的發(fā)送和傳播高清晰度電視圖像的發(fā)送和傳播中獲得應用。思考題思考題( (緒論緒論) )簡述半導體整流作用、霍爾效應、摩爾定律？什么叫高K金屬柵極技術(shù)？簡述其優(yōu)點。3D晶體管的物理模型？簡述

24、其優(yōu)點。簡述22納米制程技術(shù)面臨的15大挑戰(zhàn)？選擇其中3個挑戰(zhàn)進行闡述。簡述半導體材料的應用，舉出3種以上的應用。半導體的基礎知識半導體的基礎知識1.3 1.3 半導體材料的特點及分半導體材料的特點及分類類1.5 1.5 二極管二極管1.6 1.6 三極管三極管1.7 1.7 場效應管場效應管第一章第一章1.2 1.2 半導體的導電性半導體的導電性1.4 1.4 半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體的能帶結(jié)構(gòu)1.1 1.1 半導體的晶體結(jié)構(gòu)半導體的晶體結(jié)構(gòu)1.1 1.1 半導體的晶體結(jié)構(gòu)半導體的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的基本知識一、晶體的基本知識準晶體具有與晶體相似的長程有序長程有序的原子排列；但是準晶體不不具備晶

25、體的平移對稱性平移對稱性。u 具有一定的外形和固定的熔點；u 組成晶體的原子(或離子)在較大的范圍內(nèi)(至少是微米量級)是按一定的方式有規(guī)則的排列而成長程有序長程有序。（如Si，Ge，GaAs）現(xiàn)在不得不說。準晶體的發(fā)現(xiàn)，是20世紀80年代晶體學研究中的一次突破。這是我們做電鏡的人的功這是我們做電鏡的人的功勞。勞。1984年底，D. Shechtman等人宣布，他們在急冷凝固的AlMn合金中發(fā)現(xiàn)了具有五重旋轉(zhuǎn)對稱五重旋轉(zhuǎn)對稱但并無無平移周期性平移周期性的合金相，在晶體學及相關(guān)的學術(shù)界引起了很大的震動。不久，這種無平移同期性但有位置序的晶體就被稱為準晶。（20112011年若貝爾化學獎年若貝爾化學

26、獎）四、閃鋅礦結(jié)構(gòu)四、閃鋅礦結(jié)構(gòu)(GaAs) 具有類似于金剛石結(jié)構(gòu)的硫化鋅(ZnS)晶體結(jié)構(gòu)，或稱為 GaAs晶體中每個Ga原子和As原子共有一對價電子，形成四個共價鍵，組成共價四面體。套構(gòu)套構(gòu)成晶胞的兩個面心立方分別是由兩種不同原子組成成晶胞的兩個面心立方分別是由兩種不同原子組成的的。GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)硫化鋅(ZnS) 導電性能介于導體導體(Conductor)(Conductor)與絕緣體絕緣體(Insulator)(Insulator)之間 電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的負的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)1.2 1.2 半導體的導電性半導體的導電性半導體半導體 ( (定性定性) )(T)

27、= 。+T溫度系數(shù)溫度系數(shù) T 溫度 電阻率半導體：溫度系數(shù)為負半導體：溫度系數(shù)為負半導體的電阻率半導體的電阻率( (電導電導率率) )基本上隨溫度的升高而降低基本上隨溫度的升高而降低( (增加增加) )金屬：溫度系數(shù)為正金屬：溫度系數(shù)為正金屬的電阻率金屬的電阻率( (電導率電導率) )隨隨溫度的升高而增加溫度的升高而增加 ( (降低降低) ) 金屬的導電能力：金屬的導電能力：由費米能級附近的電由費米能級附近的電子移動能力決定的子移動能力決定的。 半導體的導電能力：半導體的導電能力：由由和和的共同移動能力決定的共同移動能力決定的的。 金屬導電是只有電子電子一種載體 半導體導電存在電子電子與空穴

28、空穴兩種載體。 接近絕對零度絕對零度(1K)(1K)的極低低溫下：u金屬電阻率普遍會下降，有許多金屬會成為電阻率無窮小的超導體超導體u半導體的電阻率會在極度增大而達到半導體的電阻率會在極度增大而達到絕緣絕緣體體的水平的水平 電阻率易變且變化范圍很寬的材料。 電阻率的結(jié)構(gòu)和組分敏感性 在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，導電性能具有可控性。 在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。-材料:常見硅、鍺硅、鍺-硅、鍺晶體的每個原子均是靠共價鍵緊密結(jié)合在一起。 較完整、 純凈的半導體材料的電阻率隨溫度上升而指

29、數(shù)式下降 (電導率指數(shù)式上升) 。 “外界刺激”(光照、 摻雜等)很容易改變其電阻率。半導體材料中有兩種載流子-電子和空穴。 半導體材料的基本特性有少量固體材料， 如As，Sb，Bi，其電阻率比一般金屬高出1001000倍， 但卻不具備本征半導體材料的某些基本特性 (例如， 其電學性質(zhì)，對光、 熱輻射的高度敏感性等)，而將它們稱為半金屬半金屬。電阻率比一般金屬高出1001000倍， 但卻不具備本征半導體材料的某些基本特性的物質(zhì)稱為半金屬半金屬。導帶與價帶之間有一小部分重疊。不需要熱激發(fā)，價帶頂部的電子會流入能量較低的導帶底部。在絕對零度時，導帶中就已有一定的電子濃度，在絕對零度時，導帶中就已有

30、一定的電子濃度，價帶中也有相等的空穴濃度價帶中也有相等的空穴濃度。這是半金屬與半導體的根本區(qū)別。但因重疊較小，它和典型的金屬也有所區(qū)別。 N 型導電 以為主要載流子，它是， 簡稱為多子， 而空穴則是少數(shù)載流子-少子 P 型導電 以為， 電子則是少子 本征導電 、 數(shù)量相等，都參與導電三種導電類型結(jié)論結(jié)論：本征半導體的導電性能與溫度導電性能與溫度有關(guān)。半導體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因?？昭舛龋?P區(qū)N區(qū)；自由電子：P區(qū)濃度低擴散，擴散到對方復合，交界區(qū)僅剩正負離子形成耗盡層/阻擋層/空間電荷區(qū)/內(nèi)電場EIN。：PN結(jié)：由濃度差引起的多子擴散

31、運動，它使阻擋層變寬；由內(nèi)電場作用下產(chǎn)生的少子漂移運動，它使阻擋層變窄。當兩者強度相當時，達到動態(tài)平衡。: 內(nèi)電場的存在，阻止了多子的擴散，P區(qū)的少子電子，N區(qū)少子空穴， 內(nèi)電場作用下向?qū)Ψ揭苿悠啤?PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?當正向偏置時，有較大的正向電流，電阻很小，成導通狀態(tài)；反向偏置時電流很?。◣缀鯙?），電阻很大，成截止狀態(tài)。： 擊穿特性的特點是，雖然反向電流劇增，但二極管的端電壓卻變化很小，這一特點成為制作穩(wěn)壓二極管的依據(jù)。1.3 1.3 半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體的能帶結(jié)構(gòu)Eg 6 eVEg絕緣體絕緣體半導體半導體價帶價帶導帶導帶導體導體直接帶隙和間接帶隙直接帶隙 間接帶隙導帶最小值(導

32、帶底)和滿帶最大值在k空間中同一同一位置位置。電子要躍遷到導帶上產(chǎn)生導電的電子和空穴(形成半滿能帶)只需要吸收能量只需要吸收能量。導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空間中不不同位置同位置。形成半滿能帶不只需要吸收能量吸收能量，還要改變動量改變動量。直接帶隙和間接帶隙半導體的對比分析直接帶隙和間接帶隙半導體的對比分析 價帶的極大值和導帶的極小值都位于位于k k空間的原點空間的原點上上 價帶的電子躍遷到導帶時，只要求能量的改變，而電子的準動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷 直接躍遷對應的半導體材料稱為直接禁帶半導體 例子：GaAs，GaN，ZnO 價帶的極大值和導帶的極小值不位于不位于k k空

33、間的原點空間的原點上上 價帶的電子躍遷到導帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準動量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷 間接躍遷對應的半導體材料稱為間接禁帶半導體 例子：Si，Ge直接躍遷和間接躍遷 考慮到光子的動量較小，可以忽略; 因而電子吸收或放出一個光子，發(fā)生躍遷時電子的動量基本不變; 單純的光躍遷過程是直接躍遷，效率高; 間接躍遷為了能量守恒，必須有聲子參加，因而發(fā)生間接躍遷的概率要小得多GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數(shù)量級。因此，寬帶隙的GaN基半導體在短波長發(fā)光二極管發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應用前景；對環(huán)保，其還是很適

34、合于環(huán)保的材料體系。陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號 陰極陰極陽極陽極( d ) 符號符號D穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管;此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件.在這臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很少的數(shù)值,在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則

35、保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)LED定義：LED顯示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱LED。101LED？半導體晶片由三部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。 指由2種不同的半導體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應的電子或空穴的勢阱

36、。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述 非晶態(tài)與液態(tài)半導體非晶態(tài)與液態(tài)半導體元素周期表的A族至A族分布著11種具有半導性的元素，如C、P、SeSe、B、Si Si、GeGe、Te、Sn、As、Sb、I。一、元素半導體一、元素半導體 第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述二元系包括：u-族:SiC和Ge-Si合金都具有閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。u-族:由周期表中族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb組成，典型的代表為。它們都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu),它們在應用方面僅次于Ge、Si,有很大的發(fā)展前途。 無機化合物半導體分二元系、三元系、四元系等。 二、無機化合物半導體二、無機化合物半導體第二章第二章

37、半導體材料概述半導體材料概述科學家研制成功高性能氮化鎵晶體管Faster, smaller and more economical gallium nitride transistorsFor the first time, researchers from CNRS France and ETH Zurich have succeeded in producing high-performance high-electron-mobility transistors (HEMTs) made of gallium nitride (GaN) on a silicon(110) wafer.

38、據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)9月22日（北京時間）報道，和科學家首次使用氮化鎵氮化鎵在上，成功制造出了性能優(yōu)異的晶體管(HEMTs)。此前，氮化鎵只能用于(111)-硅上，而目前廣泛使用的由硅制成的互補性金屬氧化半導體(CMOS)芯片一般在(100)-硅或(110)-硅晶圓上制成。這表明，新晶體管能同由(110)-硅制成的CMOS芯片兼容，科學家可據(jù)此研制出兼具CMOS芯片的計算能力和氮化鎵晶體管大功率容量的混合電子元件，以獲得、的電子設備。相關(guān)論文發(fā)表于應用物理學快報（Applied Physics Express）。晶體管主要由制成，用在高電壓電路中，其作用是計算以及增強電子射頻信號。瑞士蘇黎世聯(lián)

39、邦高等工學院（ETH）的科倫坡博羅內(nèi)斯說：“”然而，硅也有缺陷。能應對；其能應對的也是硅的50多倍，這使科學家們可用氮化鎵制造出更快的電子線路。博羅內(nèi)斯說：“這一點對于通訊來說尤為重要，因為工程師們能借此更快更有效地處理信息。”：但科學家們一直認為氮化鎵技術(shù)太過，不能取代硅技術(shù)。不過，最近工程師們開始利用氮化鎵在構(gòu)建動力電子設備方面的優(yōu)勢，希冀研發(fā)出、的晶體管。因為不同，很難將兩者結(jié)合在一個晶圓上，并且在加熱過程中可能也會。不過，在最新研究中，博羅內(nèi)斯和法國國家科學研究中心的科學家成功地將氮化氮化鎵鎵種植在（100）-硅晶圓硅晶圓上，制造出了新的氮化鎵晶體管，也解決了高溫可能產(chǎn)生裂痕的問題解決

40、了高溫可能產(chǎn)生裂痕的問題。(100)-硅基座的成本為每平方厘米50美分，比常用的藍寶石或碳化硅基座更便宜（碳化硅基座的成本為每平方厘米5美元至20美元），大大降低了氮化鎵技術(shù)的成本。科學家們也可以使用硅制造出直徑為30厘米的大晶圓，用藍寶石或碳化硅則無法做到這些。另外，氮化鎵具有良好的，因此由其制成的動力電子設備幾乎。照明能耗約占全球能耗的20%，用氮化鎵制成的一個5瓦的燈泡與傳統(tǒng)60瓦的白熾燈一樣明亮，因此，氮化鎵有助于為照明領域節(jié)省大量能源。 非晶態(tài)與液態(tài)半導體非晶態(tài)與液態(tài)半導體三、有機化合物半導體三、有機化合物半導體 第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述有機太陽能電池有機太陽能電池

41、:由有機材料有機材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。如今量產(chǎn)的太陽能電池里：l 95以上是硅基硅基的；l 不到5也是由其它無機材無機材料料制成的。導電能力介于金屬和絕緣體之間有機物。 可分為：、第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述有機薄膜晶體管有機薄膜晶體管(OTFT)(OTFT)目前有機薄膜晶體管(OTFT)的綜合性能已經(jīng)達到商用非晶硅水平，其鮮明的和優(yōu)點已顯示出巨大的市場潛力和產(chǎn)業(yè)化價值。有機薄膜晶體管將很快成為新一代平板顯示平板顯示的核心技術(shù)。有機薄膜晶體管(OTFT，organic thin film transistor)的基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是

42、它采用了。OTFTOTFT優(yōu)點：優(yōu)點：與現(xiàn)有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特點：u 加工溫度低，一般在180以下，不僅能耗顯著降低，而且適用于；（），氣相沉積和印刷打印兩種方法都適合大面積加工；（）u 材料來源廣泛，發(fā)展?jié)摿Υ?，同時環(huán)境友好材料來源廣泛，發(fā)展?jié)摿Υ螅瑫r環(huán)境友好。急需解決的關(guān)鍵問題包括：急需解決的關(guān)鍵問題包括：u 研制高載流子遷移率高載流子遷移率的有機半導體材料；u 改善有機半導體薄膜特性來提高載流子遷移率；u 提高有機薄膜晶體管的穩(wěn)定性、頻率特性、開關(guān)特性p型和n型有機半導體材料對于OTFT的發(fā)展同等重要，因為由p型和n型OTFT共同構(gòu)筑的有機互補電路具有等優(yōu)點

43、，可廣泛用于各種有機數(shù)字電路，是實現(xiàn)有機電子器件應用有機電子器件應用的基礎。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述目前n n型有機半導體材料的優(yōu)點：型有機半導體材料的優(yōu)點：l 高電子遷移率；高電子遷移率；l 空氣穩(wěn)定；空氣穩(wěn)定；l 可溶液加工性質(zhì)；可溶液加工性質(zhì)；該類型材料的短缺大大限制了OTFT相關(guān)的柔性電子器件及有機電路的發(fā)展。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述不同于以往在缺電子的芳核上直接引入缺電子的芳核上直接引入基團基團（如氰基、氟原子）來設計n-型有機半導體材料的方法。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述有機半導體材料是制造有機太陽能電池的基礎。有機半導體材料是制造

44、有機太陽能電池的基礎。有機半導體分子結(jié)構(gòu)的主要特征具有一個較長的離域共軛結(jié)構(gòu)離域共軛結(jié)構(gòu)，它們可以是小分子，也可以是高分子。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述共軛效應共軛效應 (conjugated effect) ，又稱離域效應，是指由，又稱離域效應，是指由于于共軛共軛鍵的形成而引起鍵的形成而引起分子分子性質(zhì)的改變的性質(zhì)的改變的效應效應。電致發(fā)光電致發(fā)光(Electroluminescent)，又可稱電場發(fā)光，簡稱EL，是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子解級的躍進、變化、復合導致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。如前所述，當有機半導體材料吸收光子，其pi軌道上

45、的電子就會躍遷到pi*反鍵軌道上。仍然與無機半導體不同的是，被激發(fā)后的電子仍舊與所在分子緊密結(jié)合，并不能像無機半導體內(nèi)的激發(fā)電子一樣自由運動。第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述亦是有機半導體的重要特征，也是，因此也有人將有機太陽能電池稱為“”。 第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述有機太陽能電池技術(shù)簡介 （2）有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)鄧青云和他的有機太陽能電池第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述 非晶態(tài)與液態(tài)半導體非晶態(tài)與液態(tài)半導體非晶態(tài)與液態(tài)半導體 相對于晶態(tài)半導體的最大區(qū)別是。四、非晶態(tài)與液態(tài)半導體四、非晶態(tài)與液態(tài)半導體 第二章第二章 半導體材料概述半導體材料概述光致衰退效

46、應光致衰退效應，light-induced degradation也稱S-W效應。a-Si:H薄膜經(jīng)較長時間的強光照射或電流通過,在其內(nèi)部將產(chǎn)生缺陷而使薄膜的使用性能下降,稱為Steabler-Wronski效應。光致衰減區(qū)域光致衰減區(qū)域?qū)-W效應的起因，至今仍有不少爭議效應的起因，至今仍有不少爭議,造造成衰退的微觀機制也尚無定論，成為迄今成衰退的微觀機制也尚無定論，成為迄今國內(nèi)外非晶硅材料研究的熱門課題。國內(nèi)外非晶硅材料研究的熱門課題?？偟目捶ㄕJ為，S-W效應起因于光照導致在帶隙中產(chǎn)生了，這種缺陷態(tài)會影響a-Si:H薄膜材料的費米能級EF的位置，從而使電子的分布情況發(fā)生變化，進而一方面引起光學性能的變化,另一方面對電子的復合過程產(chǎn)生影響。這些缺陷態(tài)成為電子和空穴的額外復合中電子和空穴的額外復合中心心,使得電子的。 在a-Si:H薄膜材料中，能夠穩(wěn)定存在的是Si-H鍵和與晶體硅類似的Si-Si鍵，這些鍵的鍵能較大，不容易被打斷。由于a-Si:H材