半導(dǎo)體材料-硅-其他 (2)課件

“硅器”時代

“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。可以說，硅在我們的生活中無處不在。遠(yuǎn)古時候的“硅器”陶瓷，主要成分為硅酸鹽生活中的硅金絲水晶球水晶欣賞岱岳雄姿觀音電腦中的硅芯片主板元素周期表Group12

3456789101112131415161718周期

11

H

氫

2

He

氦23

Li

鋰4

Be

鈹

5

B

硼6

C

碳7

N

氮8

O

氧9

F

氟10

Ne

氖311

Na

鈉12

Mg

鎂

13

Al

鋁14

Si

硅15

P

磷16

S

硫17

Cl

氯18

Ar

氬419

K

鉀20

Ca

鈣

21

Sc

鈧22

Ti

鈦23

V

釩24

Cr

鉻25

Mn

錳26

Fe

鐵27

Co

鈷28

Ni

鎳29

Cu

銅30

Zn

鋅31

Ga

鎵32

Ge

鍺33

As

砷34

Se

硒35

Br

溴36

Kr

氪537

Rb

銣38

Sr

鍶

39

Y

釔40

Zr

鋯41

Nb

鈮42

Mo

鉬43

Tc

锝44

Ru

釕45

Rh

銠46

Pd

鈀47

Ag

銀48

Cd

鎘49

In

銦50

Sn

錫51

Sb

銻52

Te

碲53

I

碘54

Xe

氙655

Cs

銫56

Ba

鋇56-70

鑭系

*71

Lu

镥72

Hf

鉿73

Ta

鉭74

W

鎢75

Re

錸76

Os

鋨77

Ir

銥78

Pt

鉑79

Au

金80

Hg

汞81

Tl

鉈82

Pb

鉛83

Bi

鉍84

Po

釙85

At

砹86

Rn

氡787

Fr

鈁88

Ra

鐳89-102

錒系

**103

Lr

鐒*104

Rf105

Db106

Sg107

Bh108

Hs109

Mt110

Uun111

Uuu112

Uub113

Uut114

Uuq115

Uup116

Uuh117

Uus118

Uuo鍺常見半導(dǎo)體材料硅半導(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)?？茖W(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個頂點(diǎn)有一個原子晶格6個面的中心各有一個原子晶格的4個對角線離頂點(diǎn)的1/4處各有一個原子晶體的能帶導(dǎo)體存在一個電子不能填滿的導(dǎo)帶，故能導(dǎo)電。金屬導(dǎo)體的電阻率約為10－8～10－6歐姆·米；絕緣體只有滿帶和空帶，沒有導(dǎo)帶，且禁帶很大（3－6eV），故不能導(dǎo)電。絕緣體的電阻率約為108～1020歐姆·米；半導(dǎo)體只有滿帶和空帶，但禁帶很?。?.1－2eV），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10－8～107歐姆·米。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。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Ⅴ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Ⅲ族元素)。真空二極電子管的工作原理晶體管的接觸面工作原理半導(dǎo)體在開關(guān)和整流器中的運(yùn)用原理：一個P-N結(jié)，它的作用是只讓電流向一個方向流通，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ns。半導(dǎo)體材料制作晶體管晶體管原理圖晶體管結(jié)構(gòu)

1947年利用半導(dǎo)體材料鍺制成的第一個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。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)正是電子計算機(jī)和當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。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)線制作在單個的半導(dǎo)體硅芯片上，具有和單個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。內(nèi)存條計算機(jī)主板集成電路微電子技術(shù)的發(fā)展年代名稱集成度（單位體積中的元件個數(shù)）50年代晶體管10060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10mm×20mm的芯片上集成了1.4億個元件，集成密度達(dá)70萬個/mm2。半導(dǎo)體的生產(chǎn)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、激光和電子計算機(jī)成為20世紀(jì)的“四大發(fā)明創(chuàng)造”。激光和計算機(jī)是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的，而激光和計算機(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)，以至于整個高科技領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。半導(dǎo)體材料運(yùn)用的樹狀圖

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。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光生伏特效應(yīng)

當(dāng)入射光子的能量大于禁帶寬度時，光照射在距表面很近的p－n結(jié)，就會在p－n結(jié)產(chǎn)生電動勢，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)太陽能電池光電效應(yīng)和光電傳感器

光電二極管是一個固態(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。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；計算機(jī)網(wǎng)延伸了人們的大腦。銥星系統(tǒng)

“銥星”系統(tǒng)的設(shè)計是由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。由于衛(wèi)星眾多，所以通信效率極高，可以隨時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。計算機(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)致了計算機(jī)網(wǎng)的誕生。各種各樣的芯片大大支持了計算機(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)。溫差效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體材料兩端的溫度不同時，載流子就會從高溫端流向低溫端，結(jié)果半導(dǎo)體的兩端就會產(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。砷化鎵半導(dǎo)體

計算機(jī)的運(yùn)算速度受到芯片材料中電子運(yùn)動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6～7倍，所以采用砷化鎵晶體管的計算機(jī)的響應(yīng)速度和運(yùn)算速度都更快。砷化鎵晶體結(jié)構(gòu)

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人為的周期勢。超晶體周期交替結(jié)構(gòu)

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，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