第二章半导体材料PPT讲稿.ppt

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1、第二章半导体材料第1页，共65页，编辑于2022年，星期二目标目标通过本章学习，能够：通过本章学习，能够：1.能够列出至少三种半导体材料能够列出至少三种半导体材料2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯片制造中的重要性片制造中的重要性3.解释解释N型和型和P型半导体材料在组成和电性能型半导体材料在组成和电性能方面的不同方面的不同4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料第2页，共65页，编辑于2022年，星期二2.1原子结构原子结构自然界中任何事物都是由自然界中任何事物都是由96种稳定元素和种稳定元素和12种不稳定元素组成的。不

2、同原子结构决种不稳定元素组成的。不同原子结构决定了不同的元素特性。定了不同的元素特性。著名物理学家尼尔斯著名物理学家尼尔斯玻尔最早把原子的玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。化学和电性能。第3页，共65页，编辑于2022年，星期二2.1.1玻尔原子模型玻尔原子模型带正电的质子和不带电的中子集中在原子带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核在固定的核中，带负电的电子围绕原子核在固定的轨道上运动。轨道上运动。带正电的质子和带负电的电子之间存在着带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道

3、上运动吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道上。就必须填充到下一个外层轨道上。第4页，共65页，编辑于2022年，星期二元素：同种原子构成的最简单的物质，具元素：同种原子构成的最简单的物质，具有特定的物理和化学性质有特定的物理和化学性质分子：由两个或更多的原子构成，通过化分子：由两个或更多的原子构成，通过化学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一学作用紧密束缚在

4、一起的结构，表现为一个独立单元个独立单元化合物：由两个或更多的原子构成，形成化合物：由两个或更多的原子构成，形成一种性质不同于组分原子的新物质一种性质不同于组分原子的新物质第5页，共65页，编辑于2022年，星期二电子：各个电子占据了包含电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的个不同壳层的轨道，每个壳层对应了一个特定的能级，轨道，每个壳层对应了一个特定的能级，以从以从K到到Q得字母来区分。得字母来区分。电子能级：能量单位是电子伏特（电子能级：能量单位是电子伏特（ev），），代表一个电子从低电势处移动到高出代表一个电子从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。电势处所获得的动能。价电子层：给

5、定一种原子，最外部的电子价电子层：给定一种原子，最外部的电子层就是价电子层，对原子的化学和物理性层就是价电子层，对原子的化学和物理性质具有显著的影响。质具有显著的影响。第6页，共65页，编辑于2022年，星期二固体能带论：解释了固体材料中电子怎样固体能带论：解释了固体材料中电子怎样改变轨道能级。改变轨道能级。离子：当原子失去或得到一个或多个电子离子：当原子失去或得到一个或多个电子时成为离子。时成为离子。电离：从原子中移去电子的过程，产生了电离：从原子中移去电子的过程，产生了带正电的原子或分子。带正电的原子或分子。离子键：当价层电子从一种元素的原子转离子键：当价层电子从一种元素的原子转移到另一个

6、原子上时，形成离子键。移到另一个原子上时，形成离子键。共价键：不同元素的原子共有价层电子，共价键：不同元素的原子共有价层电子，原子通过共有电子来使价层完全填充而变原子通过共有电子来使价层完全填充而变得稳定。得稳定。第7页，共65页，编辑于2022年，星期二2.1.2元素周期表元素周期表原子结构的规则原子结构的规则1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子、在任何原子中都有数量相等的质子和电子2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任、任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。何两种元素有相同数目的质子。“原子序原子序数数”就等于原子中质子的数目。就等于原子中质子的数目。3、有

7、相同最外层电子数的元素有着相似的性、有相同最外层电子数的元素有着相似的性质。质。第8页，共65页，编辑于2022年，星期二4、最外层被填满或者拥有、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是个电子的元素是稳定的，在化学性质上比最外层未填满的稳定的，在化学性质上比最外层未填满的原子更稳定。原子更稳定。5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。条件。第9页，共65页，编辑于2022年，星期二2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性硅片制造中一般化学元素的族特性IA：一个价电子，容易失去，低负电性：一个价电子，容易失去，低负电性不稳定不稳定非常活泼，爆炸性非常活泼

8、，爆炸性形成离子键形成离子键由于污染问题，不推荐使用这族金属由于污染问题，不推荐使用这族金属第10页，共65页，编辑于2022年，星期二IIA：2个价电子个价电子有些不稳定有些不稳定相当活泼相当活泼不推荐使用这族金属不推荐使用这族金属第11页，共65页，编辑于2022年，星期二IIIA：3个价电子个价电子加入到半导体材料中的掺杂元素（主要加入到半导体材料中的掺杂元素（主要是是B）普通的互连导电材料（普通的互连导电材料（AL）第12页，共65页，编辑于2022年，星期二IVA：4个价电子个价电子半导体材料半导体材料形成共价键形成共价键VA：5个价电子个价电子加入到半导体材料中的掺杂元素（主加入到

9、半导体材料中的掺杂元素（主要是要是P和和AS）第13页，共65页，编辑于2022年，星期二VIA：6个价电子个价电子VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性个价电子，容易接受电子，高负电性腐蚀性腐蚀性非常活泼非常活泼形成离子键形成离子键在某些半导体应用中有用：作为刻蚀在某些半导体应用中有用：作为刻蚀和清洗化合物而使用和清洗化合物而使用第14页，共65页，编辑于2022年，星期二VIIIA：8个价电子个价电子稳定，不活泼稳定，不活泼惰性气体惰性气体应用在半导体制造的某些方面是安全的应用在半导体制造的某些方面是安全的第15页，共65页，编辑于2022年，星期二IB：最好的金属导体：最好的金属导

10、体Cu正在取代正在取代AL的互连导体材料的位置的互连导体材料的位置IVBVIB：难熔（高熔点）金属，一般用于：难熔（高熔点）金属，一般用于半导体制造中以改善金属化（尤其半导体制造中以改善金属化（尤其是是Ti、W、Mo、Ta和和Cr）与与Si反应良好，形成具有优良电学反应良好，形成具有优良电学特性的稳定化合物特性的稳定化合物第16页，共65页，编辑于2022年，星期二2.2材料分类材料分类根据流经材料电流的不同可分为三类材料：根据流经材料电流的不同可分为三类材料：导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体第17页，共65页，编辑于2022年，星期二2.2.1导体导体导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导

11、带只导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只需很小的能量。需很小的能量。在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属层之间的互连材料。层之间的互连材料。铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅片制造中取代铝。片制造中取代铝。第18页，共65页，编辑于2022年

12、，星期二空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空位位电子电子空穴对：每个导带电子必定存在一个价带空穴对：每个导带电子必定存在一个价带空穴与之对应，价带电子能够跃空穴与之对应，价带电子能够跃入空穴的位置，从而推动电子的入空穴的位置，从而推动电子的移动和导电。这种状态称之为电移动和导电。这种状态称之为电子子空穴对。空穴对。第19页，共65页，编辑于2022年，星期二复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复合。合。寿命：一个电子从导带移出直到复合所经

13、历的时寿命：一个电子从导带移出直到复合所经历的时间。间。热能促使电子热能促使电子空穴对持续不断的产生并随之复合。空穴对持续不断的产生并随之复合。第20页，共65页，编辑于2022年，星期二电导率与电阻率电导率与电阻率材料传导电流的性质称为导电性。材料传导电流的性质称为导电性。用电阻率（用电阻率（）来表征材料的导电性。电阻率越低）来表征材料的导电性。电阻率越低的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与几何形状无关。通常导体的电阻率在几何形状无关。通常导体的电阻率在10-4欧姆欧姆*厘米厘米以下，绝缘体的电阻率在以下，绝缘体的电阻率在109欧姆欧姆*厘

14、米以上。用厘米以上。用公公式表示式表示：第21页，共65页，编辑于2022年，星期二电阻电阻电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要参数。硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要参数。更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加了非理想效更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加了非理想效应的热损耗。应的热损耗。第22页，共65页，编辑于2022年，星期二2.2.2绝缘体绝缘体绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电子从价带移动到导带很困难，有很低的电子从价带移动到导带很困难，有很低的电导

15、率和很高的电阻率。导率和很高的电阻率。半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是绝缘体。绝缘体。第23页，共65页，编辑于2022年，星期二电容电容电容是被电介质分隔开的两个导电极板上电容是被电介质分隔开的两个导电极板上的电荷存储装置。的电荷存储装置。在半导体结构中，在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层栅结构，被绝缘层隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。介电常数：介电材料是电容器中的关键部介电常数：介电材料是电容器中的关

16、键部分。介电常数分。介电常数K已经成为一个重要的半导体已经成为一个重要的半导体性能参数。性能参数。第24页，共65页，编辑于2022年，星期二2.2.3半导体半导体具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间。这具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为发生在半导体被加热时，因而其导电带。这种行为发生在半导体被加热时，因而其导电性随温度的增加而提高。性随温度的增加而提高。硅硅它是一种半导体材料，有它是一种半导体材料，有4个价电子，位于个价电子，位于IVA族，硅中族，硅中价层电子数目正好位于优质导体

17、（价层电子数目正好位于优质导体（1个价电子）和绝缘个价电子）和绝缘体（体（8个价电子）中间。个价电子）中间。第25页，共65页，编辑于2022年，星期二第26页，共65页，编辑于2022年，星期二硅的熔点是硅的熔点是1412，是一种质硬的脆性材料，变形，是一种质硬的脆性材料，变形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面一样很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面一样平整。平整。本征半导体：本征半导体：不含任何杂质和缺陷的纯净半导体，其纯不含任何杂质和缺陷的纯净半导体，其纯度在度在99.999999%（810个个9）。）。掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中，可提高掺杂半导体：把特定的元素

18、引入到本征半导体中，可提高本征半导体的导电性。本征半导体的导电性。两种特性：两种特性：1.通过掺杂精确控制电阻率通过掺杂精确控制电阻率2.电子和空穴导电电子和空穴导电第27页，共65页，编辑于2022年，星期二半导体具有以下的特殊性质：半导体具有以下的特殊性质：(1)温度的变化能显著的改变半导体的导电能力温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当。当温度升高时，电阻率会降低。比如温度升高时，电阻率会降低。比如Si在在200时电阻率时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是性制成自动控制

19、用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。件失效、报废。第28页，共65页，编辑于2022年，星期二(2)半导体在受到外界光照的作用时导电能力大大提半导体在受到外界光照的作用时导电能力大大提高。高。利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。等。(3)在纯净的半导体

20、中加入微量（千万分之一）的其它元在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。第29页，共65页，编辑于2022年，星期二2.3掺杂半导体的电阻率掺杂半导体的电阻率第30页，共65页，编辑于2022年，星期二2.

21、4电子和空穴的传导电子和空穴的传导N型硅型硅导带电子多于价带空穴导带电子多于价带空穴第31页，共65页，编辑于2022年，星期二P型硅型硅第32页，共65页，编辑于2022年，星期二N型半导体中的电子传导型半导体中的电子传导第33页，共65页，编辑于2022年，星期二P半导体中的空穴传导半导体中的空穴传导第34页，共65页，编辑于2022年，星期二受主：在半导体材料中形成受主：在半导体材料中形成P型导电的掺杂剂型导电的掺杂剂施主：在半导体材料中形成施主：在半导体材料中形成N型导电的掺杂剂型导电的掺杂剂掺杂半导体的特性掺杂半导体的特性第35页，共65页，编辑于2022年，星期二2.5电子和空穴的

22、输运电子和空穴的输运1、热运动、热运动电子或空穴在半导体中的热运动是随机的，又是被碰撞过电子或空穴在半导体中的热运动是随机的，又是被碰撞过程所中断。所以热运动最终并不产生净程所中断。所以热运动最终并不产生净移位或长时间内的移位或长时间内的输运，电子随机热运动的速度输运，电子随机热运动的速度是温度的函数，在室温下这是温度的函数，在室温下这一速度近似为一速度近似为8*106cm/s.第36页，共65页，编辑于2022年，星期二2、漂移运动、漂移运动当在样品上加有电场时，就会有一个附加速度分量与载流当在样品上加有电场时，就会有一个附加速度分量与载流子的热运动相迭加，这个附加分量就是漂移运动。子的热运

23、动相迭加，这个附加分量就是漂移运动。电子的漂移运动方向与电场的方向相反。电子的漂移运动方向与电场的方向相反。当漂移速度与热运动速度相当时，电场对漂移速度的作用当漂移速度与热运动速度相当时，电场对漂移速度的作用开始减小。开始减小。电子和空穴漂移速度随电场的增强而增加。但漂移速电子和空穴漂移速度随电场的增强而增加。但漂移速度的增长速率逐渐减缓，最后达到一个最大的漂移速度的增长速率逐渐减缓，最后达到一个最大的漂移速度。度。第37页，共65页，编辑于2022年，星期二单位面积上的电子和空穴漂移电流密度分别为：单位面积上的电子和空穴漂移电流密度分别为：总的漂移电流密度为总的漂移电流密度为第38页，共65

24、页，编辑于2022年，星期二3、扩散运动、扩散运动上述两种运动是指半导体中浓度均匀的载流子运动，上述两种运动是指半导体中浓度均匀的载流子运动，在浓度不均匀的情况下，载流子还会在浓度梯度在浓度不均匀的情况下，载流子还会在浓度梯度nn、pp的影响下进行扩散运动，电子和空穴的扩散电流密度的影响下进行扩散运动，电子和空穴的扩散电流密度分别为：分别为：第39页，共65页，编辑于2022年，星期二总的电流扩散密度为：总的电流扩散密度为：第40页，共65页，编辑于2022年，星期二2.6载流子的迁移率载流子的迁移率迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。载

25、流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格中的杂质载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载流子的迁移率的大碰撞产生散射，各种散射机构决定了载流子的迁移率的大小。小。第41页，共65页，编辑于2022年，星期二迁移率与扩散系数间满足迁移率与扩散系数间满足第42页，共65页，编辑于2022年，星期二2.7硅中的载流子的寿命硅中的载流子的寿命在任一温度下，均可通过热过程在硅内部不断产生电子在任一温度下，均可通过热过程在硅内部不断产生电子空穴对，同时，电子空穴对，同时，电子空穴对又通过复合不断消失。空穴对又通过复合不断消失。当电子当电子空穴对的产生与复合率完全

26、相同时便达到了平空穴对的产生与复合率完全相同时便达到了平衡。衡。如果用一个高能源照射本征半导体表面，电子如果用一个高能源照射本征半导体表面，电子空穴空穴对的数目将迅速增加。光照去去除后，电子和空穴浓对的数目将迅速增加。光照去去除后，电子和空穴浓度仍然相等，但两者的乘积却远远大于半导体在同一度仍然相等，但两者的乘积却远远大于半导体在同一温度下的平均值温度下的平均值，过剩的电子和空穴通过复合衰，过剩的电子和空穴通过复合衰减，同时以光照和热的形式向晶格释放能量。减，同时以光照和热的形式向晶格释放能量。第43页，共65页，编辑于2022年，星期二过剩电子过剩电子空穴对复合所需时间为载流子寿命。对空穴对

27、复合所需时间为载流子寿命。对硅而言，载流子寿命可高达几百硅而言，载流子寿命可高达几百，低至几，低至几ps。硅中的电子空穴对可通过以下几种途径进行复合：硅中的电子空穴对可通过以下几种途径进行复合：1.直接复合，在导带、价带之间直接跃迁所产生的复直接复合，在导带、价带之间直接跃迁所产生的复合合2.间接复合，借助硅中杂质能级进行复合间接复合，借助硅中杂质能级进行复合3.表面复合表面复合第44页，共65页，编辑于2022年，星期二2.8PN结结PN结的形成结的形成第45页，共65页，编辑于2022年，星期二内建电场内建电场内建电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立内建电场是由多子的扩散运动引起的

28、，伴随着它的建立将带来两种影响：将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散一是内电场将阻碍多子的扩散二是二是P区和区和N区的少子一旦靠近区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。下漂移到对方，使空间电荷区变窄。第46页，共65页，编辑于2022年，星期二当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即结交界面形成稳定的空间电荷区，即结处于动态平衡。结的宽度一般为处于动态平衡。结的宽度一般为0.5um。PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通

29、过运动处于动态平衡，通过PN结的结的电流电流为零。为零。第47页，共65页，编辑于2022年，星期二2.9半导体二极管的结构半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构点接触型二极管的结构 第48页，共65页，编辑于2022年，星期二 它的特点是结面积小，因而结电容小，适它的特点是结面积小，因而结电容小，适用于高频用于高频(几百兆赫几百兆赫)电路。但它不能通过电路。但它不能通过很大的电流，也不能承受高的反向电压。很大的电流，也不能承受高的反向电压。主要用于小电流整流和高额检波，也适用主要用于小电流整流和高额检波，也适用于开关电路。于开关电路。第49页，共65页，编辑于2022年，星期二2.面接

30、触型二极管的结构面接触型二极管的结构 第50页，共65页，编辑于2022年，星期二 它的特点是它的特点是PN结面积大，能通过较大的电结面积大，能通过较大的电流，结电容也大，适用于整流电路，但工流，结电容也大，适用于整流电路，但工作频率较低。作频率较低。第51页，共65页，编辑于2022年，星期二3.平面型二极管的结构平面型二极管的结构 第52页，共65页，编辑于2022年，星期二 它的特点是结面积较大时，能通过较大的它的特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率整流。结面积较小时，电流，适用于大功率整流。结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关结电容较小，工作频率较高，适用于

31、开关电路。电路。第53页，共65页，编辑于2022年，星期二2.10半导体产品材料半导体产品材料锗和硅锗和硅锗的熔点为锗的熔点为973，限制了高温工艺，表面，限制了高温工艺，表面缺少自然生成的氧化物，从而容易漏电。缺少自然生成的氧化物，从而容易漏电。硅的熔点为硅的熔点为1415，允许高温工艺，且容，允许高温工艺，且容易生成二氧化硅。易生成二氧化硅。第54页，共65页，编辑于2022年，星期二半导体化合物半导体化合物 化合物半导体由元素周期表中的第化合物半导体由元素周期表中的第族、族、第第族、第族、第族、第族、第族形成。其中用的最族形成。其中用的最多的是砷化镓（多的是砷化镓（GaAsGaAs）、

32、磷砷化镓）、磷砷化镓（GaAsPGaAsP）、磷化铟（）、磷化铟（InPInP）、砷铝化镓）、砷铝化镓（GaAlAsGaAlAs）和磷镓化铟（）和磷镓化铟（InGaPInGaP）等。当电）等。当电流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极管会发出可见的激光。也用于电子面板中的管会发出可见的激光。也用于电子面板中的发光二极管。发光二极管。第55页，共65页，编辑于2022年，星期二砷化镓砷化镓1、载载流流子子的的迁迁移移率率比比硅硅高高，寄寄生生电电容容和和信信号号损损耗耗小小，这这种种特特性性使使得得在在通通信信系系统统中中比比SiSi器器件件更更快快的的响响

33、应应高高频频微微波波并并有有效效地地把把它它们转变为电流。们转变为电流。2、抗辐射能力强。、抗辐射能力强。3、半绝缘特性使得临近器件的欧姆最小化。、半绝缘特性使得临近器件的欧姆最小化。4、制造成本较、制造成本较SiSi大，而且没有天然的氧化大，而且没有天然的氧化物，脆性，有剧毒物，脆性，有剧毒第56页，共65页，编辑于2022年，星期二碳化硅（碳化硅（SiC）在用新型半导体材料制成的功率器件中，在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材

34、料相比，具有级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点下列优异的物理特点:高的禁带宽度，高的高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。介电常数和高的热导率。第57页，共65页，编辑于2022年，星期二 这些优异的物理特性这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即倍，即使高耐压的使高耐压

35、的SiC场效应管的导通压降，也比场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达器件的开关时间可达10nS量级。量级。第58页，共65页，编辑于2022年，星期二 SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和和JFETS等。等。SiC高频功率器件已在高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和公司研发成功，并应用于微波和射频装置。射频装置。GE公司正在开发公司正在开发SiC功率器件功率器件和高温器件和高温器件(包括用于

36、喷气式引擎的传感器包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下频率下工作的甚高频的工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在公司正在研制高功率、高电压的研制高功率、高电压的SiC整流器和其他整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。低频功率器件，用于工业和电力系统。第59页，共65页，编辑于2022年，星期二理论分析表明，理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之

37、一。但是，的主要潮流之一。但是，SiC材料和功率器材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计至少还需要十几域带来又一次革命，估计至少还需要十几年的时间。年的时间。第60页，共65页，编辑于2022年，星期二锗化硅锗化硅这样的结合把晶体管的速度提高到可以应这样的结合把晶体管的速度提高到可以应用于超高速的对讲机和个人通信设施当中。用于超高速的对讲机和个人通信设施当中。铁电材料铁电材料在对更快和更可靠的存储器研究中，铁电在对更快和更可靠的存储器研究中，铁电材料成为一

38、种可行方案。叫做铁电随机存材料成为一种可行方案。叫做铁电随机存储器。储器。第61页，共65页，编辑于2022年，星期二习题习题1.描述导体、绝缘体、半导体之间的电性差描述导体、绝缘体、半导体之间的电性差异异2.本征半导体、掺杂半导体分别是怎样定义本征半导体、掺杂半导体分别是怎样定义的？为什么要进行掺杂？的？为什么要进行掺杂？3.列举出至少列举出至少3种半导体材料？最常用的半导种半导体材料？最常用的半导体材料是什么？为什么使用普遍？体材料是什么？为什么使用普遍？4.化合物半导体来自周期表中的哪些族？化合物半导体来自周期表中的哪些族？5.砷化镓相对于硅的优缺点是什么？砷化镓相对于硅的优缺点是什么？

39、第62页，共65页，编辑于2022年，星期二导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只需很小的能量。需很小的能量。绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电子从价绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电子从价带移动到导带很困难，有很低的电导率和很高的电阻率。带移动到导带很困难，有很低的电导率和很高的电阻率。半导体：具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间。半导体：具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为发生在半导体被加热时，因而其导电

40、性随温度的这种行为发生在半导体被加热时，因而其导电性随温度的增加而提高。增加而提高。第63页，共65页，编辑于2022年，星期二本征半导体：本征半导体：不含任何杂质和缺陷的纯净不含任何杂质和缺陷的纯净半导体，其纯度在半导体，其纯度在99.999999%（810个个9）。）。掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中，可提高本征半导体的导电性。导体中，可提高本征半导体的导电性。两种特性：两种特性：1.通过掺杂精确控制电阻率通过掺杂精确控制电阻率2.电子和空穴导电电子和空穴导电第64页，共65页，编辑于2022年，星期二砷化镓砷化镓1、载载流流子子的的迁迁移移率率比比硅硅高高，寄寄生生电电容容和和信信号号损损耗耗小小，这这种种特特性性使使得得在在通通信信系系统统中中比比SiSi器器件件更更快快的的响响应应高高频频微微波波并并有有效效地地把把它它们转变为电流。们转变为电流。2、抗辐射能力强。、抗辐射能力强。3、半绝缘特性使得临近器件的欧姆最小化。、半绝缘特性使得临近器件的欧姆最小化。4、制造成本较、制造成本较SiSi大，而且没有天然的氧化大，而且没有天然的氧化物，脆性，有剧毒物，脆性，有剧毒第65页，共65页，编辑于2022年，星期二