第6章電子與微電子材料

1、Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials1本章內(nèi)容本章內(nèi)容6.16.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料6.2 6.2 介電材料介電材料6.3 6.3 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料6.4 6.4 微電子材料與芯片微電子材料與芯片2Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials6.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料6.1.1 金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料 分類(lèi)分類(lèi) 作為金屬導(dǎo)電材料使用的要求作為金屬導(dǎo)電材料使用的要求 金屬導(dǎo)電性的影響因素金屬導(dǎo)電性的影響因素3Chapter6 Electronic and Microelectr

2、onic Materials 導(dǎo)電材料的定義導(dǎo)電材料的定義 載流子載流子 分類(lèi)分類(lèi)6.1.2 快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體 肖特基導(dǎo)體（晶格空位機(jī)理）、弗侖克爾導(dǎo)肖特基導(dǎo)體（晶格空位機(jī)理）、弗侖克爾導(dǎo)體（間隙離子運(yùn)動(dòng)）體（間隙離子運(yùn)動(dòng)） 本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo) 快離子導(dǎo)體和固體電解質(zhì)快離子導(dǎo)體和固體電解質(zhì) 影響導(dǎo)電離子遷移的因素影響導(dǎo)電離子遷移的因素4Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials（1）電子導(dǎo)電陶瓷）電子導(dǎo)電陶瓷 非金屬元素的碳化物、氮化物以共價(jià)鍵為主，非金屬元素的碳化物、氮化物以共價(jià)鍵為主，金屬鍵為輔。

3、這幾類(lèi)化合物構(gòu)成的陶瓷都是電金屬鍵為輔。這幾類(lèi)化合物構(gòu)成的陶瓷都是電子導(dǎo)電子導(dǎo)電 如如SiC、MoSi2電熱材料電熱材料 某些氧化物陶瓷通過(guò)加熱或者用其它的方法激某些氧化物陶瓷通過(guò)加熱或者用其它的方法激發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量成為自由電子發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量成為自由電子而具有導(dǎo)電性而具有導(dǎo)電性 如氧化鋁陶瓷、氧化釷陶瓷及由復(fù)合氧化物組成的如氧化鋁陶瓷、氧化釷陶瓷及由復(fù)合氧化物組成的鉻酸鑭陶瓷，都是新型的高溫電子導(dǎo)電材料鉻酸鑭陶瓷，都是新型的高溫電子導(dǎo)電材料5Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials （2）離子導(dǎo)電陶瓷）離子導(dǎo)

4、電陶瓷 利用離子的遷移導(dǎo)電（固體電解質(zhì)，或快離利用離子的遷移導(dǎo)電（固體電解質(zhì)，或快離子導(dǎo)體）子導(dǎo)體） 陽(yáng)離子導(dǎo)體：利用陽(yáng)離子遷移導(dǎo)電陽(yáng)離子導(dǎo)體：利用陽(yáng)離子遷移導(dǎo)電 如如 -Al2O3的系：通式為的系：通式為nA2O3M2O，A代表三代表三價(jià)金屬價(jià)金屬A13、Ga3、Fe3等，等，M代表一價(jià)離子代表一價(jià)離子Na、K、H3O等等 陰離子導(dǎo)體：利用陰離子導(dǎo)體：利用O2-或或F-陰離子遷移導(dǎo)電陰離子遷移導(dǎo)電 螢石結(jié)構(gòu)氧化物螢石結(jié)構(gòu)氧化物(ZrO2、HfO2、CeO2等等) 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物(LaAlO3、CaTiO3)。6Chapter6 Electronic and Microele

5、ctronic Materials6.1.3 聚合物導(dǎo)電材料聚合物導(dǎo)電材料7Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 種類(lèi)：種類(lèi)：結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子（本節(jié)內(nèi)容）結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子（本節(jié)內(nèi)容）復(fù)合型導(dǎo)電高分子（普通高分子混入導(dǎo)電填料）復(fù)合型導(dǎo)電高分子（普通高分子混入導(dǎo)電填料） 結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子是指具有共軛是指具有共軛鍵，其本身或經(jīng)過(guò)鍵，其本身或經(jīng)過(guò)“摻雜摻雜”后后具有導(dǎo)電性的一類(lèi)高分子材料。具有導(dǎo)電性的一類(lèi)高分子材料。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials8種類(lèi)名稱(chēng)名

6、稱(chēng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)聚乙炔聚乙炔聚噻吩聚噻吩聚吡咯聚吡咯聚苯胺聚苯胺聚聚 苯苯S()nNH()n()NHn()n種類(lèi)種類(lèi)Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials9導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理自由基陽(yáng)離子通過(guò)雙鍵遷移自由基陽(yáng)離子通過(guò)雙鍵遷移沿共軛高分子鏈傳遞沿共軛高分子鏈傳遞Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials10導(dǎo)電高分子的特性1.1.電導(dǎo)率范圍寬電導(dǎo)率范圍寬導(dǎo)導(dǎo)電電高高分分子子的的特特性性Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials1

7、1導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜，而且還可以脫摻雜，導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜，而且還可以脫摻雜，并且摻雜并且摻雜-脫摻雜的過(guò)程完全可逆。脫摻雜的過(guò)程完全可逆。 2. 2.摻雜摻雜- -脫摻雜過(guò)程可逆脫摻雜過(guò)程可逆3.3.響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快(10-13 sec)Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials124. 4.有電致變色性有電致變色性Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials13NN()NHN()NN()NHNH()H全氧化態(tài) PNB+e-e中 間 氧化態(tài) EBn+e-e全還 原態(tài) LE

8、B+nn紫 色藍(lán)色淡黃 色綠色-0.2V0.8V0.5V+HNHNnChapter6 Electronic and Microelectronic Materials14導(dǎo)電高分子的應(yīng)用導(dǎo)電高分子的應(yīng)用導(dǎo)電高分子的應(yīng)用Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials151.1.發(fā)光二極管發(fā)光二極管1990 年年R. H. Friend首次首次報(bào)道報(bào)道高分子發(fā)光二極管具有高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)實(shí)用化的突破口實(shí)用化的突破口2. 2.分子導(dǎo)線分子導(dǎo)線一個(gè)分子類(lèi)似于一根導(dǎo)線一個(gè)分

9、子類(lèi)似于一根導(dǎo)線可用于高靈敏度檢測(cè)、超大可用于高靈敏度檢測(cè)、超大規(guī)模集成技術(shù)等規(guī)模集成技術(shù)等“模板聚合、分子束沉積等模板聚合、分子束沉積等方法制備方法制備“分子導(dǎo)線分子導(dǎo)線”或?qū)щ姼叻肿游⒐芑驅(qū)щ姼叻肿游⒐?或納米管或納米管) Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials163. 3.二次電池二次電池高分子摻雜態(tài)高分子摻雜態(tài)儲(chǔ)存電能、脫儲(chǔ)存電能、脫摻雜過(guò)程中釋摻雜過(guò)程中釋放電能放電能 全塑電池全塑電池輸出電壓輸出電壓3V、電池容量、電池容量3mA.h，復(fù)充放電上千次，復(fù)充放電上千次 Chapter6 Electronic and Micro

10、electronic Materials174. 4.生物傳感器生物傳感器葡萄糖傳感葡萄糖傳感器、尿素傳器、尿素傳感器、乳酸感器、乳酸傳感器、膽傳感器、膽固醇傳感器固醇傳感器Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials185. 5.氣體傳感器氣體傳感器導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用-電導(dǎo)率改變電導(dǎo)率改變, 除去介質(zhì)除去介質(zhì)-恢復(fù)恢復(fù)（摻雜（摻雜/或脫摻雜過(guò)程）或脫摻雜過(guò)程）可用作選擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體可用作選擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體傳感器。傳感器。 Chapter6 Electronic and

11、 Microelectronic Materials196. 6.雷達(dá)隱身材料雷達(dá)隱身材料導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體之間變化之間變化不同的吸波性能不同的吸波性能密度小密度小輕輕加工性能加工性能薄薄穩(wěn)定性較好穩(wěn)定性較好高溫使用高溫使用Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials207. 7.電顯示材料電顯示材料摻雜摻雜/脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，且電位、且電位、pH、摻雜量等變化伴隨顏色變化、摻雜量等變化伴隨顏色變化可用于電顯示可用于電顯示6.2 介電材料介

12、電材料6.2.1 材料的介電性特征材料的介電性特征 介電材料：介電材料： 介電性介電性物質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)，構(gòu)成物質(zhì)的帶電粒子物質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)，構(gòu)成物質(zhì)的帶電粒子只能產(chǎn)生微觀上的位移而不能進(jìn)行宏觀上的遷移的性只能產(chǎn)生微觀上的位移而不能進(jìn)行宏觀上的遷移的性質(zhì)。質(zhì)。 介電材料也屬于絕緣體，但更強(qiáng)調(diào)其可極化特征，電介電材料也屬于絕緣體，但更強(qiáng)調(diào)其可極化特征，電極化及其分類(lèi)：電子極化、離子極化、偶極子極化、極化及其分類(lèi)：電子極化、離子極化、偶極子極化、空間電荷極化空間電荷極化 表征介電材料的基本表征介電材料的基本參數(shù)：極化率參數(shù)：極化率、介電常數(shù)、介電常數(shù)、損、損耗角正切耗角正切tg 宏觀表現(xiàn)出對(duì)靜電

13、能的儲(chǔ)存和損耗的性質(zhì)，通常用介宏觀表現(xiàn)出對(duì)靜電能的儲(chǔ)存和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)電常數(shù) 和介電損耗和介電損耗tg 來(lái)表示來(lái)表示21Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials（1）絕緣陶瓷）絕緣陶瓷 Insulating ceramics 主要利用其絕緣性主要利用其絕緣性 電性要求：電性要求： 介電常數(shù)介電常數(shù)9，介電損耗，介電損耗tg 于于210-4910-3之間，電阻率要求大于之間，電阻率要求大于1010 cm。 其它要求：其它要求： 較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性、高導(dǎo)熱性。較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性、高導(dǎo)熱性。22Chapter6 Elect

14、ronic and Microelectronic Materials絕緣陶瓷種類(lèi)絕緣陶瓷種類(lèi) 主晶相為莫來(lái)石（主晶相為莫來(lái)石（3Al2O3SiO2）的普通陶瓷）的普通陶瓷 主晶相為剛玉主晶相為剛玉 Al2O3的氧化鋁陶瓷的氧化鋁陶瓷 鎂質(zhì)陶瓷鎂質(zhì)陶瓷 晶相為含鎂硅酸鹽（晶相為含鎂硅酸鹽（MgOAl2O3SiO2系）系） 鋇長(zhǎng)石瓷（鋇長(zhǎng)石瓷（BaOAl2O32SiO2） 由高嶺土與由高嶺土與BaCO3燒制而成燒制而成 高溫介電損耗小，用作電阻瓷。高溫介電損耗小，用作電阻瓷。 高導(dǎo)熱絕緣陶瓷高導(dǎo)熱絕緣陶瓷 BeO陶瓷陶瓷 非氧化物類(lèi)陶瓷，如非氧化物類(lèi)陶瓷，如AlN、Si3N4、SiC、BN等等2

15、3絕緣子絕緣子Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 24Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials（2）介電陶瓷）介電陶瓷dielectric ceramic 也稱(chēng)介質(zhì)陶瓷也稱(chēng)介質(zhì)陶瓷 主要利用其介電性主要利用其介電性 按使用頻率，可分為按使用頻率，可分為 高頻介質(zhì)陶瓷高頻介質(zhì)陶瓷 微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷25Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials高頻介質(zhì)陶瓷高頻介質(zhì)陶瓷 電性要求：電性要求： 高頻電場(chǎng)（高頻電場(chǎng)（1M

16、Hz）下具有適中至較高的介電）下具有適中至較高的介電常數(shù)（常數(shù)（8.5900） 高頻介電損耗小，高頻介電損耗小，tg 小于小于6104 主要由堿土金屬和稀土金屬的鈦酸鹽或它主要由堿土金屬和稀土金屬的鈦酸鹽或它們的固溶體構(gòu)成們的固溶體構(gòu)成 例如例如CaTiO3是由是由CaCO3與與TiO2高溫?zé)贫筛邷責(zé)贫?用于制作小尺寸高頻電容器用于制作小尺寸高頻電容器26Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials27Single-layerMultilayer ceramic capacitorChapter6 Electronic and Mi

17、croelectronic Materials微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷 應(yīng)用于微波頻段應(yīng)用于微波頻段(300MHz(300MHz300GHz)300GHz)電路中作為介電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷 電性要求：電性要求：高的介電常數(shù)，高的介電常數(shù)， r r在在3030200200之間之間高穩(wěn)定性，頻率溫度系數(shù)高穩(wěn)定性，頻率溫度系數(shù) 要小要小微波頻段介質(zhì)損耗要小，微波頻段介質(zhì)損耗要小，tantan 1010-4 -4，Q Q1000010000 代表性的微波介質(zhì)陶瓷包括代表性的微波介質(zhì)陶瓷包括BaOTiO2體系、鈣體系、鈣鈦礦型陶瓷、鈦礦型陶瓷、(B

18、a,Sr)ZrO3、CaZrO3、Ca(Zr,Ti)O3、Sr(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3等等 應(yīng)用：制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)應(yīng)用：制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件波回路等微波元器件28Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 微波介質(zhì)陶瓷的微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用：制作諧振器、濾波器、介應(yīng)用：制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件29Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials6.2

19、.2 壓電材料壓電材料 壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)30Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 壓電陶瓷：具有壓電效應(yīng)，能夠?qū)C(jī)械能和電能壓電陶瓷：具有壓電效應(yīng)，能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料?；ハ噢D(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。常用的壓電陶瓷常用的壓電陶瓷 鈦酸鋇系鈦酸鋇系 鈦酸鉛鋯酸鉛二元系鈦酸鉛鋯酸鉛二元系 二元系中添加第三種二元系中添加第三種ABO3(A表示二價(jià)金屬表示二價(jià)金屬離子，離子，B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià)為正四價(jià))型化合物型化合物 如：如：Pb(Mn1/3)Nb2

20、/3)O3和和Pb(CO1/3Nb2/3)O3等等組成的三元系。組成的三元系。 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 如如Na0.5K0.5NbO3 、BaxSr1-xNb2O5 不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。 31Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 鈦鋯酸鉛（鈦鋯酸鉛（PZT）：最有代表性的壓電陶瓷）：最有代表性的壓電陶瓷材料材料32Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 壓電陶瓷應(yīng)用：壓電陶瓷應(yīng)用： 換能器（超聲、電聲換能器等）換能器（超聲、

21、電聲換能器等） 陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、 電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等33Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials6.2.4 鐵電材料鐵電材料 定義，電滯曲線，剩余極化強(qiáng)度、矯頑電場(chǎng)強(qiáng)定義，電滯曲線，剩余極化強(qiáng)度、矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度度34Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 鐵電陶瓷（鐵電陶瓷（Ferroelectric

22、 Ceramics）一定具有壓電）一定具有壓電性，但是壓電陶瓷不一定性，但是壓電陶瓷不一定具有鐵電性。具有鐵電性。 鐵電陶瓷用途：制作鐵電鐵電陶瓷用途：制作鐵電陶瓷電容器，壓電元件、陶瓷電容器，壓電元件、熱釋電元件、電光元件、熱釋電元件、電光元件、電熱器件等。電熱器件等。 BaTiO3：典型的鐵電陶瓷：典型的鐵電陶瓷 隨溫度變化，晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨溫度變化，晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。 很高的介電常數(shù)，特別是在其居里點(diǎn)很高的介電常數(shù)，特別是在其居里點(diǎn)Tc（120）附近，附近， 可高達(dá)可高達(dá)6000 損耗因子可高達(dá)損耗因子可高達(dá)0.010.0235Chapter6 Electronic and Micr

23、oelectronic Materials BaTiO3的改性：的改性： 形成置換固溶體形成置換固溶體 置換置換Ba2的有的有Ca2、Sr2、Pb2等等 置換置換Ti4的有的有Zr4等等 摻雜改性摻雜改性 如電荷不匹配的如電荷不匹配的La3、Cd3、Dy3部分取代部分取代Ba2 尺寸不匹配的尺寸不匹配的Nb4、Ta5取代取代Ti436Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials6.3 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 Semiconductors37Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials38電

24、導(dǎo)率介于絕緣體及導(dǎo)體之間電導(dǎo)率介于絕緣體及導(dǎo)體之間易受溫度、照光、磁場(chǎng)及微量雜質(zhì)原子影響易受溫度、照光、磁場(chǎng)及微量雜質(zhì)原子影響6.3.1 半導(dǎo)體材料概述Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials能帶理論能帶理論39Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials40合適的禁帶寬度合適的禁帶寬度高的載流子遷移率高的載流子遷移率一定的導(dǎo)電類(lèi)型一定的導(dǎo)電類(lèi)型適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)濃度和相應(yīng)的電阻率適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)濃度和相應(yīng)的電阻率較高的載流子壽命較高的載流子壽命半導(dǎo)體器件對(duì)材料的要求半導(dǎo)體器件對(duì)材料的要求Chap

25、ter6 Electronic and Microelectronic Materials6.3.2 半導(dǎo)體分類(lèi)及特點(diǎn)元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體Ge（鍺）（鍺）,Si（硅）（硅）,C（金（金剛石）、剛石）、 -Sn（灰錫）、（灰錫）、P（磷）、（磷）、Se（硒）、（硒）、Te（碲）、（碲）、B（硼）等固體單質(zhì)（硼）等固體單質(zhì) 本征半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體（ Intrinsic semiconductor）：不）：不含雜質(zhì)（摻雜劑）含雜質(zhì)（摻雜劑） 摻雜半導(dǎo)體（摻雜半導(dǎo)體（ Extrinsic semiconductor）：本）：本征半導(dǎo)體加入摻雜劑而形成征半導(dǎo)體加入摻雜劑而形成41高純半導(dǎo)體高純半導(dǎo)體摻雜

26、摻雜摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 摻雜（摻雜（ Doping ）：在高純半導(dǎo)體中有意）：在高純半導(dǎo)體中有意識(shí)地加入少量雜質(zhì)以提高載荷體數(shù)量識(shí)地加入少量雜質(zhì)以提高載荷體數(shù)量 施主雜質(zhì)（施主雜質(zhì)（ n-型半導(dǎo)體）：型半導(dǎo)體）：A族元素（族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以）中摻入以VA族元素（族元素（P、Sb、Bi） 受主雜質(zhì)（受主雜質(zhì)（ p-型半導(dǎo)體）：型半導(dǎo)體）：A族元素（族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以）中摻入以A族元素（如族元素（如B）42 Chapter6 Electronic and Mi

27、croelectronic Materials n-型半導(dǎo)體（電子型，施主型）型半導(dǎo)體（電子型，施主型）43Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials施主施主(供體供體donor)能帶能帶Ed p-型半導(dǎo)體（空穴型，受主型）型半導(dǎo)體（空穴型，受主型）44Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials受主受主(受體受體acceptor)能帶能帶Ea45Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上

28、元素以由兩種或兩種以上元素以確定原子配比形成的、具有確定的禁帶寬和確定原子配比形成的、具有確定的禁帶寬和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物。能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物。 -族化合物半導(dǎo)體：族化合物半導(dǎo)體： A族元素族元素B、A1、Ga、In和和VA族元素族元素N、P、As、Sb所形成的二元化合物所形成的二元化合物 如如GaAs、InP、GaN、GaP、InSb、GaSb、InAs -族化合物半導(dǎo)體：族化合物半導(dǎo)體：B族元素族元素Zn、Cd、Hg與與VIA族元素族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物所形成的二元化物 -族化合物半導(dǎo)體：族化合物半導(dǎo)體：A族元素族元素Ge、Sn、Pb與與VIA族元素族

29、元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物所形成的部分二元化合物46Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 固溶半導(dǎo)體固溶半導(dǎo)體具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固溶體具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固溶體 兩種半導(dǎo)體互溶，如兩種半導(dǎo)體互溶，如Si1-X GeX (其中其中x1) 化合物半導(dǎo)體中的一個(gè)元素或兩個(gè)元素用其同化合物半導(dǎo)體中的一個(gè)元素或兩個(gè)元素用其同族元素局部取代，如用族元素局部取代，如用Al來(lái)局部取代來(lái)局部取代GaAs中的中的Ga，即，即Ga1-X AlXAs非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體 四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（如非晶態(tài)的四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體（如非晶態(tài)的Si、Ga、GaA

30、s、GaP、InP、GaSb） 硫系半導(dǎo)體（如硫系半導(dǎo)體（如S、Se、Te、As2S3、As2Te3、Sb2S3） 氧化物半導(dǎo)體（如氧化物半導(dǎo)體（如GeO2、B2O3、SiO2、TiO2）47Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials(3)超晶格半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體 超晶格半導(dǎo)體材料超晶格半導(dǎo)體材料利用異質(zhì)外延法，即在晶體襯底上一層疊利用異質(zhì)外延法，即在晶體襯底上一層疊一層地生長(zhǎng)出不同材料的薄膜來(lái)，所得材一層地生長(zhǎng)出不同材料的薄膜來(lái)，所得材料叫超晶格材料料叫超晶格材料48超晶格超晶格 由兩種不同的半導(dǎo)體薄層交替排列所由兩種不同的半導(dǎo)體薄層交

31、替排列所組成的周期列陣組成的周期列陣Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 組分超晶格組分超晶格 超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成材料的薄膜堆垛而成 49Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 摻雜超晶格摻雜超晶格 在同一種半導(dǎo)在同一種半導(dǎo)體中，用交替體中，用交替地改變摻雜類(lèi)地改變摻雜類(lèi)型的方法做成型的方法做成的新型人造周的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)的材料50摻雜超晶格半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)摻雜超晶格半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

32、Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials51任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類(lèi)型都可以任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類(lèi)型都可以做成超晶格；做成超晶格；多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小，摻雜超晶格中沒(méi)有像雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小，摻雜超晶格中沒(méi)有像組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面；組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面；摻雜超晶格的有效能量隙可以具有從零到未調(diào)制的摻雜超晶格的有效能量隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對(duì)各分層厚基體材料能量隙之間

33、的任何值，取決于對(duì)各分層厚度和摻雜濃度的選擇。度和摻雜濃度的選擇。 摻雜超晶格的優(yōu)點(diǎn)摻雜超晶格的優(yōu)點(diǎn)Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 多維超晶格多維超晶格 52Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 應(yīng)變超晶格應(yīng)變超晶格 在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本在彈性形變限度之內(nèi)的超薄膜中，晶格本身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生身發(fā)生應(yīng)變而阻止缺陷的產(chǎn)生 53 SiGe/Si 是典型半導(dǎo)體應(yīng)變超晶格材料，隨是典型半導(dǎo)體應(yīng)變超晶格材料，隨著能帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變著能

34、帶結(jié)構(gòu)的變化，載流子的有效質(zhì)量可能變小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般小，可提高載流子的遷移率，可做出比一般 Si 器件更高速工作的電子器件器件更高速工作的電子器件。 Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials半導(dǎo)體的電阻特性半導(dǎo)體的電阻特性54半導(dǎo)體金屬TR金屬和半導(dǎo)體的電阻溫度曲線Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials6.3.3 PN結(jié)結(jié) 把本征半導(dǎo)體的兩側(cè)分別摻入施主型和受主型把本征半導(dǎo)體的兩側(cè)分別摻入施主型和受主型雜質(zhì)，或者將一塊雜質(zhì)，或者將一塊n型和一塊型和一塊p型

35、半導(dǎo)體結(jié)合在型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，兩者的界面及其相鄰的區(qū)域就稱(chēng)為一起，兩者的界面及其相鄰的區(qū)域就稱(chēng)為PN結(jié)。結(jié)。 PN結(jié)的最大特性就是單向?qū)щ娦?。結(jié)的最大特性就是單向?qū)щ娦浴?5Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials56（1）單晶硅）單晶硅 單晶硅具有準(zhǔn)金屬的性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，單晶硅具有準(zhǔn)金屬的性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，而且其電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加，有顯著的半而且其電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。導(dǎo)電性。機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高結(jié)晶性好結(jié)晶性好自然界中儲(chǔ)量豐富自然界中儲(chǔ)量豐富成本低成本低可以拉制出大尺寸的完整單晶可以拉制出

36、大尺寸的完整單晶6.3.4 一些重要的半導(dǎo)體材料一些重要的半導(dǎo)體材料Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials57(1)Performance and application計(jì)算機(jī)中央處理裝置計(jì)算機(jī)中央處理裝置(即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作部分即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作部分)的的基本單元基本單元晶體管晶體管雙極型晶體管雙極型晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的基本單元基本單元Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials58(2)Preparation制備方法制備方法22COSiC S

37、iO 還原提拉法或提拉法或懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials59(3)Research and development 研究開(kāi)發(fā)方向研究開(kāi)發(fā)方向優(yōu)質(zhì)大直徑（優(yōu)質(zhì)大直徑（250300mm）單晶硅的研制生產(chǎn)，）單晶硅的研制生產(chǎn)，其均勻性要求很高；其均勻性要求很高；單晶硅中微缺陷的密度亦需進(jìn)一步降低；單晶硅中微缺陷的密度亦需進(jìn)一步降低；制片后的氧化層錯(cuò)密度要求從制片后的氧化層錯(cuò)密度要求從100個(gè)個(gè)cm-2降低至降低至10個(gè)個(gè)cm-2，氧化層錯(cuò)密度降低與氧、碳含量、工藝條件有關(guān)，氧化層錯(cuò)密度降低與氧、碳含量、工藝條件有

38、關(guān)，特別是提拉單晶的速度和溫度場(chǎng)的均勻性。特別是提拉單晶的速度和溫度場(chǎng)的均勻性。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials（2）砷化鎵（）砷化鎵（GaAs）單晶）單晶Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials60很可能成為繼單晶硅之后很可能成為繼單晶硅之后第二種最重要的半導(dǎo)體電子材料第二種最重要的半導(dǎo)體電子材料寬禁帶，高電子遷移寬禁帶，高電子遷移可以在較高的工作可以在較高的工作溫度和工作頻率下工作溫度和工作頻率下工作61(1)GaAsGaAs中電子的有效質(zhì)量?jī)H為自由電中電子的有效質(zhì)量

39、僅為自由電子質(zhì)量的子質(zhì)量的1/15， GaAs中電子速度更中電子速度更快快制造出速度更快、功能更強(qiáng)制造出速度更快、功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，高頻通信信號(hào)的放大器的計(jì)算機(jī)，高頻通信信號(hào)的放大器砷化鎵中的電子激發(fā)后釋放能量以砷化鎵中的電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光的形式進(jìn)行發(fā)光的形式進(jìn)行制作半導(dǎo)體激制作半導(dǎo)體激光器和光探測(cè)器光器和光探測(cè)器Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials62（1）熱阻器）熱阻器 與金屬不同，半導(dǎo)體的電阻率隨溫與金屬不同，半導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高是減少的，利用這種特性做度升高是減少的，利用這種特性做成熱阻器除可以用來(lái)測(cè)溫外，還可成熱

40、阻器除可以用來(lái)測(cè)溫外，還可以用于火災(zāi)報(bào)警以用于火災(zāi)報(bào)警。這是由于當(dāng)熱阻器受熱時(shí)，電阻下這是由于當(dāng)熱阻器受熱時(shí)，電阻下降，就讓一很大的電流通過(guò)電路，降，就讓一很大的電流通過(guò)電路，啟動(dòng)警鈴。啟動(dòng)警鈴。6.3.5 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用半導(dǎo)體材料的應(yīng)用Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials63（2）壓力傳感器）壓力傳感器 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與能隙寬度半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與能隙寬度與半導(dǎo)體的原子間距有關(guān)，當(dāng)與半導(dǎo)體的原子間距有關(guān)，當(dāng)壓力作用在這種半導(dǎo)體上時(shí)，壓力作用在這種半導(dǎo)體上時(shí)，原子間距減小，同時(shí)能隙變窄，原子間距減小，同時(shí)能隙變窄，導(dǎo)電性增加。導(dǎo)電

41、性增加。因此，可以根據(jù)電導(dǎo)來(lái)推算壓因此，可以根據(jù)電導(dǎo)來(lái)推算壓力的大小。力的大小。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials64（3）光敏電阻器）光敏電阻器半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨入射光量的增加而增加。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨入射光量的增加而增加。這種效應(yīng)可用來(lái)制作光敏電阻，此處所說(shuō)的光這種效應(yīng)可用來(lái)制作光敏電阻，此處所說(shuō)的光可以是可見(jiàn)光，也可以是紫外線或紅外線，可以是可見(jiàn)光，也可以是紫外線或紅外線，只要所提供的光子能量與禁帶寬度相當(dāng)或大于只要所提供的光子能量與禁帶寬度相當(dāng)或大于禁帶寬度即可。禁帶寬度即可。Chapter6 Electronic and M

42、icroelectronic Materials65（4）磁敏電阻）磁敏電阻在通電的半導(dǎo)體上加磁場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體的電阻將增在通電的半導(dǎo)體上加磁場(chǎng)時(shí)，半導(dǎo)體的電阻將增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。產(chǎn)生磁阻現(xiàn)象的原因在于加磁場(chǎng)后，半導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)產(chǎn)生磁阻現(xiàn)象的原因在于加磁場(chǎng)后，半導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子會(huì)受到洛倫茲力的作用而改變路程的動(dòng)的載流子會(huì)受到洛倫茲力的作用而改變路程的方向，因而延長(zhǎng)了電流經(jīng)過(guò)的路程，從而導(dǎo)致電方向，因而延長(zhǎng)了電流經(jīng)過(guò)的路程，從而導(dǎo)致電阻增加。根據(jù)這種特性可做成磁敏電阻。阻增加。根據(jù)這種特性可做成磁敏電阻。Chapter6 Electronic and Microele

43、ctronic Materials66（5）光電倍增管）光電倍增管光電倍增管是利用電子的受激發(fā)射，激發(fā)源起初是光電倍增管是利用電子的受激發(fā)射，激發(fā)源起初是光子，而后是被電場(chǎng)加速的電子。光子，而后是被電場(chǎng)加速的電子。假定一個(gè)非常弱的光源將價(jià)帶中的一個(gè)電子激發(fā)到假定一個(gè)非常弱的光源將價(jià)帶中的一個(gè)電子激發(fā)到了導(dǎo)帶中，而后，在電場(chǎng)作用下，這個(gè)電子被加速了導(dǎo)帶中，而后，在電場(chǎng)作用下，這個(gè)電子被加速到很高的速度并具有了很高的能量，它將激發(fā)一個(gè)到很高的速度并具有了很高的能量，它將激發(fā)一個(gè)或更多的其他電子，這些電子也將受這個(gè)電場(chǎng)的作或更多的其他電子，這些電子也將受這個(gè)電場(chǎng)的作用而加速再激發(fā)其他的電子，如此下去

44、，一個(gè)非常用而加速再激發(fā)其他的電子，如此下去，一個(gè)非常弱的光信號(hào)就被放大了。弱的光信號(hào)就被放大了。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials67（6）發(fā)光二極管）發(fā)光二極管Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 68（7）整流二極管）整流二極管 利用利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦园氩ㄕ麟娐钒氩ㄕ麟娐稢hapter6 Electronic and Microelectronic Materials 69（8 8）齊納二極管）齊納二極管 Zener diodesZener

45、diodes 利用利用P-N結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 如果反向電壓（偏壓）增加到某個(gè)特殊值，對(duì)于如果反向電壓（偏壓）增加到某個(gè)特殊值，對(duì)于一個(gè)微小偏壓的變化，就會(huì)使電流產(chǎn)生一個(gè)可觀一個(gè)微小偏壓的變化，就會(huì)使電流產(chǎn)生一個(gè)可觀的增加。的增加。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials 70（8 8）晶體管）晶體管 Transistors Transistors 由二個(gè)由二個(gè)P-N結(jié)組成結(jié)組成 可以是可以是P-N-P-型，也可以是型，也可以是N-P-N型型Chapter6 Electronic and Microelectronic Mater

46、ials6.4 微電子材料與芯片微電子材料與芯片6.4.1 微電子芯片發(fā)展概況微電子芯片發(fā)展概況6.4.2 IC制造一般構(gòu)造與技術(shù)過(guò)程（圖制造一般構(gòu)造與技術(shù)過(guò)程（圖6-23講解）講解）71Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials硅基片n-摻雜n-摻雜p-摻雜氧化物源極漏極柵極金屬氧化物半導(dǎo)體（金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管示意圖）晶體管示意圖光刻原理光刻原理對(duì)底材進(jìn)行區(qū)域選對(duì)底材進(jìn)行區(qū)域選擇性保護(hù)，裸露區(qū)擇性保護(hù)，裸露區(qū)域被刻蝕。域被刻蝕。72Chapter6 Electronic and Microelectronic Materi

47、alsManufacturing stepsThe manufacturing process involves four main steps:Deposition （沉積）：?jiǎn)尉Ч杵铣练e異相薄膜（沉積）：?jiǎn)尉Ч杵铣练e異相薄膜 SiO2, Al, etc., Doping （摻雜）：通過(guò)摻雜改變導(dǎo)電性（摻雜）：通過(guò)摻雜改變導(dǎo)電性Photolithography（光成像）：（光成像）： 照相制版，制掩膜照相制版，制掩膜 1. Etching（蝕刻）：轉(zhuǎn)印立體圖案至單晶硅片上（蝕刻）：轉(zhuǎn)印立體圖案至單晶硅片上73Chapter6 Electronic and Microelectronic MaterialsProcess74Chapter6 Electronic and Microelectronic MaterialsEtching resultAn ion beam milled set of tracks in Si. The photoresist is still in place. Notice the accurate pattern transfer from the mask into the Si, and also that the photores