半導(dǎo)體材料介紹課件

半導(dǎo)體材料SemiconductorMaterials半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。主講人：某某某時間：202X年XX月XX日YOURLOGO目錄CONTENTS01半導(dǎo)體材料概述02半導(dǎo)體材料分類03化合物半導(dǎo)體及合金半導(dǎo)體材料YOURLOGO半導(dǎo)體材料概述PART.01半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。YOURLOGO概述鍺、硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了電子工業(yè)革命GaAs激光器的發(fā)明及光纖技術(shù)的發(fā)展使人類進(jìn)入了信息時代半導(dǎo)體器件的新的設(shè)計：半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，將進(jìn)一步改變?nèi)祟惖纳罘绞桨雽?dǎo)體材料分類PART.02半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。YOURLOGO半導(dǎo)體材料分類元素半導(dǎo)體十幾種處于ⅢA族-ⅤA族之間的元素，如Ge、Si、Se、Te化合物半導(dǎo)體二元化合物半導(dǎo)體ⅢA-ⅤA，9種，如GaAs、InP、AlSbⅡB-ⅥA，12種，如CdS、CdTe、CdSeⅣA-ⅣA，如SiCⅣA-ⅥA，如GeS，GeSe，SnTe等9種ⅤA-ⅥA，AsSe3，AsS3，AsTe3多元化合物半導(dǎo)體ⅠB-ⅢA-(ⅥA)2,如AgGeTe2ⅠB-ⅤA-(ⅥA)2,如AgAsSe2(ⅠB)2-ⅡB-ⅣA-(ⅥA)4,如Cu2CdSnTe4固溶體半導(dǎo)體二元，三元非晶態(tài)半導(dǎo)體元素非晶、非晶化合物有機(jī)半導(dǎo)體分子晶體、分子絡(luò)合物、聚合物硅和鍺半導(dǎo)體材料硅和鍺的性質(zhì)物理和化學(xué)性質(zhì),晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu),雜質(zhì)的影響硅和鍺單晶體的制備直拉法原理示意圖及其過程區(qū)域熔煉水平區(qū)熔法、懸浮區(qū)熔法、硅和鍺的應(yīng)用硅和鍺的物理性質(zhì)灰色金屬光澤。本征電阻率,鍺：～50Ω·cm,硅：～2.3×105Ω·cm,硬而跪，硅在切割時易碎裂。硅和鍺的化學(xué)性質(zhì)硅和鍺在常溫下化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，但升高溫度時，很容易同氧、氯等多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在自然界沒有游離狀態(tài)的硅和鍺存在。鍺不溶于鹽酸或稀硫酸，但能溶于熱的濃硫酸、濃硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。硅不镕于鹽酸、硫酸、硝酸及王水，易被服HF-HNO3混合酸所溶解，因而半導(dǎo)體工業(yè)中常用此混合酸作為硅的腐蝕液。硅比鍺易與堿起反應(yīng)。區(qū)域熔煉在區(qū)熔過程中，錠料水平放置，稱為水平區(qū)熔，錠料豎直放置且不用容器，稱為懸浮區(qū)熔區(qū)域熔煉是在一個被熔煉的錠料上產(chǎn)生一個或幾個熔區(qū)，然后從一端開始移動熔區(qū)至另一端(必要則沿相反方向移動熔區(qū))，按需要多次重復(fù)此過程，達(dá)到提純和控制雜質(zhì)的目的，并可獲得單品。簡稱這一過程叫區(qū)熔。：：硅和鍺的應(yīng)用硅制造大規(guī)模集成電路最關(guān)鍵的材料、大容量整流器、晶體二極管、晶體三極管、紅外聚焦透鏡鍺晶體管、制造紅外光學(xué)儀器，用于熱成像儀，用作光纖的摻雜劑，提高光纖纖芯的折射率，減少色散和傳輸損耗化合物半導(dǎo)體及合金半導(dǎo)體材料PART.03半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。YOURLOGO化合物半導(dǎo)體材料定義化合物半導(dǎo)體材料是指由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物化合物半導(dǎo)體及合金半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)砷化鎵單晶的制備方法：水平區(qū)熔法和液封直拉法砷化鎵膜的制備方法：外延技術(shù)制備，氣相外延、液相外延和氣束外延用途：發(fā)光二極管、隧道二極管、場效應(yīng)晶體管磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)合金半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)鍺硅合金GexSi1-x碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)鍺硅合金成分、晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)種類無定形、結(jié)晶形和超晶格制備方法結(jié)晶形：直拉法、水平法、熱分解法和熱壓法超晶格：分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積特點能帶結(jié)構(gòu)、禁帶寬度可以通過改變組分進(jìn)行調(diào)節(jié)，制造工藝與Si工藝兼容，兼有GaAs優(yōu)點用途微電子技術(shù)、太陽能電池直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶底和價帶頂不在k空間同一點的半導(dǎo)體，如Si,Ge直接帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶的極小值點和價帶的極大值點位于k空間的同一點，這種半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體，如GaAs半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的種類半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)：由兩種不同半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起，界面處就構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)超晶格：由兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生長構(gòu)成量子阱：兩個同樣的異質(zhì)結(jié)背對背接起來半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的研究使半導(dǎo)體器件設(shè)計由“摻雜工程”走向“能帶工程”典型的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料典型的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料:GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)優(yōu)點縮小器件尺寸、提高器件工作速度和在同一襯底上集成電子器件和光電子器件，利用成熟的硅集成電路工藝技術(shù)01制備縮小器件尺寸、提高器件工作速度和在同一襯底上集成電子器件和光電子器件，利用成熟的硅集成電路工藝技術(shù)在Si襯底上生長GexSi1-x合金膜02用途制備調(diào)制摻雜效應(yīng)晶體管（MODEFT）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和紅外探測器03典型的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料GaAs/AlGaAs量子阱、超晶格材料分子束外延是指組成化合物的各元素通過加熱方式，以原子束或分子束形式噴射在加熱的襯底表面經(jīng)表面擴(kuò)散和物理化學(xué)反應(yīng)，形成化合物晶體薄膜的過程制備用分子束外延生長結(jié)構(gòu)特點在異質(zhì)界面不產(chǎn)生位錯，只有彈性變形優(yōu)點閾值電流密度低，易光集成化并制成大功率半導(dǎo)體激光器，光束質(zhì)量好用途制成各種光通訊元件和半導(dǎo)體激光器超晶格組分超晶格超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，能帶不連續(xù)。摻雜超晶格交替地改變類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體超晶格中的電子狀態(tài)GaAs能帶結(jié)構(gòu)組分超晶格能帶結(jié)構(gòu)(a)Ⅰ類(b)Ⅱ類子能帶圖非晶態(tài)半導(dǎo)體兩類非晶半導(dǎo)體四面體結(jié)構(gòu)非晶半導(dǎo)體：非晶硅(α-Si)，非晶鍺(α-Ge)，IIIA-ⅤA族化合物非晶α-GaAs等，特點是最近鄰原子配位數(shù)為4硫系非晶半導(dǎo)體：非晶S、Se、Te，As2S3，二元如As2Te3，三元、四元，非晶氧化物，IIIA，ⅤA族元素半導(dǎo)體α-B，α-As非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子運動特點非布洛赫波：擴(kuò)展態(tài)、定域態(tài)態(tài)密度函數(shù)缺陷定域態(tài)：缺陷密度大，形成窄的能帶非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)直流導(dǎo)電：擴(kuò)展態(tài)、尾部定域態(tài)、禁帶中的缺陷定域態(tài)光吸收：本征吸收邊的移動，無豎直吸收與非豎直吸收之分3個區(qū)域：高吸收區(qū)、指數(shù)區(qū)、弱吸收區(qū)光導(dǎo)電效應(yīng)光照產(chǎn)生非平衡載流子引起電導(dǎo)率改變非晶硅(α-Si：H)制備方法等離子輝光放電法、濺射法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)其相沉積法非晶態(tài)硅薄膜的用途主要用途是作太陽能電池,場效應(yīng)晶體管、場效應(yīng)集成電路、圖像傳感器、電荷耦合器件、光信息儲存器半導(dǎo)體光電子材料光電子材料指具有光子和電子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸功能的材料光電器件與電子器件的發(fā)展趨勢OEIC光電子集成電路的困難兼容性O(shè)EIC制備技術(shù)芯片倒裝技術(shù),襯底結(jié)合技術(shù)半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷的特點導(dǎo)電性能介于導(dǎo)電陶瓷和絕像介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，由金屬氧化物制成與通常的半導(dǎo)體(單晶硅)的區(qū)別：化學(xué)成分,化學(xué)鍵,晶界半導(dǎo)體陶瓷的種類：PTC、NTC、CTR、壓敏半導(dǎo)體陶瓷PTC半導(dǎo)體陶瓷PTCPosotiveTemperatureCoefficent，正溫度系數(shù)典型PTC半導(dǎo)體陶瓷的成分PosotiveTemperatureCoefficent，正溫度系數(shù)BaTiO3、結(jié)構(gòu)BaTiO3的PTC效應(yīng)機(jī)理鐵電相變與晶界PTC半導(dǎo)體陶瓷的用途溫度自控，過電流和過熱保護(hù)NTC半導(dǎo)體陶瓷01NTC，NegativeTemperatureCoeffient03NTC半導(dǎo)體陶瓷的主要成分：MnO,常溫?zé)崦舨牧?高溫?zé)崦舨牧?2NTC半導(dǎo)體陶瓷一般為AB2O4尖晶石結(jié)構(gòu)04用途：電路的溫度補償、控溫和測溫傳感器的制作、溫度檢測CTR半導(dǎo)體陶瓷和壓敏半導(dǎo)體陶瓷材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)時電阻的急劇變化，稱為急變溫度熱敏電阻，以V2O5為基的半導(dǎo)體材料，臨界溫度：63～67℃具有溫度開關(guān)特性CTR(CriticalTemperatureResister)臨界溫度電阻壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指材料所具有的電阻值，在一定電流范圍內(nèi)具有非線性可變特性的陶瓷，Si、Ge單晶，ZnO等，用于過電壓保護(hù)。導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶價帶導(dǎo)帶禁帶帶隙0K條件下被電子填充的能量最高的能帶0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差晶體管知識可以用于放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其他功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流。晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件雙極性晶體管的三個極分別是發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。場效應(yīng)晶體管的三個極分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。晶體管有三個極雙極性晶體管（BJT）和場效應(yīng)晶體管（FET）。晶體管主要分為兩大類用于數(shù)字電路，主要功能是模擬電子開關(guān)。晶體管二極管的基本知識二極管的工作原理晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并形成自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。極管類型按材料分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。按用途可分為檢波、整流、穩(wěn)壓、開關(guān)