ch2-2半導體材料課件

半導體材料1要點半導體材料概述、半導體材料的發(fā)展、電學性能與應用、半導體材料的發(fā)展趨勢半導體西南大學材料科學與工程學院2半導體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數的物質。半導體室溫時電阻率約在10-3～109歐·厘米之間，溫度升高時電阻率指數則減小。半導體歷史西南大學材料科學與工程學院3半導體的發(fā)現實際上可以追溯到很久以前：1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬。一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發(fā)現。不久，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發(fā)現的半導體的第二個特征。半導體材料西南大學材料科學與工程學院5半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體；化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物)，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。半導體材料分類西南大學材料科學與工程學院6重要半導體晶體結構西南大學材料科學與工程學院7半導體材料的制造西南大學材料科學與工程學院9目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為丘克拉斯基法（Czochralskimethod）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入熔化的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。多晶硅生產設備丘克拉斯基法西南大學材料科學與工程學院102010全球十大半導體公司排名西南大學材料科學與工程學院112009年排名2010年排名公司2009收入2010收入2009-2010增長率2010市場份額11英特爾332534143024.6%13.8%22三星電子176862825659.8%9.4%33東芝96041237628.9%4.1%44德州電器91421235635.2%4.1%115瑞薩電子454210368128.3%3.5%76Hynix半導體60351035071.5%3.4%57意法半導體85101029020.9%3.4%138美光科技41708884113.0%3.0%69高通6409716711.8%2.4%1010英飛凌4682668042.7%2.2%

其他12433815215622.4%50.7%

總計22837130031331.5%100.0%中國半導體市場發(fā)展趨勢西南大學材料科學與工程學院13

2008-2014年中國半導體市場規(guī)模增長情況能帶結構西南大學材料科學與工程學院14導體、絕緣體、半導體西南大學材料科學與工程學院15材料的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。導體半導體絕緣體EgEg半導體的導電機制西南大學材料科學與工程學院17滿帶空帶hEg半導體的載流子：電子和空穴電子和空穴總是成對出現的在電場作用下，電子和空穴均可導電，它們稱作本征載流子。它們的導電形成半導體的本征導電性。半導體的導電機制西南大學材料科學與工程學院18空帶滿帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來，這相當于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為空穴導電。Eg在外電場作用下,半導體的導電機制西南大學材料科學與工程學院19半導體中導電過程的簡單“停車站”模擬（a）不可能移動（b）上下兩層都可能移動半導體的摻雜西南大學材料科學與工程學院21本征型純-SiN-型施主雜質P+P-型受主雜質B–摻雜工藝：主要為熱擴散和離子注入多子與少子熱擴散西南大學材料科學與工程學院22離子注入西南大學材料科學與工程學院23PN結的形成西南大學材料科學與工程學院25

P區(qū)N區(qū)內電場

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。由于耗盡層的存在，PN結的電阻很大。PN結PN結的導電性西南大學材料科學與工程學院26如果電源的正極接P區(qū)，負極接N區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，PN結處于正向偏置。電流從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大，PN結呈現低阻性。正向導通PN結的導電性西南大學材料科學與工程學院27如果電源的正極接N區(qū)，負極接P區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，PN結處于反向偏置。空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小，PN結呈現高阻性。反向截止半導體電學性能的應用1、熱敏電阻根據半導體的電阻值隨溫度的升高而迅速下降的現象制成的半導體器件，稱為熱敏電阻(thermosensitiveresistance)。熱敏電阻有體積小，熱慣性小，壽命長等優(yōu)點，已廣泛應用于自動控制技術。2、光敏電阻半導體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時，它的電阻值有隨光強的增加而急劇減小的現象。利用這種特性制成的半導體器件稱為光敏電阻(photosensitiveresistance)。光敏電阻是自動控制、遙感等技術中的一個重要元件。西南大學材料科學與工程學院29半導體電學性能的應用3、溫差熱電偶把兩種不同材料的半導體組成一個回路，并使兩個接頭具有不同的溫度，會產生較大的溫差電動勢，稱為半導體溫差熱電偶。溫度每差一度，溫差電動勢能夠達到、甚至超過1毫伏。利用半導體溫差熱電偶可以制成溫度計，或小型發(fā)電機。

西南大學材料科學與工程學院30光生伏特效應-Photovoltaic用適當波長的光照射非均勻半導體，例如P-N結和金屬-半導體接觸等，由于勢壘區(qū)中內建電場（也稱為自建電場）的作用，電子和空穴被分開，產生光生電流或者光生電壓。西南大學材料科學與工程學院31這種由內建電場引起的光-電效應，稱為光生伏特效應。利用光電效應可以制成太陽能電池，直接把光能轉換成電能，這是它最重要的實際應用。另外，光生伏特效應也廣泛應用于光電探測器。光伏效應應用西南大學材料科學與工程學院32半導體的應用西南大學材料科學與工程學院33半導體材料主要發(fā)展趨勢

西南大學材料科學與工程學院34Si單晶作為主要半導體材料，其大直徑化的進程仍將繼續(xù)。直徑450mm單晶已列入發(fā)展規(guī)劃，直徑680mm（27in）的單晶研制也已列入議事日程，微電子器件用GaAs、InP等也不斷使用大直徑晶片。對大尺寸（Si）晶片的幾何尺寸精度和晶片表面質量要求越來越高，從而促進超精細晶片加工技術的發(fā)展。1、晶片尺寸更大半導體材料主要發(fā)展趨勢

西南大學材料科學與工程學院351989年推出的英特爾486處理器采用1微米工藝技術，當前國際主流生產技術為0.25～0.35μm，先進生產技術為0.13～0.10μm，90nm技術已開始投入小批量生產，并研究成功65nm技術。2010年采用45nm技術，按照國際半導體產業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）預測2016年和2018年將分別發(fā)展到22nm和18nm，預計在2020年有望達到16nm。2、線寬更小半導體材料主要發(fā)展趨勢

西南大學材料科學與工程學院36傳統(tǒng)半導體材料中大部分采用的是硅，新型半導體材料如氮化鎵、碳化硅、硒化鋅的發(fā)展將極大豐富半導體材料的應用領域。3、新材料量子（阱、線、點）結構半導體材料的研制向實用化發(fā)展，使“能帶工程”用于生產實踐。通過對半導體材料和相應器件設計的人工“裁剪”，必將研制出更多、更高性能的新穎（電子、光電子等）功能器件。半導體材料主要發(fā)展趨勢

西南大學材料科學與工程學院37封裝技術對于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通過封裝技術創(chuàng)新使產品微型化。封裝的關鍵新能要求包括插腳數目、電板空間密度的最大化及散熱效