半導(dǎo)體材料課件

緒論1.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)1.3半導(dǎo)體材料的分類1.1.1首次報(bào)導(dǎo)半導(dǎo)體伏特A.Volta(1745~1827)，義大利物理學(xué)家國(guó)際單位制中,電壓的單位伏即為紀(jì)念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個(gè)伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對(duì)電的研究從靜電發(fā)展到流動(dòng)電，開拓了電學(xué)的研究領(lǐng)域。他利用靜電計(jì)對(duì)不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導(dǎo)電性能介於它們之間的“半導(dǎo)體”。他在給倫敦皇家學(xué)會(huì)的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導(dǎo)體）一詞。1.1.2半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－負(fù)電阻溫度係數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，英國(guó)英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，現(xiàn)代電工科學(xué)的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀(jì)念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，另外法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn)。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導(dǎo)體材料，發(fā)現(xiàn)了負(fù)的電阻溫度係數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下將。負(fù)電阻溫度係數(shù)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之一正、負(fù)電阻溫度係數(shù)

負(fù)電阻溫度係數(shù)正電阻溫度係數(shù)RRTT1.1.3半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－光電導(dǎo)效應(yīng)1873年，英國(guó)史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面，發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，它開創(chuàng)了半導(dǎo)體研究和開發(fā)的先河。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之二照片光電導(dǎo)示意圖1.1.4半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－整流效應(yīng)布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，德國(guó)物理學(xué)家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。1874年，他觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。整流效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之三照片伏安特性I電流V電壓0正向反向1.1.5半導(dǎo)體特有性質(zhì)－光生伏特效應(yīng)1876年，英國(guó)物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用就是把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為太陽能電池。1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室製成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之四照片光生伏特效應(yīng)1.1.6半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－霍爾效應(yīng)1879年，霍爾(E.H.Hall)在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直於磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”?！盎魻栃?yīng)”就是為紀(jì)念霍爾而命名的。利用“霍爾效應(yīng)”可以測(cè)量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾係數(shù)等重要參數(shù)。霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之五照片霍爾效應(yīng)示意圖BZIxvfBP型半導(dǎo)體薄片：長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為d磁場(chǎng)方向(z方向）與薄片垂直，電流方向?yàn)閤方向LbdfExyz1.1.7半導(dǎo)體發(fā)展的限制在1880年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的五大特性：

整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、負(fù)電阻溫度效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和霍爾效應(yīng)但半導(dǎo)體科學(xué)卻沒有取得迅猛的發(fā)展，主要原因在於：1.半導(dǎo)體材料的不純2.半導(dǎo)體物理理論的不完善（1）半導(dǎo)體理論的發(fā)展背景首先取得突破的是半導(dǎo)體理論的發(fā)展19世紀(jì)末，英國(guó)物理學(xué)家湯姆生在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，他指出在物理學(xué)晴朗的天空裏出現(xiàn)了兩朵令人不安的“烏雲(yún)”，第一朵“烏雲(yún)”出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，第二朵“烏雲(yún)”就是黑體輻射。黑體輻射被加熱的物體開始時(shí)會(huì)發(fā)出紅光，隨著溫度上升，光的顏色逐漸由紅變黃又向藍(lán)白色過渡，這種以電磁波的形式向外傳遞能量的現(xiàn)象就叫熱輻射。為了從理論上總結(jié)熱輻射規(guī)律，19世紀(jì)物理學(xué)家導(dǎo)出了熱輻射物體的能量按發(fā)光波長(zhǎng)分佈的兩個(gè)公式：維恩公式和瑞利一金斯公式。然而，這兩個(gè)公式算出的結(jié)果，不是在長(zhǎng)波方面就是在短波方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，物理學(xué)家為此傷透了腦筋。

這兩朵烏雲(yún)給物理學(xué)界帶來了革命風(fēng)暴，使物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“新大陸”——“量子論”和“相對(duì)論”，將人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)向前推進(jìn)了一大步。量子論－－－半導(dǎo)體的能帶理論密切相關(guān)普朗克的輻射量子說1900年，普朗克提出輻射量子假說假定電磁場(chǎng)和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(能量子)實(shí)現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分佈公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。

（n=1,2,3…..）輻射能量和溫度的關(guān)係愛因斯坦的光子量子說1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子說，提出光在空間的傳播也像粒子一樣，稱為光子或者光量子。單個(gè)光子的能量為玻爾的原子量子模型1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。原子中的電子只能在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”；原子在這些軌道上不輻射能量只有當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，才能吸收或輻射能量。單原子模型電子原子核補(bǔ)充：愛因斯坦和玻爾的爭(zhēng)論能帶理論1928年普朗克在應(yīng)用量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電問題中，提出固體能帶理論的基本思想能帶論。1931年，威爾遜在能帶理論的基礎(chǔ)上，提出半導(dǎo)體的物理模型。用能帶理論解釋導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的行為特徵，其中包括半導(dǎo)體電阻的負(fù)溫度係數(shù)和光電導(dǎo)現(xiàn)象。

原子能級(jí)分裂為能帶原子能級(jí)能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg>6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理1932年，威爾遜提出了雜質(zhì)（及缺陷）能級(jí)的概念，這是認(rèn)識(shí)摻雜半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理的重大突破。ECEVEDEg擴(kuò)散理論1939年，莫特（N.F.Mott）和肖特基（W.Schottky）各自獨(dú)立地提出可以解釋阻擋層整流的擴(kuò)散理論。金屬半導(dǎo)體阻擋層能帶論、導(dǎo)電機(jī)理模型和擴(kuò)散理論這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)逐步發(fā)展起來的半導(dǎo)體理論模型，便大體上構(gòu)成了確立電晶體這一技術(shù)發(fā)明目標(biāo)的理論背景。（2）半導(dǎo)體材料工藝另一方面的突破是半導(dǎo)體材料工藝的發(fā)展半導(dǎo)體材料工藝可概括為提純、單晶製備和雜質(zhì)控制。

1）雜質(zhì)的概念雜質(zhì)包括物理雜質(zhì)和化學(xué)純度物理雜質(zhì)－－晶體缺陷，包括位錯(cuò)和空位等化學(xué)雜質(zhì)－－是指基體以外的原子以代位或填隙等形式摻入現(xiàn)在，半導(dǎo)體材料的純度達(dá)到並超過了99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”例子：純矽在室溫時(shí)的電導(dǎo)率為5×10－6/歐姆釐米當(dāng)摻入百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，雖然純度仍有99.9999%，導(dǎo)電率卻提高了一百萬倍。2）半導(dǎo)體材料的提純提純的主要目的是去除半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)提純方法可分化學(xué)法和物理法。化學(xué)提純是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純後的化合物還原成元素；物理提純是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純（2.1）化學(xué)提純化學(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。電解：利用金屬活動(dòng)順序的不同，陽離子在陰極析出精餾：利用回流使液體混合物得到高純度分離的方法（2.2）物理提純物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精製、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精製。區(qū)域熔煉技術(shù),即將半導(dǎo)體材料鑄成錠條,從錠條的一端開始形成一定長(zhǎng)度的熔化區(qū)域。利用雜質(zhì)在凝固過程中的分凝現(xiàn)象，當(dāng)此熔區(qū)從一端至另一端重複移動(dòng)多次後，雜質(zhì)富集於錠條的兩端。去掉兩端的材料，剩下的即為具有較高純度的材料。區(qū)熔法示意圖3）半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)技術(shù)為了消除多晶材料中各小晶體之間的晶粒間界對(duì)半導(dǎo)體材料特性參量的巨大影響，半導(dǎo)體器件的基體材料一般採(cǎi)用單晶體。單晶製備一般可分大體積單晶(即體單晶)製備和薄膜單晶的製備。3.1）半導(dǎo)體體單晶生長(zhǎng)技術(shù)1950年，蒂爾（G.K.Teal）用直拉法制備出了Ge單晶。體單晶基本上是由熔體生長(zhǎng)法制成不同的體單晶生長(zhǎng)技術(shù)直拉技術(shù)－－應(yīng)用最廣，80%的矽單晶、大部分鍺單晶懸浮區(qū)熔法－－生長(zhǎng)高純矽單晶水準(zhǔn)區(qū)熔法－－生產(chǎn)鍺單晶垂直定向結(jié)晶法－－生長(zhǎng)碲化鎘、砷化鎵國(guó)際上的產(chǎn)品主要是12英寸以上的單晶矽，最大尺寸達(dá)24英寸。（3.2）半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)技術(shù)在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶薄膜稱為外延生長(zhǎng)。如果襯底材料和外延層是同一種材料，稱為同質(zhì)外延如果襯底材料和外延層不是同一種材料，稱為異質(zhì)外延外延生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)1.外延生長(zhǎng)中，外延層中的雜質(zhì)濃度可以方便地通過控制反應(yīng)氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)節(jié)，而不依賴於襯底中的雜質(zhì)種類與摻雜水準(zhǔn)。單晶生長(zhǎng)需要進(jìn)行雜質(zhì)摻雜。2.外延生長(zhǎng)可以選擇性的進(jìn)行生長(zhǎng)，不同材料的外延生長(zhǎng)，不同成分的外延生長(zhǎng)，這對(duì)於器件的製備尤為重要。3.一些半導(dǎo)體材料目前只能用外延生長(zhǎng)來製備，如GaN多層膜外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)的技術(shù)外延生長(zhǎng)的技術(shù)有汽相、液相、分子束外延等。採(cǎi)用從汽相中生長(zhǎng)單晶原理的稱汽相外延；採(cǎi)用從溶液中再結(jié)晶原理的外延生長(zhǎng)方法稱液相外延;（4）雜質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體材料特性參數(shù)的大小與存在於材料中的雜質(zhì)原子和晶體缺陷有很大關(guān)系：一方面，電阻率、載流子遷移率和非平衡載流子壽命等一般隨雜質(zhì)的增加而減小，希望盡可能的提高半導(dǎo)體材料的純度；另一方面，半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)又離不開各種雜質(zhì)原子的作用。雜質(zhì)的摻雜1.先生長(zhǎng)出純淨(jìng)的半導(dǎo)體材料，再按照需要外加的摻入不同的雜質(zhì)；2.一邊生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的同時(shí)，一邊加入所需要的雜質(zhì)1.1.8電晶體的發(fā)明背景理論背景：能帶論、導(dǎo)電機(jī)理模型和擴(kuò)散理論這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)逐步發(fā)展起來的半導(dǎo)體理論模型，便大體上構(gòu)成了確立電晶體這一技術(shù)發(fā)明目標(biāo)的理論背景。材料背景：半導(dǎo)體材料工藝的進(jìn)一步完善，製備出了高純度的半導(dǎo)體材料，為電晶體提高了高純的半導(dǎo)體材料真空管“真空管”代表玻璃瓶?jī)?nèi)部抽真空，以利於游離電子的流動(dòng)，也可有效降低燈絲的氧化損耗。真空管擁有三個(gè)最基本的極，第一是“陰極”，它是釋放出電子流的地方，當(dāng)燈絲加熱時(shí)，電子就會(huì)游離而出，散佈在真空玻璃瓶裏。第二個(gè)極是“屏極”，基本是真空管最週邊的金屬板，屏極連接正電壓，負(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來的電子，作為電子游離旅行的終點(diǎn)。第三個(gè)極為“柵極”，電子流必須通過柵極而到屏極，在柵極之間通電壓，可以控制電子的流量，具有流通與阻擋的功能。真空管的缺點(diǎn)脆易碎體積龐大不可靠耗電量大效率低運(yùn)作時(shí)釋出大量熱能。。。貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建於1925年，它隸屬於美國(guó)電話電報(bào)公司（AT＆T），是世界最大的由企業(yè)經(jīng)辦的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一，歷年來發(fā)明了有聲電影（1926年）、電動(dòng)電腦（1937年）、電晶體（1947年）、雷射器（1960年），以及發(fā)現(xiàn)電子衍射（1927年）和宇宙微波背景輻射（1965年）等，先後有多位科學(xué)家獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1946年1月，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式成立了固體物理研究組，其宗旨就是要對(duì)固體物理學(xué)進(jìn)行深入探討，從而指導(dǎo)半導(dǎo)體器件的研製。如果沒有貝爾實(shí)驗(yàn)室有遠(yuǎn)見的集體攻關(guān)，電晶體發(fā)明的歷史也許會(huì)是另一個(gè)樣子，資訊時(shí)代的到來也許要推遲若干年。主要成員組長(zhǎng)是半導(dǎo)體物理學(xué)理論家肖克利（B.Shockley）實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉坦（W.Brattain）固體物理學(xué)家巴丁（J.Bardeen）電子線路專家摩爾（H.R.Moore）物理化學(xué)家摩根（S.Morgan）和吉布尼（R.B.Gibney），半導(dǎo)體專家皮耳遜（G.L.Pearson），歐爾（R.S.Ohl）和蒂爾（G.K.Teal）。第一個(gè)電晶體1947年，巴丁和布拉頓製備出了第一個(gè)點(diǎn)接觸電晶體。在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細(xì)針並通上電流，然後讓另一根細(xì)針儘量靠近它，並通上微弱的電流，並加上微電流，這時(shí)，通過鍺片電流突然增大起來。這就是一種信號(hào)放大現(xiàn)象。因?yàn)檫@種電晶體的結(jié)構(gòu)，只是金屬與半導(dǎo)體晶片的某一“點(diǎn)”接觸，故稱之為“點(diǎn)接觸電晶體”。這種電晶體存在著不穩(wěn)定、雜訊大、頻率低、放大率小、製作困難等缺點(diǎn)。世界上第一個(gè)電晶體第一個(gè)結(jié)型電晶體肖克利提出另一個(gè)新設(shè)想：在半導(dǎo)體的兩個(gè)P區(qū)中間夾一個(gè)N區(qū)的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)電晶體放大作用。

1950年，第一個(gè)“結(jié)型電晶體”試製成功。這種電晶體是利用電子和空穴的作用原理製成，它是現(xiàn)代電晶體的雛型。它克服了“點(diǎn)接觸電晶體”的不穩(wěn)定性，而且雜訊低、功率大。1956年，肖克利和巴丁、布拉頓一起獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。1.1.10積體電路的出現(xiàn)1950年，R.Ohl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1956年，S.Fuller發(fā)明了擴(kuò)散工藝；1960年，H.Loor和E.Castellani發(fā)明了光刻工藝；1958年，德州儀器的基爾比發(fā)明了第一塊用Ge材料製成的積體電路1958年，仙童公司的諾伊斯發(fā)明了第一塊用矽材料製成的積體電路第一塊積體電路1958年，第一塊積體電路：12個(gè)器件，Ge晶片TI公司Kilby，2000年獲Nobel獎(jiǎng)積體電路的意義60年代初，人們?cè)陔娋w發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)明了積體電路，這是半導(dǎo)體發(fā)展中的一次飛躍。它標(biāo)誌著半導(dǎo)體器件由小型化開始進(jìn)入集成化時(shí)期。所謂積體電路指的是把二極體、三極管（電晶體）以及電阻、電容都制做在同一個(gè)矽晶片上，使一個(gè)片子所完成的不再是一個(gè)電晶體的放大或開關(guān)效應(yīng)，而是具有一個(gè)電路的功能。積體電路的種類按功能不同可分為模擬積體電路和數(shù)字積體電路兩大類；積體電路按其製作工藝不同，可分為半導(dǎo)體積體電路、膜積體電路和混合積體電路三類；按集成度高低不同，可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模及超大規(guī)模積體電路四類。集成度的概念積體電路的集成度指單塊晶片上所容納的原件數(shù)目。集成度越高，容納的原件數(shù)目越多。小規(guī)模積體電路：集成度小於100個(gè)元件；中規(guī)模積體電路MSI：集成度在100~1000個(gè)元件之間；大規(guī)模積體電路LSI：集成度在1000個(gè)元件以上；超大規(guī)模積體電路VLSI：集成度達(dá)十萬個(gè)元件以上；特大規(guī)模積體電路ULSI：集成度達(dá)到一千萬個(gè)原件以上。摩爾定律1965年英特爾公司主要?jiǎng)?chuàng)始人摩爾提出了“隨著晶片上電路的複雜度提高，元件數(shù)目必將增加，每個(gè)元件的成本將每年下降一半”，這個(gè)被稱為“摩爾定律”的預(yù)言成為了以後幾十年指導(dǎo)積體電路技術(shù)發(fā)展的最終法則。在20世紀(jì)60年代初，一個(gè)電晶體要10美元左右，但隨著電晶體越來越小，到一根頭髮絲上可以放1000個(gè)電晶體時(shí)，每個(gè)電晶體的價(jià)格只有千分之一美分。Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010記憶體容量

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預(yù)測(cè)

半導(dǎo)體晶片上的電晶體數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞⑻幚砥鞯男阅?00G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

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41%Growth8080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿?2雙核(2006)

酷睿2四核(2007)

摩爾定律的適用性電晶體的數(shù)目，微處理器的性能，價(jià)格等方面都和摩爾定律符合得很好。摩爾定律並非數(shù)學(xué)、物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)。摩爾定律實(shí)際上是關(guān)於人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時(shí)，就會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)它。多種版本的“摩爾定律”：摩爾第二定律（成本），新摩爾定律（上網(wǎng)用戶）特徵尺寸技術(shù)上一般將電晶體的半節(jié)距作為積體電路每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)標(biāo)誌，稱為加工特徵尺寸。電晶體尺寸縮小是積體電路集成度增加、性能提高的主要方法，但是電晶體的尺寸縮小必將有一個(gè)極限。年代特徵尺寸2001130nm200490nm200765nm201045nm201332nm201622nm202210nm摩爾定律的極限1.功耗的問題記憶體工作靠的是成千上萬的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的。當(dāng)晶片集成度越來越高，耗電量也會(huì)越來越大，如何解決散熱的問題？2.摻雜原子均勻性的問題一個(gè)平方釐米有一億到十億個(gè)器件，摻雜原子只有幾十個(gè)，怎麼保證在每一個(gè)器件的雜質(zhì)原子的分佈是一模一樣呢？是矽微電子技術(shù)發(fā)展遇到的又一個(gè)難題。3.SiO2層量子遂穿漏電的問題

CMOS器件的柵極和溝道中間有一層絕緣介質(zhì)SiO2，隨著器件尺寸的減小，SiO2的厚度也在減小，當(dāng)減小到幾個(gè)納米的時(shí)候，即使你加一個(gè)很小的電壓，它就有可能被擊穿或漏電，這個(gè)時(shí)候溝道電流就難以控制了。量子隧穿漏電是矽微電子技術(shù)所遇到的另一個(gè)問題。4.量子效應(yīng)的問題如果矽的尺寸達(dá)到幾個(gè)納米時(shí)，那麼量子效應(yīng)就不能忽略了，現(xiàn)有的積體電路的工作原理就可能不適用了。改良的方法延長(zhǎng)摩爾定律1.氧化物絕緣層的擊穿和漏電問題，可以改用介電常數(shù)大的介質(zhì)，厚度就會(huì)增加。即用新的介電材料來代替SiO2，就可以避免由於量子隧穿導(dǎo)致的漏電問題。2.把矽CMOS器件的源或漏電極集成一個(gè)共振隧穿器件，在不增加功耗和器件尺寸情況下，就可以把器件的邏輯功能提高上百倍千倍！這種混合集成的辦法雖不能徹底克服矽微電子技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)，可以用於延長(zhǎng)摩爾定律的壽命。3.另外一種方法就是應(yīng)變矽，CMOS器件的溝道採(cǎi)用應(yīng)變矽，可以在成本增加不多的情況下，大大地提高晶片的運(yùn)算速度。4.新型半導(dǎo)體材料和器件，GaAs和GaN基材料和器件，可以提高器件和電路的速度以及解決由於集成度的提高帶來的功耗增加出現(xiàn)的問題。新的思路1.量子電腦量子電腦是基於量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用鐳射脈衝來改變分子的狀態(tài)，使資訊沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。

2.光子電腦光子電腦即全光數(shù)字電腦，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬體代替電腦中的電子硬體，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。3.生物電腦生物電腦的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。電腦的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程式則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。4.納米電腦納米技術(shù)研製的電腦記憶體晶片，其體積不過數(shù)百個(gè)原子大小。納米電腦不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的電腦強(qiáng)大許多倍。1.2半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)1.2.1禁帶寬度的變化趨勢(shì)1.2.2維度的變化趨勢(shì)1.2.1發(fā)展趨勢(shì)之一第一代半導(dǎo)體材料，元素半導(dǎo)體材料，以Si和Ge為代表;Si：Eg=1.12eV第二代半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料，以GaAs，InP等材料為代表;GaAs：Eg=1.46eV第三代半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料，以GaN，SiC，ZnO等材料為代表;GaN:Eg=3.3eV1.1.2發(fā)展趨勢(shì)之二半導(dǎo)體材料另一發(fā)展趨勢(shì)是：由三維體材料向薄膜、兩維超晶格量子阱、一維量子線和零維量子點(diǎn)材料方向發(fā)展。維度是一個(gè)空間的概念，長(zhǎng)、高和寬是三個(gè)空間的維度。三維體材料：電子在其中可以自由運(yùn)動(dòng)而不受限制的材料。二維超晶格、量子阱材料：電子在X、Y平面裏可以自由運(yùn)動(dòng)，在Z方向，由於它很薄，電子運(yùn)動(dòng)受到了限制。一維量子線：電子只能在長(zhǎng)度的方向上可以自由的運(yùn)動(dòng)，在另兩個(gè)方向X和Y都不能自由運(yùn)動(dòng)。它的能量在X和Y兩個(gè)方向上都是量子化的。量子點(diǎn)：電子在三個(gè)方向，X、Y、Z三個(gè)方向上都不能進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)維度上的尺寸都比電子的平均自由程相比或更小，這時(shí)電子像被困在一個(gè)籠子中，它的運(yùn)動(dòng)在三個(gè)方向都被受限。電子態(tài)密度與維度1.3半導(dǎo)體材料的分類1.禁帶寬度的不同，又可分為：窄帶隙半導(dǎo)體材料：Si，Ge

寬頻隙半導(dǎo)體材料：GaN，ZnO，SiC，AlN2.化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的不同，又可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體等3.使用功能的不同，可分為：電子材料、光電材料、傳感材料、熱電致冷材料等

矽和鍺的化學(xué)製備一、矽和鍺的物理化學(xué)性質(zhì)1.高純矽的製備2.高純鍺的製備1.1.高純矽的製備三氯氫矽還原法矽烷法三氯氫矽還原法粗矽提純到電子級(jí)多晶矽粗矽與氯化氫在200℃以上反應(yīng)

Si十3HCl==SiHCl3+H2實(shí)際反應(yīng)極複雜，除生成SiHCl3外，還可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各種氯化矽烷合成溫度宜低，溫度過高易生成副產(chǎn)物其中三氯代矽烷產(chǎn)量大、品質(zhì)高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前制取多晶矽的主要方法1.2.高純鍺的製備GeCl4二、區(qū)熔提純分凝現(xiàn)象分凝係數(shù)分凝現(xiàn)象將含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化後再結(jié)晶時(shí)，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度是不同，這種現(xiàn)象稱為分凝現(xiàn)象或者偏析現(xiàn)象。固溶度：在一定溫度下固溶體中能夠溶解溶質(zhì)的最大濃度。為溫度的函數(shù)。飽和固溶體：在一定溫度下，固溶體的溶質(zhì)濃度達(dá)到了固溶度。過飽和固溶體：在一定溫度下，固溶體中溶質(zhì)濃度超過了固溶度。過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，它要析出固溶體中過量的溶質(zhì)

脫溶沉澱。分凝係數(shù)分凝係數(shù)是一定溫度下，雜質(zhì)在固液兩相中濃度的比值平衡分凝係數(shù)有效分凝係數(shù)BPS公式平流區(qū)，擴(kuò)散形式，雜質(zhì)分佈不均勻湍流區(qū)，熱對(duì)流形式，雜質(zhì)分佈均勻

對(duì)確定的溶液系統(tǒng)，平衡分凝係數(shù)ko是常數(shù)，故有效分凝係數(shù)keff與晶體生長(zhǎng)速率f，溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散係數(shù)D，邊界層厚度

有關(guān)。而

又和溶液的自然對(duì)流和攪拌有關(guān)。區(qū)熔原理將一材料錠條全部熔化後，使其從一端向另一端逐漸凝固，這樣的凝固方式將正常凝固。由於存在分凝現(xiàn)象，正常凝固後錠條中的雜質(zhì)分佈是不均勻的，會(huì)出現(xiàn)三種情況：1.K<1，雜質(zhì)濃度越接近尾部越大，向尾部集中2.K>1，雜質(zhì)濃度越接近頭部越大，向頭部集中3.K~1，雜質(zhì)基本保持原有的均勻分佈的方式1231(初始區(qū)域)：由於ko<1，熔區(qū)中溶質(zhì)濃度逐漸

，直至CL/ko2(均勻區(qū)域)：進(jìn)入熔化材料與離開熔區(qū)的濃度相等3(最後區(qū)域)：熔區(qū)長(zhǎng)度減小，使溶質(zhì)濃度上升（等價(jià)於溶質(zhì)保守系統(tǒng)的分凝）一次區(qū)熔提純多次區(qū)熔和極限分佈多次區(qū)熔提純後，雜質(zhì)分佈狀態(tài)將達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且不再改變的狀態(tài)，把這種極限狀態(tài)叫做極限分佈或最終分佈影響區(qū)熔提純的因素熔區(qū)長(zhǎng)度熔區(qū)移動(dòng)速度區(qū)熔次數(shù)的選擇品質(zhì)輸運(yùn)三、單晶生長(zhǎng)熱力學(xué)認(rèn)為：晶體生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，是從非平衡相向平衡相過度的過程。當(dāng)體系達(dá)到兩相熱力學(xué)平衡時(shí)，並不生成新相，只有在舊相處於過飽和狀態(tài)時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)新相。晶體生長(zhǎng)分成三大類：1.固相生長(zhǎng)2.液相生長(zhǎng)3.氣相生長(zhǎng)3.1晶體形成的熱力學(xué)條件均勻單相並處於穩(wěn)定條件下的熔體或溶液，一旦進(jìn)入過冷卻或過飽和狀態(tài)，系統(tǒng)就具有結(jié)晶的趨向。

△G=△G體（-）+△G表（+）=V△GV+AγLS

設(shè)恒溫、恒壓條件下，從過冷液體中形成的新相呈球形，球半徑為r，由熱力學(xué)可知在等溫等壓下有

ΔG=ΔH-TΔS在平衡條件下ΔG=0，則有ΔH-TΔS=0若在任意一溫度T的不平衡條件下，則有

ΔG=ΔH－TΔS≠0相變過程要自發(fā)進(jìn)行，必須有

ΔG＜0，則ΔHΔT／T0＜0。均勻成核（homogeneousnucleation）—晶核從均勻的單相熔體中產(chǎn)生的幾率處處是相同的。非均勻核化（heterogeneousnucleation）—借助於表面、介面、微粒裂紋、器壁以及各種催化位置等而形成晶核的過程。

3.2均勻成核晶胚亞穩(wěn)晶核，穩(wěn)定晶核，臨界晶核臨界晶核：能夠穩(wěn)定存在的且能成長(zhǎng)為新相的核胚。

為相變活化能。它是描述相變發(fā)生時(shí)形成臨界晶核所必須克服的勢(shì)壘。非均勻成核3.3晶核長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)模型1927年：Kossel和Stranski，光滑介面二維成核生長(zhǎng) 模型1949年：Frank，缺陷介面螺位錯(cuò)生長(zhǎng)模型1951年：Burton,Cabrera,Frank，總結(jié)，提出介面生 長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論模型，BCF理論模型1958年：Jackson，粗糙介面理論模型1966年：Temkin，彌散介面理論模型1973年：Hartman等，週期鍵鏈理論模型，PBC模型90年代：仲維卓，負(fù)離子配位多面體生長(zhǎng)基元理論模型完整突變光滑面非完整突變光滑面粗糙突變面擴(kuò)散面完整突變光滑面光滑面為前提一個(gè)中性原子在晶格上的穩(wěn)定性是由其受到周圍原子的作用力大小決定的晶體表面上不同格點(diǎn)位置所受的吸引力不相同二維成核理論非完整突變光滑面螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)作為晶體生長(zhǎng)的臺(tái)階源，當(dāng)生長(zhǎng)基元擴(kuò)散到臺(tái)階處，臺(tái)階就向前推進(jìn)，晶體就生長(zhǎng)了。特點(diǎn)：1.永不消失的臺(tái)階2.不需要二維成核過程3.生長(zhǎng)連續(xù)，過飽和度低SiC:生長(zhǎng)卷線NaCl:蒸發(fā)卷線汽相生長(zhǎng)的SiC雙卷線傑克遜介面平衡結(jié)構(gòu)理論兩種原子：1.已經(jīng)轉(zhuǎn)變成晶體的原子，它們只在晶格點(diǎn)附件振動(dòng)，其位置是固定2.流體相原子，它們的位置隨時(shí)間而變化

半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)2.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2.1.1晶體2.1.2晶體結(jié)構(gòu)2.1.3晶體類型2.1.1晶體晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律週期性地重複排列構(gòu)成的固體物質(zhì)，具有規(guī)則幾何外形。晶體之所以具有規(guī)則的幾何外形，是因其內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)作規(guī)則的排列，實(shí)際上是晶體中最基本的結(jié)構(gòu)單元重複出現(xiàn)的結(jié)果。晶胞參數(shù)我們把晶體中重複出現(xiàn)的最基本的結(jié)構(gòu)單元叫晶胞。構(gòu)成晶胞的六面體的三個(gè)邊長(zhǎng)a、b、c及三個(gè)夾角α、β、γ稱為晶胞參數(shù)。它們決定了晶胞的大小和形狀。七大晶系晶系晶軸夾角立方a=b=cα=β=γ=900四方a=b≠cα=β=γ=900

正交a≠b≠cα=β=γ=900

三方a=b=cα=β=γ≠900

六方a=b≠cα=β=900，γ=1200

單斜a≠b≠cα=γ=900，β≠900

三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠900立方

Cubic四方Tetragonal正交Rhombic三方

Rhombohedral六方

Hexagonal單斜

Monoclinic三斜

Triclinic2.1.3晶體結(jié)構(gòu)一般表達(dá)一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，需要給出：

1.晶系；

2.晶胞參數(shù)；

3.晶胞中所包含的原子或分子數(shù)Z；

4.特徵原子的座標(biāo)。（1）晶胞中質(zhì)點(diǎn)的佔(zhàn)有率體心面心棱邊頂角立方晶胞體心：1面心：1/2棱邊：1/4頂點(diǎn)：1/8晶胞中各質(zhì)點(diǎn)的佔(zhàn)有率（2）密排堆積方式密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢(shì)能盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常見的密排堆積方式的種類有：簡(jiǎn)單立方堆積體心立方堆積面心立方堆積密排六方堆積金剛石型堆積簡(jiǎn)單立方堆積體心立方堆積面心立方堆積密排六方堆積金剛石型堆積109o28′半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體材料金剛石型Si，金剛石，Ge閃鋅礦型GaAs，ZnO，GaN，SiC纖鋅礦型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO2.1.3晶體類型金屬晶體通過金屬鍵而形成的晶體

離子晶體通過離子鍵而形成的晶體分子晶體通過分子間作用力而形成的晶體原子晶體通過共價(jià)鍵形成的晶體2.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.2.1原子結(jié)構(gòu)和原子能級(jí)2.2.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)2.2.3半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4半導(dǎo)體的載流子2.2.1單原子結(jié)構(gòu)波爾理論①核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動(dòng),且不輻射能量②基態(tài)：能量最低；能級(jí)：軌道的不同能量狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：電子被激發(fā)到高能量軌道上③激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，躍遷到低能級(jí)，以光的形式釋放能量。電子原子核原子能級(jí)結(jié)構(gòu)圖基態(tài)激發(fā)態(tài)E1＝－13.6eVE2＝－3.4eVE3＝－1.51eVE4＝－0.85eV多電子原子能級(jí)晶體是由大量的原子組成，由於原子間距離很小，原來孤立原子的各個(gè)能級(jí)將發(fā)生不同程度的交疊：1.電子也不再完全局限於某一個(gè)原子，形成“共有化”電子。2.原來孤立的能級(jí)便分裂成彼此相距很近的N個(gè)能級(jí)，準(zhǔn)連續(xù)的，可看作一個(gè)能帶原子能級(jí)分裂為能帶原子能級(jí)能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶2.2.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)孤立原子的電子狀態(tài)孤立原子的電子只在該原子核的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)金屬的電子狀態(tài)金屬元素的價(jià)電子為所有原子（或離子）所共有，可以在整個(gè)金屬晶格的範(fàn)圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，稱為自由電子。自由電子是在一恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)晶體中的某一個(gè)電子是在週期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢(shì)場(chǎng)以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)也是週期性變化的，而且它的週期與晶格的週期相同。兩者的共同點(diǎn)在於都有一個(gè)恒定的勢(shì)場(chǎng)。因而可以先分析自由電子的狀態(tài)，接著再考慮加上一個(gè)平均場(chǎng)後的電子狀態(tài)（1）自由電子的薛定諤方程自由電子與時(shí)間因素?zé)o關(guān)，因而波函數(shù)可以表示為：自由電子所遵守的薛定諤方程為：（1）自由電子的電子狀態(tài)粒子：品質(zhì)為m0，速度為波：波數(shù)為k，頻率為f波粒二象性自由電子的電子狀態(tài)自由電子E與k的關(guān)係自由電子的能量E與波失k的關(guān)係呈拋物線形狀。波失k可以描述自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的k值標(biāo)誌自由電子的不同狀態(tài)波失k的連續(xù)變化，自由電子的能量是連續(xù)能譜，從零到無限大的所有能量值都是允許的。Ek（2）晶體中的電子狀態(tài)在自由電子的薛定諤方程上再考慮一個(gè)週期性勢(shì)場(chǎng)晶體中電子所遵守的薛定諤方程為：晶體中電子的E(k)與K的關(guān)係EkEgResultedfromr+Resultedfromr-p/a2p/a-p/a-2p/a0布裏淵區(qū)晶體中電子的能量E和波失k的關(guān)係曲線基本和自由電子的關(guān)係曲線一樣，但在時(shí)，能量出現(xiàn)不連續(xù)，形成了一系列的允帶和禁帶。每一個(gè)布裏淵區(qū)對(duì)應(yīng)於一個(gè)允帶禁帶出現(xiàn)在處，即出現(xiàn)在布裏淵區(qū)邊界上2.2.3半導(dǎo)體中的電子分佈能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶電子分佈原則1.最低能量原理電子在核外排列應(yīng)儘先分佈在低能級(jí)軌道上,使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最低。2.Pauli不相容原理每個(gè)原子軌道中最多容納兩個(gè)自旋方式相反的電子。3.Hund規(guī)則

在能級(jí)簡(jiǎn)並的軌道上，電子盡可能自旋平行地分占不同的軌道；全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)比較穩(wěn)定費(fèi)米－狄拉克分佈電子和空穴在允帶能級(jí)上的分佈遵守費(fèi)米－狄拉克分佈。能量為E能級(jí)電子佔(zhàn)據(jù)的幾率為

f(E)稱為費(fèi)米分佈函數(shù)，EF為費(fèi)米能級(jí)2.2.4半導(dǎo)體的載流子電子空穴（1）電子價(jià)帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶後，形成了傳導(dǎo)電子傳導(dǎo)電子參與導(dǎo)電電子帶有負(fù)電荷－q，還具有負(fù)的有效品質(zhì)傳導(dǎo)電子價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶（2）空穴價(jià)帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶後，價(jià)帶中就留下了一些空狀態(tài)激發(fā)一個(gè)電子到導(dǎo)帶，價(jià)帶中就出現(xiàn)一個(gè)空狀態(tài)把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴空穴不僅有正電荷＋q，還具有正的有效品質(zhì)。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶空穴半導(dǎo)體的導(dǎo)電特徵導(dǎo)帶上的電子參與導(dǎo)電價(jià)帶上的空穴也參與導(dǎo)電半導(dǎo)體具有電子和空穴兩種載流子金屬只有電子一種載流子2.2.5半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg>6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)體直接帶隙和間接帶隙直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位於k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動(dòng)量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體例子：GaAs，GaN，ZnO價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位於k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動(dòng)量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體例子：Si，Ge直接躍遷和間接躍遷考慮到光子的動(dòng)量較小，可以忽略因而電子吸收或放出一個(gè)光子，發(fā)生躍遷時(shí)電子的動(dòng)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恆，必須有聲子參加，因而發(fā)生間接躍遷的概率要小得多2.3半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷2.3.1本征半導(dǎo)體2.3.2n型半導(dǎo)體2.3.3p型半導(dǎo)體2.3.1本征半導(dǎo)體完全純淨(jìng)、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體也存在電子和空穴兩種載流子但電子數(shù)目n和空穴數(shù)目p一一對(duì)應(yīng)，數(shù)量相等，n＝p。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶空穴傳導(dǎo)電子實(shí)際晶體不是理想情況1.原子並不是靜止在具有嚴(yán)格週期性的晶格格點(diǎn)位置上，而是在平衡位置附近振動(dòng)；2.半導(dǎo)體材料並不是純淨(jìng)的，而是含有若干雜質(zhì)；

3.實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)並不是完整無缺的，而是存在著各種缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷和麵缺陷2.3.2雜質(zhì)半導(dǎo)體為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入雜質(zhì)，這些半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，可以分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體後面以矽摻雜為例子進(jìn)行說明矽是化學(xué)週期表中的第IV族元素，每一個(gè)矽原子具有四個(gè)價(jià)電子，矽原子間以共價(jià)鍵的方式結(jié)合成晶體。2.3.3N型半導(dǎo)體P是第V族元素，每一個(gè)P原子具有5個(gè)價(jià)電子P替位式摻入Si中，其中四個(gè)價(jià)電子和周圍的矽原子形成了共價(jià)鍵，還剩餘一個(gè)價(jià)電子相當(dāng)於形成了一個(gè)正電中心P＋和一個(gè)多餘的價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5額外的電子N型半導(dǎo)體的概念在矽或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。V族雜質(zhì)在矽中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子並形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)。施主電離能和施主能級(jí)多餘的價(jià)電子束縛在正電中心P＋的周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電電子。使價(jià)電子擺脫束縛所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能ECEVEDEgEV－－價(jià)帶能級(jí)EC－－導(dǎo)帶能級(jí)ED－－施主能級(jí)Eg－－帶隙寬度多子和少子N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度遠(yuǎn)大於空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。2.3.4P型半導(dǎo)體B是第III族元素，每一個(gè)B原子具有3個(gè)價(jià)電子B替位式摻入Si中，當(dāng)它和周圍的原子形成了共價(jià)鍵時(shí)，還缺少一個(gè)價(jià)電子，必須從別處矽原子中奪取一個(gè)價(jià)電子，於是在矽晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴相當(dāng)於形成了一個(gè)負(fù)電中心B－和一個(gè)多餘的空穴額外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體的概念在矽或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)體)。常用的3價(jià)雜質(zhì)元素有硼、鎵、銦等III族雜質(zhì)在矽中電離時(shí)，能夠釋放空穴而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴並形成負(fù)電中心，稱為受主雜質(zhì)。受主電離能和受主能級(jí)多餘的空穴束縛在負(fù)電中心B－的周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電空穴。使空穴擺脫束縛所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能ECEVEDEgEV－－價(jià)帶能級(jí)EC－－導(dǎo)帶能級(jí)ED－－施主能級(jí)Eg－－帶隙寬度自補(bǔ)償效應(yīng)有些半導(dǎo)體中，既有n型雜質(zhì)又有p型雜質(zhì)N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)先相互補(bǔ)償，稱為自補(bǔ)償效應(yīng)。ECEVEgED熱平衡條件ni為本征載流子濃度溫度一定時(shí)，兩種載流子濃度乘積等於本征濃度的平方。本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體電中性條件

整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。例子：本征矽中摻入0.0000002%的磷雜質(zhì)（原子比），已知矽的原子密度為5×1022/cm3，ni＝1.5×1010/cm3求：摻雜前後多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的變化？2.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性2.4.1歐姆定律2.4.2電導(dǎo)率2.4.3霍爾效應(yīng)2.4.1歐姆定律歐姆定律

R是比例係數(shù)，稱為導(dǎo)體的電阻，單位為歐姆（Ω）電阻的大小不僅與導(dǎo)體的電性能有關(guān)，還與導(dǎo)體的面積S、長(zhǎng)度L有關(guān)。

ρ稱為電阻率，單位為（Ω·cm）電流密度電流密度是指通過垂直於電流方向的單位面積的電流均勻?qū)w，電流密度電場(chǎng)強(qiáng)度歐姆定律的微分形式LVE遷移率假設(shè)電子平均速度為vd，電子濃度為n，電流密度為平均速度和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比電流密度電導(dǎo)率稱為電子遷移率，表示單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度2.4.2電導(dǎo)率電子的電導(dǎo)率

n是電子濃度，是電子的遷移率空穴的電導(dǎo)率

p是電子濃度，是電子的遷移率本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體，n＝pN型半導(dǎo)體，n>>pP型半導(dǎo)體，n<<p2.4.3霍爾效應(yīng)1879年，24歲的美國(guó)人霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受力的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)“電流通過金屬，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生橫向電動(dòng)勢(shì)”，這個(gè)效應(yīng)後來被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是測(cè)量半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型、載流子濃度和遷移率等基本性能和霍爾效應(yīng)器件應(yīng)用的基礎(chǔ)?；魻栃?yīng)示意圖BZIxvfBP型半導(dǎo)體薄片：長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為d磁場(chǎng)方向(z方向）與薄片垂直，電流方向?yàn)閤方向LbdfExyz空穴的運(yùn)動(dòng)方向和電流方向一致，沿x軸方向空穴在運(yùn)動(dòng)過程中，受到洛侖茲力fB的作用（左手定則），在y側(cè)面形成正電荷積累，而形成橫向的電場(chǎng)Ey。穩(wěn)定時(shí)，橫向電場(chǎng)對(duì)空穴的作用力和洛侖茲力相平衡霍爾係數(shù)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體2.5半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)2.5.1光的基本性質(zhì)2.5.2光與原子的相互作用2.5.3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)2.5.1光的基本性質(zhì)光色波長(zhǎng)(nm)

頻率(Hz)中心波長(zhǎng)(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430無線電波波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振盪。由於波長(zhǎng)很長(zhǎng)，一個(gè)金屬網(wǎng)籠，甚至橋樑上的鋼架就可以將其阻止。微波波長(zhǎng)範(fàn)圍分佈從毫米到幾十釐米，他們?cè)谑澄镅Y很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）分佈在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測(cè)到。蛇和其他一些生物對(duì)紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應(yīng)。紫外線（UV）頻率高於可見光的，不能引起視覺，對(duì)生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護(hù)著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會(huì)曬黑皮膚或使進(jìn)行日光浴的人體產(chǎn)生曬斑。X射線：波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數(shù)物質(zhì)。其波長(zhǎng)可與原子尺寸相比擬。γ射線和宇宙射線：波長(zhǎng)最短，波長(zhǎng)尺寸約為原子核大小量級(jí)；

γ射線產(chǎn)生於核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過程；宇宙射線來自地球之外的空間。2.5.2光與原子的相互作用自發(fā)輻射受激吸收受激輻射自發(fā)輻射原子自發(fā)地從高能級(jí)返回到低能級(jí)並放出光子的過程，稱為自發(fā)輻射特點(diǎn)：

1.原子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立的，與外界作用無關(guān)；

2.光的振動(dòng)方向、相位都不一定相同，不是相干光。hnE2E1受激吸收原子吸收能量為hv=E2－E1的光子，從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2的過程稱為光的吸收，又稱為受激吸收。特點(diǎn)：

1.不是自發(fā)產(chǎn)生的，必須有外來光子的“刺激”才會(huì)產(chǎn)生

2.外來光子必須符合hv=E2－E1的條件。hnE2E1受激輻射能量為hv的光子照射進(jìn)來，電子被這一光子激發(fā)而從E2能級(jí)跳到E1能級(jí)，併發(fā)射一個(gè)光子，稱為受激輻射。特點(diǎn)：

1.受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同

2.具有光的放大作用。hnE2E1hn全同光子2.5.3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)直接複合—高效率（僅有光子參與的電子躍遷）間接複合—低效率（有光子和聲子同時(shí)參與的電子躍遷）本征半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)1.直接帶間躍遷2.間接帶間躍遷（有聲子參與）3.無輻射多聲子馳豫過程ECEVED123N型半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)ECEVED123451.直接帶間躍遷2.間接帶間躍遷（有聲子參與）3.無輻射多聲子馳豫過程4.導(dǎo)帶電子和雜質(zhì)能級(jí)間的躍遷5.激子（“e—h”）或束縛激子的複合P型半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)1.直接帶間躍遷2.間接帶間躍遷（有聲子參與）3.無輻射多聲子馳豫過程4.導(dǎo)帶電子和雜質(zhì)能級(jí)間的躍遷5.激子（“e—h”）或束縛激子的複合ECEVED12345

元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體材料3.1矽3.2鍺3.3硼、磷、硒和碲等週期表中與半導(dǎo)體相關(guān)元素週期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al矽Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te3.1矽矽石(矽的氧化物)、水晶早為古代人所認(rèn)識(shí)，古埃及就已經(jīng)用石英砂為原料製造玻璃。由於矽石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除了氫氟酸外，什麼酸也不能侵蝕它、溶解它，因此長(zhǎng)期以來人們把它看成是不能再分的簡(jiǎn)單物質(zhì)。大約在18世紀(jì)70年代，化學(xué)家們用螢石與硫酸作用發(fā)現(xiàn)氫氟酸以後，便打開了人們認(rèn)識(shí)矽石複雜組成的大門。尤其在電池發(fā)明以後，化學(xué)家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉，初步找到了把矽從它的化合物中分離出來的途徑。

1823年，瑞典化學(xué)家貝采裏烏斯(BerzeliusJ.J.)用金屬鉀還原四氟化矽或用金屬鉀與氟矽酸鉀共熱，首次制得較純的粉狀單質(zhì)矽。1854年，法國(guó)人德維爾（S.C.Deville）用混合物氯化物熔鹽電解法制得晶體矽。地殼中各元素的含量矽的分佈矽在自然界分佈極廣，地殼中約含27.6％，在自然界中是沒有游離態(tài)的矽主要以二氧化矽和矽酸鹽的形式存在。SiO2水晶瑪瑙石英坩堝光導(dǎo)纖維3.1.1矽的化學(xué)性質(zhì)原子序數(shù)14，相對(duì)原子品質(zhì)28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬於元素週期表上IVA族的類金屬元素。14Si32Ge晶體矽晶體矽為鋼灰色，密度2.4

g／cm3，熔點(diǎn)1420℃，沸點(diǎn)2355℃，晶體矽屬於原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。矽化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定常溫下，只與強(qiáng)鹼、氟化氫、氟氣反應(yīng)高溫下，較活潑①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO2表面易純化，形成本征二氧化矽層二氧化矽層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用：

1.對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用；

2.對(duì)器件的表面保護(hù)和鈍化作用

3.用於器件的絕緣隔離層

4.用作MOS器件的絕緣柵材料等3.1.2矽的晶體結(jié)構(gòu)109o28′矽原子——[SiO2]四面體氧原子能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)價(jià)帶：輕空穴和重空穴補(bǔ)充：有效品質(zhì)有效品質(zhì)的意義引進(jìn)有效品質(zhì)後，半導(dǎo)體中電子所受的外力和加速度的關(guān)係和牛頓第二定律類似；描述電子運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)的是有效品質(zhì)，而不是慣性品質(zhì)m0當(dāng)有外力作用下，電子一方面受到外電場(chǎng)力的作用，同時(shí)還和其他電子相互作用著，電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效果但找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式並求加速度比較困難，引進(jìn)有效品質(zhì)後，就可以把內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)概括在有效品質(zhì)裏有效品質(zhì)與能量函數(shù)關(guān)係能帶越窄，二次微商越小，有效品質(zhì)越大；能帶越寬，二次微商越大，有效品質(zhì)越?。粌?nèi)層電子的能帶窄，有效品質(zhì)大；外層電子的能帶寬，有效品質(zhì)小。輕空穴和重空穴輕空穴－－－有效品質(zhì)小重空穴－－－有效品質(zhì)大3.1.3電學(xué)性質(zhì)本征載流子濃度

1.本征半導(dǎo)體在一定溫度下，就會(huì)在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，從而形成本征載流子濃度。

2.溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，並且自由電子與空穴的濃度相等。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。晶體中電子的E(k)與K的關(guān)係EkEgResultedfromr+Resultedfromr-p/a2p/a-p/a-2p/a0補(bǔ)充：如何推導(dǎo)出NC能態(tài)密度：在能帶中能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)費(fèi)米分佈在熱平衡條件下，電子按其能量大小具有一定的統(tǒng)計(jì)分佈規(guī)律，也就是說電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計(jì)分佈機(jī)率是一定的。導(dǎo)帶中的電子濃度在能量E～E＋dE間的電子數(shù)dN導(dǎo)帶底能帶密度Nc價(jià)帶頂?shù)目昭舛缺菊鬏d流子濃度1.電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級(jí)無關(guān)2.對(duì)於一個(gè)給定的半導(dǎo)體材料，乘積只取決於溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)Si的本征載流子濃度溫度T=300K，Eg=1.12eV電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率電阻率輕摻雜摻雜濃度為1017cm-3中度摻雜摻雜濃度為1017～1019cm-3重?fù)诫s摻雜濃度大於1019cm-3雜質(zhì)離子100%電離載流子濃度低於摻雜濃度習(xí)題1本征矽的電導(dǎo)率輕摻雜半導(dǎo)體習(xí)題2摻雜P濃度為1×1017cm-33.1.5矽中的雜質(zhì)1.n型摻雜劑：P，As，Sb2.p型摻雜劑：B3.輕元素雜質(zhì)：O，C，N，H，O4.過渡族金屬雜質(zhì)：Fe，Cu，NiO的危害熱處理過程中，過飽和間隙氧會(huì)在晶體中偏聚，沉澱而形成氧施主、氧沉澱和二次缺陷等；氧沉澱過大會(huì)導(dǎo)致矽片翹曲，並引入二次缺陷；C的危害C會(huì)降低擊穿電壓，增加漏電流；C會(huì)促進(jìn)氧沉澱和新施主的形成；C會(huì)抑制熱施主的形成H的作用H在矽中處於間隙位置，可以正負(fù)離子兩種形態(tài)出現(xiàn)；H在矽中形成H-O複合體H能促進(jìn)氧的擴(kuò)散和熱施主的形成；H會(huì)鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性；H能鈍化晶體的表面或介面，提高器件的性能過渡金屬的危害在矽中形成深能級(jí)中心或沉澱而影響器件的電學(xué)性能；減少少子擴(kuò)散長(zhǎng)度從而降低壽命；形成金屬複合體，影響器件和材料的性能2.1.6矽中的缺陷原生缺陷二次缺陷外延材料中的缺陷3.1.7矽的用途高純的單晶矽是重要的半導(dǎo)體材料；金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料；光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段；性能優(yōu)異的矽有機(jī)化合物等1）重要的半導(dǎo)體材料矽可用來製造積體電路、電晶體等半導(dǎo)體器件太陽能電池2）高溫材料金屬陶瓷的重要材料：將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，製成金屬陶瓷複合材料，它耐高溫，富韌性，可以切割，既繼承了金屬和陶瓷的各自的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者的先天缺陷。宇宙航行的重要材料耐高溫隔熱層，太空梭能抵擋住高速穿行稠密大氣時(shí)磨擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬一千塊矽瓦拼砌成的外殼。3）光導(dǎo)纖維通信用純二氧化矽拉制出高透明度的玻璃纖維，鐳射在玻璃纖維的通路裏，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。光纖通信容量高，一根頭髮絲那麼細(xì)的玻璃纖維，可以同時(shí)傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。3.2鍺1871年，俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫寓言，元素週期表Si和Sn之間存在著一個(gè)“類矽”的元素。1886年，德國(guó)科學(xué)家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦中分離出Ge，並將其命名為Ge（Germanium）以紀(jì)念他的祖國(guó)。Ge是半導(dǎo)體研究的早期樣板材料，在20世紀(jì)50年代，Ge是主要的半導(dǎo)體電子材料目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學(xué)等方面。鍺的分佈鍺在地殼中含量約為2×10-4%，但分佈極為分散，常歸於稀有元素；1.在煤和煙灰中；2.與金屬硫化物共生；3.鍺礦石鍺的制取鍺來源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成四氯化鍺；制取的四氯化鍺經(jīng)過精餾，萃取等提純水解生成二氧化鍺；用氫氣還原成高純鍺進(jìn)一步區(qū)熔提純成高純鍺

化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料III－V族化合物半導(dǎo)體材料II－VI族化合物半導(dǎo)體材料4.1常見的III-V化合物半導(dǎo)體化合物晶體結(jié)構(gòu)帶隙niunupGaAs閃鋅礦1.421.3×1068500320GaP閃鋅礦2.27150120GaN纖鋅礦3.490010InAs閃鋅礦0.358.1×10143300450InP閃鋅礦1.356.9×1075400150InN纖鋅礦2.054400AlN纖鋅礦6.2430014III-V族化合物半導(dǎo)體性質(zhì)（1）帶隙較大－－帶隙大於1.1eV（2）直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)－－光電轉(zhuǎn)換效率高（3）電子遷移率高－－高頻、高速器件帶隙和溫度的關(guān)係計(jì)算：GaAs300K和400K下的帶隙晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)離子鍵和極性共價(jià)鍵－－沒有極性離子鍵－－有極性兩者負(fù)電性相差越到，離子鍵成分越大，極性越強(qiáng)。極性的影響（1）解理面－－密排面（2）腐蝕速度－－B面易腐蝕（3）外延層品質(zhì)－－B面品質(zhì)好（4）晶片加工－－不對(duì)稱性4.1.1GaAS能帶結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)GaAs能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)雙能穀輕空穴和重空穴帶隙為1.42eVGaAs物理性質(zhì)GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤分子量為144.64原子密度4.42×1022/cm3GaAs化學(xué)性質(zhì)GaAs室溫下不溶於鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶於王水室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解GaAs電學(xué)性質(zhì)電子的速度有效品質(zhì)越低，電子速度越快GaAs中電子有效品質(zhì)為自由電子的1/15，是矽電子的1/3用GaAs製備的電晶體開關(guān)速度比矽的快3~4倍高頻器件，軍事上應(yīng)用本征載流子濃度GaAs光學(xué)性質(zhì)直接帶隙結(jié)構(gòu)發(fā)光效率比其他半導(dǎo)體材料要高得多，可以製備發(fā)光二極體，光電器件和半導(dǎo)體雷射器等4.1.2GaAs的應(yīng)用GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢(shì)GaAs是功率放大器的主流技術(shù)1）GaAs在無線通訊方面砷化鎵晶片與矽晶片主要差別，在於它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由於其頻率高，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸品質(zhì)好，可攜帶資訊量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠(yuǎn)程通訊要求。一般訊息在傳輸時(shí)，因?yàn)榫嚯x增加而使所能接收到的訊號(hào)越來越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚”甚至“收不到信號(hào)”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點(diǎn)，在於傳輸時(shí)的功率損耗比矽晶片小很多，成功克服訊號(hào)傳送不佳的障礙。砷化鎵具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號(hào)錯(cuò)誤，特別適用於避免衛(wèi)星通訊時(shí)暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題。砷化鎵與矽元件特性比較砷化鎵矽最大頻率範(fàn)圍2～300GHz<1GHz最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率高低抗輻射性高低具光能是否高頻下使用雜訊少雜訊多，不易克服功率耗損小高元件大小小大材料成本高低產(chǎn)品良率低高GaAs非常適合高頻無線通訊應(yīng)用領(lǐng)域頻率範(fàn)圍個(gè)人通訊服務(wù)900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS）2.2～2.4GHz（3Gwireless）有線電視50～1000MHzGPS1.6GHz衛(wèi)星電視11～13GHzWirelessLAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-pointRadio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型衛(wèi)星地面站）6、14、28GHz衛(wèi)星移動(dòng)電話1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）寬頻衛(wèi)星服務(wù)28GHz汽車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)76～77GHz電子收費(fèi)系統(tǒng)5.8GHz2）GaAs是功率放大器的主流技術(shù)砷化鎵具備許多優(yōu)異特性，但材料成本及良品率方面比不上矽，因基頻部分以處理數(shù)字信號(hào)為主，內(nèi)部組件多為主動(dòng)組件、線路分佈密集，故以細(xì)微化和高集成度純矽CMOS制程為主。手機(jī)中重要關(guān)鍵零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由於對(duì)放大功率的嚴(yán)格要求，因此使用GaAs製造將是最佳方式。GaAs在無線通訊射頻前端應(yīng)用具有高工作頻率、低雜訊、工作溫度使用範(fàn)圍高以及能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來幾年內(nèi)仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術(shù)。手機(jī)是促進(jìn)GaAsIC市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Ω鶕?jù)StrategyAnalytics的報(bào)告，手機(jī)仍將是促進(jìn)砷化鎵（GaAs）IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Α?004年GaAs晶片市場(chǎng)29億美元，2008年將達(dá)37億美元GaAs器件市場(chǎng)將繼續(xù)主要依賴無線市場(chǎng)，手機(jī)市場(chǎng)是主要增長(zhǎng)動(dòng)力，2003年無線市場(chǎng)占GaAs器件總體需求的41%以上，來自汽車?yán)走_(dá)等其他應(yīng)用的需求將會(huì)增長(zhǎng)，但2008年手機(jī)仍將至少占GaAs市場(chǎng)的33%隨著手機(jī)需求成長(zhǎng)，以及每支手機(jī)所需PA從單頻增為雙頻和三頻，預(yù)計(jì)光手機(jī)這項(xiàng)需求，2008年GaAs晶片將達(dá)到30億顆國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)比目前我國(guó)在研製通信用砷化鎵器件方面尚處於起步階段。手機(jī)用砷化鎵電路基本靠進(jìn)口。隨著我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)砷化鎵器件需求越來越大。砷化鎵電路用於手機(jī)的功放和開關(guān)部分，還可用於移動(dòng)通信基站、光通信、衛(wèi)星通信、CATV、軍事通信等重要用途，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。3）GaAs還有更多的應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信具有高速、大容量、資訊多的特點(diǎn)，是構(gòu)築“資訊高速公路”的主幹，大於2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，其收發(fā)系統(tǒng)均需要採(cǎi)用GaAs超高速專用電路。隨著光電子產(chǎn)業(yè)和自動(dòng)化的發(fā)展，用作顯示器件LED、測(cè)距、玩具、條碼識(shí)別等應(yīng)用的高亮度發(fā)光管、可見光雷射器、近紅外雷射器、量子阱大功率雷射器等均有極大市場(chǎng)需求，還有GaAs基高效太陽能電池的用量也十分大，對(duì)低阻低位錯(cuò)GaAs產(chǎn)業(yè)的需求十分巨大而迫切。我國(guó)數(shù)十億只LED管芯，所有的可見光雷射器、高亮度發(fā)光管、近紅外雷射器等幾乎都依靠進(jìn)口，因此生產(chǎn)高質(zhì)量的低阻GaAs單晶，促進(jìn)LED管芯、可見光雷射器、高亮度發(fā)光管和高效率高效太陽能電池的商品化生產(chǎn)，將有力地發(fā)展我國(guó)民族的光電子產(chǎn)業(yè)。4.1.2InP1910年，蒂爾合成出InP，是最早製備出來的III-V族化合物；InP單晶體呈暗灰色，有金屬光澤室溫下與空氣中穩(wěn)定，3600C下開始離解InP特性高電場(chǎng)下，電子峰值漂移速度高於GaAs中的電子，是製備超高速、超高頻器件的良好材料；InP作為轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)器件材料，某些性能優(yōu)於GaAsInP的直接躍遷帶隙為1.35eV，正好對(duì)應(yīng)於光纖通信中傳輸損耗最小的波段；InP的熱導(dǎo)率比GaAs好，散熱效能好InP是重要的襯底材料4.1.3GaN寬頻隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（2.3～6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜範(fàn)圍，是到目前為止其他任何半導(dǎo)體材料都無法達(dá)到的GaN禁帶寬度為3.4eVGaN性質(zhì)高頻特性，可以達(dá)到300GHz（矽為10G，砷化鎵為80G）高溫特性，在300℃正常工作（非常適用於航太、軍事和其他高溫環(huán)境）電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用於惡劣環(huán)境）高壓特性（耐衝擊，可靠性高）大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非常渴望的）發(fā)光二極體LED發(fā)光二極體Light-EmittingDiode是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料製成。當(dāng)通過正向電流時(shí)，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴複合以光的形式釋放出能量。LED應(yīng)用半導(dǎo)體白光照明車內(nèi)照明交通信號(hào)燈裝飾燈大螢?zāi)蝗噬@示系統(tǒng)太陽能照明系統(tǒng)其他照明領(lǐng)域紫外、藍(lán)光雷射器高容量藍(lán)光DVD、鐳射列印和顯示、軍事領(lǐng)域等LED照明的優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效率高，節(jié)省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，螢光燈的1/2。綠色環(huán)保冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少壽命長(zhǎng)壽命可達(dá)10萬小時(shí)固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個(gè)單元尺寸只有3~5mm回應(yīng)速度快，並可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流半導(dǎo)體照明是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一地區(qū)＼條件·效益

條件

能源節(jié)約

降低二氧化碳排放

美國(guó)

5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代

每年節(jié)省350億美元電費(fèi)。

每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。

日本

100％白熾燈被白光LED取代

可少建1-2座核電廠。

每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。

臺(tái)灣

25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代

節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量。

美國(guó)半導(dǎo)體照明計(jì)畫從2000年起國(guó)家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和螢光燈被半導(dǎo)體燈取代每年節(jié)電達(dá)350億美元2015年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)日本21世紀(jì)照明計(jì)畫投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體照明燈高亮度白光LED的實(shí)現(xiàn)基於藍(lán)光LED，通過黃色螢光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光基於紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光Ge：Eg＝0.67eV紅光GaP：Eg＝2.25eV綠光GaN：Eg＝3.4eV藍(lán)光日亞公司1994年首創(chuàng)用MOCVD製備了GaNLED市場(chǎng)分佈分析2003年全球GaN基LED晶片產(chǎn)量按全球LED市場(chǎng)劃分，目前市場(chǎng)主要集中在日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，僅日本、美國(guó)市場(chǎng)就占到全球的60％以上。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，目前，高亮度LED主要用途及市場(chǎng)有顯示器背光源（如手機(jī)、PDA）、標(biāo)誌（如戶外顯示）、景觀照明、汽車、電子設(shè)備、交通信號(hào)燈及照明等。

氮化鎵與其它半導(dǎo)體材料的比較特性單位半導(dǎo)體材料矽砷化鎵磷化銦碳化矽氮化鎵能階帶eV1.11.421.352.33.44300K電子遷移Cm2/vs1500850054007001000~2000飽和電壓107cm/s1.01.31.02.01.3臨界崩潰場(chǎng)效MV/cm0.30.40.53.03.0熱傳導(dǎo)V/cm*k1.50.50.74.5>1.5介電常數(shù)ε11.812.812.510.09.0GaN的應(yīng)用1.實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明。國(guó)內(nèi)外倍加關(guān)注的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源