半导体材料-硅分析.ppt

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1、“硅器硅器”时代时代“硅器硅器”硅是一种常见的物硅是一种常见的物质，它广泛的存在于质，它广泛的存在于我们的日常生活中，我们的日常生活中，从你手中的手机，到从你手中的手机，到家中的电视，陶瓷餐家中的电视，陶瓷餐具，水晶工艺品，无具，水晶工艺品，无不包含着硅的身影。不包含着硅的身影。可以说，硅在我们的可以说，硅在我们的生活中无处不在。生活中无处不在。远古时候的远古时候的“硅器硅器”陶瓷，主要成分为硅酸盐陶瓷，主要成分为硅酸盐天然石英（天然石英（SiO2）生活中的硅生活中的硅金丝水晶球 水晶欣赏 岱岳雄姿 观音电脑中的硅芯片主板什么是什么是“半导体材料半导体材料”材料按照导电的能力来划分可以分为：导

2、体 金属等绝缘体橡胶，塑料等半导体硅，锗等等 半导体材料是介于导体与绝缘体之间的，导电能力一般的导体。它的显著特点是对温度、杂质和光照等外界作用十分的敏感。元素周期表元素周期表GroupGroup1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515161617171818周期周期1 11H氢2He氦2 23Li锂4Be铍5B硼6C碳7N氮8O氧9F氟10Ne氖3 311Na钠12Mg镁13Al铝14Si硅15P磷16S硫17Cl氯18Ar氩4 419K钾20Ca钙21Sc钪22Ti钛23V钒24Cr铬25Mn锰26Fe铁27Co钴28Ni镍29

3、Cu铜30Zn锌31Ga镓32Ge锗33As砷34Se硒35Br溴36Kr氪5 537Rb铷38Sr锶39Y钇40Zr锆41Nb铌42Mo钼43Tc锝44Ru钌45Rh铑46Pd钯47Ag银48Cd镉49In铟50Sn锡51Sb锑52Te碲53I碘54Xe氙6 655Cs铯56Ba钡56-70镧系*71Lu镥72Hf铪73Ta钽74W钨75Re铼76Os锇77Ir铱78Pt铂79Au金80Hg汞81Tl铊82Pb铅83Bi铋84Po钋85At砹86Rn氡7 787Fr钫88Ra镭89-102锕系*103Lr铹*104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Uun111Uuu

4、112Uub113Uut114Uuq115Uup116Uuh117Uus118Uuo锗锗常见半导体材料常见半导体材料硅硅半导体材料的内部结构半导体材料的内部结构金刚石结构 半导体材料之所以具有介于导半导体材料之所以具有介于导体与绝缘体之间的性质，一部分原体与绝缘体之间的性质，一部分原因是因为它的特殊的结构。因是因为它的特殊的结构。科学分析表明，硅原子是按照金科学分析表明，硅原子是按照金刚石结构的形式占据空间位置（晶刚石结构的形式占据空间位置（晶格）。格）。金刚石结构的排列特点是：金刚石结构的排列特点是：l晶格立方格子的晶格立方格子的8个顶点有一个原子个顶点有一个原子l晶格晶格6个面的中心各有一

5、个原子个面的中心各有一个原子l晶格的晶格的4个对角线离顶点的个对角线离顶点的1/4处各有一个原子处各有一个原子 金刚石结构和常见CO2分子结构比较图。从不同方向观察硅晶体 晶体的能带晶体的能带导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体的电阻率约为导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体的电阻率约为108106欧姆欧姆米米；绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（36 eV），故不能，故不能导电。绝缘体的电阻率约为导电。绝缘体的电阻率约为1081020欧姆欧姆米米；半导体只有满带和空带，但禁带很小（半导体只有满带和空带，但禁带很小

6、（0.12eV），满带中的电子可以），满带中的电子可以在光、热、电作用下进入空带，形成导带。电阻率约为在光、热、电作用下进入空带，形成导带。电阻率约为108107欧姆欧姆米。米。本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶体中除了本身原子纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶体中除了本身原子外，没有其他杂质原子存在。外，没有其他杂质原子存在。假如在本征半导体中掺入杂质，使其产生载流子以增加半假如在本征半导体中掺入杂质，使其产生载流子以增加半导体的导电能力，这种半导体称为杂质半导体。导体的导电能力，这种半导体称为杂质半导体。n型和型和p型半导体型半导体 杂质半导体

7、中以电子导电为主的称为杂质半导体中以电子导电为主的称为n(negative)型半导体型半导体(硅掺磷、砷等硅掺磷、砷等族元素族元素)，以空穴导电为主的称为，以空穴导电为主的称为p(positive)型半导体型半导体(硅掺硼、镓等硅掺硼、镓等族元素族元素)。半导体的性质半导体的性质 电阻率随温度的增加而减小（称为负温度系数）电阻率随温度的增加而减小（称为负温度系数）微量的杂质对半导体的导电性能有很大的影响微量的杂质对半导体的导电性能有很大的影响 光照可以改变半导体的电阻率光照可以改变半导体的电阻率半导体在开关和整流器中的运用半导体在开关和整流器中的运用原理：一个原理：一个P-NP-N结，它的作用

8、是只让电结，它的作用是只让电流向一个方向流通，是电的流向一个方向流通，是电的“单向阀单向阀”，可以用作开关，也可作为整流器，可以用作开关，也可作为整流器 。开关时间可短到几十几百开关时间可短到几十几百nsns，超高速，超高速集成电路开关已达十几几个集成电路开关已达十几几个nsns。npn三极管示意图三极管示意图三极管的重要特性是具有放大作用三极管的重要特性是具有放大作用半导体材料制作晶体管半导体材料制作晶体管晶体管原理图晶体管原理图晶体管结构晶体管结构 1947年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管在美国新泽西州贝尔电话实验室诞生，发明人是三位美国科学家（从左至右）巴丁、肖克利巴丁、肖克利和

9、布拉顿布拉顿。他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖。这一发明引起现代电子学的革命，微电子学微电子学诞生了，并获得迅速发展。1958年半导体硅集成电路集成电路的诞生，吹响了以集成电路为核心的微电子技术发展的号角。微电子技术正是电子计算机和当今信息技术发展的基础。集成电路集成电路 集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电容、二极管、三极管等元件及互联线制作在单容、二极管、三极管等元件及互联线制作在单个的半导体硅芯片上，具有和单个分开的分立个的半导体硅芯片上，具有和单个分开的分立器件制作的电子线路同等或更好的功能。器件制作的电子线路同等或更好的功能。制造工艺：

10、主要是制造工艺：主要是氧化、光刻、扩散掺杂和封氧化、光刻、扩散掺杂和封装装。其芯片的耗能及单位成本很低，并能提供较高其芯片的耗能及单位成本很低，并能提供较高的工作速度和可靠性。的工作速度和可靠性。半导体与集成电路半导体与集成电路内存条内存条计算机主板计算机主板集成电路集成电路微电子技术的发展微电子技术的发展年代年代名称名称集成度集成度（单位体积中（单位体积中的元件个数）的元件个数）50年代晶体管100 60年代集成电路100070年代大规模集成电路1万10万80年代超大规模集成电路100万1亿90年代更大规模集成电路100亿200亿芯片换代的标志芯片换代的标志 1 密集程度高密集程度高 2 同

11、等功能的元件和整机的价格下降同等功能的元件和整机的价格下降 3 尺寸减小尺寸减小 4 信息容量增大信息容量增大 5 运算速度提高运算速度提高 由于各元件及各元件间的隔离区的形状都是光刻技术完成由于各元件及各元件间的隔离区的形状都是光刻技术完成的，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小。的，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小。激光光刻线宽的极限约为激光光刻线宽的极限约为0.2微米，用微米，用X射线光刻甚至可小于射线光刻甚至可小于0.1微米。目前利用微米。目前利用0.3微米线宽工艺已在微米线宽工艺已在10mm20mm的芯片的芯片上集成了上集成了1.4亿个元件，集成密度达亿个

12、元件，集成密度达70万个万个/mm2。常用的半导体材料常用的半导体材料制备工艺有制备工艺有提纯提纯、单晶的制备单晶的制备和和薄膜薄膜外延生长外延生长。提纯主。提纯主要有物理提纯和化要有物理提纯和化学提纯。单晶的制学提纯。单晶的制备主要是利用熔体备主要是利用熔体生长法生长法，其中提拉，其中提拉法在工业中最为常法在工业中最为常用。外延的方法有用。外延的方法有气相、液相、固相、气相、液相、固相、分子束外延等。分子束外延等。半导体材料的制作工艺半导体材料的制作工艺硅晶片生产半导体的生产半导体的生产半导体材料的运用和意义半导体材料的运用和意义 20世纪是科学技术突世纪是科学技术突飞猛进的飞猛进的100年

13、，原子能、年，原子能、半导体、激光和电子计算机半导体、激光和电子计算机成为成为20世纪的世纪的“四大发明创四大发明创造造”。激光和计算机是以半。激光和计算机是以半导体材料为基础的，而激光导体材料为基础的，而激光和计算机都是信息技术的重和计算机都是信息技术的重要支撑技术。因此，半导体要支撑技术。因此，半导体材料技术在信息技术，以至材料技术在信息技术，以至于整个高科技领域有着举足于整个高科技领域有着举足轻重的作用。轻重的作用。半导体材料运用的树状图半导体材料运用的树状图 半导体材料最常见的用途就是发光二极管，半导体材料最常见的用途就是发光二极管，它主要用在仪器上做数字显示它主要用在仪器上做数字显示

14、。半导体材料在照明中的运用半导体材料在照明中的运用手机、电脑、数码相机、汽车中，都有半导体照明的身影 用半导体照明的上海东方明珠电视塔光生伏特效应光生伏特效应 当入射光子的能量大于禁带宽度时，光照射在距表面很近的pn结，就会在pn结产生电动势，接通外电路就可形成电流。这称为光生伏特效应。太阳能电池就是利用光生伏特效应制成的。光生伏特效应太阳能电池太阳能电池光电效应和光电传感器光电效应和光电传感器 光电二极管是一个固态光电二极管是一个固态PN结器件，器结器件，器件的一边件的一边(比如比如P层层),做得非常薄，使光可以做得非常薄，使光可以穿透到结中，形成一个与入射的光子通量穿透到结中，形成一个与入

15、射的光子通量成正比的电流。这称为光电效应。成正比的电流。这称为光电效应。最简单的光电传感器是由一块芯片上最简单的光电传感器是由一块芯片上的光电二极管传感器件和开关的阵列。的光电二极管传感器件和开关的阵列。半导体材料在显示器件中的运用半导体材料在显示器件中的运用夏普发布夏普发布1/1.81/1.8英寸英寸大小大小800800万象素万象素CCDCCD 数码产品上常用的数码产品上常用的液晶显示屏液晶显示屏小芯片改变大世界小芯片改变大世界 集成电路的普及和发展给人类集成电路的普及和发展给人类带来了小无止境的产品，也为人类带来了小无止境的产品，也为人类带来了大无边际的网络。带来了大无边际的网络。电话网延

16、伸了人们的听力电话网延伸了人们的听力“铱星铱星”系统；系统；电视网延伸了人们的视力；电视网延伸了人们的视力；计算机网延伸了人们的大脑。计算机网延伸了人们的大脑。铱星系统铱星系统 “铱星铱星”系统的设计是由系统的设计是由77颗卫星组成，运行在七条高度为颗卫星组成，运行在七条高度为765千米的太空中低轨道上，每千米的太空中低轨道上，每条轨道上均匀分布着条轨道上均匀分布着11颗卫星。颗卫星。实际运行的实际运行的“铱星铱星”系统由系统由66颗颗通信卫星组成。通信卫星组成。由于卫星众多，所以通信效由于卫星众多，所以通信效率极高，可以随时为世界上的任率极高，可以随时为世界上的任何地方的用户提供电话通信服务

17、，何地方的用户提供电话通信服务，而且不必担心与其他蜂窝电话系而且不必担心与其他蜂窝电话系统不相容。统不相容。目前，太空已有目前，太空已有250多颗通多颗通信广播卫星运行，担负着信广播卫星运行，担负着80的的洲际通信业务和全部洲际电视传洲际通信业务和全部洲际电视传播。播。计算机网的诞生计算机网的诞生用于减少信息传输量的视频压缩用于减少信息传输量的视频压缩/解压缩芯片解压缩芯片;用于数码录放音及影像存储的记忆体元件芯片用于数码录放音及影像存储的记忆体元件芯片;媒体处理芯片媒体处理芯片;快速电池充电控制芯片快速电池充电控制芯片;路由器芯片等路由器芯片等 芯片发展到一定程度，直接导致了计算机网的芯片发

18、展到一定程度，直接导致了计算机网的诞生。各种各样的芯片大大支持了计算机的网络化。诞生。各种各样的芯片大大支持了计算机的网络化。芯片把数字的快速处理和快速传递融合在一芯片把数字的快速处理和快速传递融合在一起，形成了当今的信息网络。起，形成了当今的信息网络。砷化镓半导体砷化镓半导体 计算机的运算速度受到芯片材料中电子运动速度的限计算机的运算速度受到芯片材料中电子运动速度的限制制 在砷化镓单晶材料中电子的迁移率（电子在电场作用在砷化镓单晶材料中电子的迁移率（电子在电场作用下的迁移速度）比在单晶硅材料中电子的迁移率大下的迁移速度）比在单晶硅材料中电子的迁移率大67倍，所以采用砷化镓晶体管的计算机的响应

19、速度和运倍，所以采用砷化镓晶体管的计算机的响应速度和运算速度都更快。算速度都更快。砷化镓晶体结构 超晶格材料超晶格材料 超晶格就是用两种或两种以上不同半导体或半导体的超晶格就是用两种或两种以上不同半导体或半导体的n型或型或p型极薄膜层交替排列组成的周期阵列，即在原型极薄膜层交替排列组成的周期阵列，即在原来的周期性的晶格势场上再加上一个人为的周期势。来的周期性的晶格势场上再加上一个人为的周期势。超晶体周期交替结构超晶体周期交替结构 超晶格材料的应用超晶格材料的应用 由于在与界面平行的方向电子可以自由运动，迁移率极高，故可制成世界上最快的晶体管。改变砷化镓薄层和镓铝砷薄层的厚度，可以发射不同的光波

20、长。从而制造出所需要的光导纤维。可以制造很灵敏的红外探测器 非晶态薄膜材料非晶态薄膜材料 材料制备方便，成本较低材料制备方便，成本较低 具有大的光吸收系数，适宜制作太具有大的光吸收系数，适宜制作太阳能电池阳能电池具有高的光电导性，可制作十分灵具有高的光电导性，可制作十分灵敏的光电器件敏的光电器件非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。非晶硅的优点可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的产品，不像晶体硅不能自由裁剪，制作成器件时材料磨下好多碎末，浪费很大；它的制作过程是气相沉积化氢热分解，制作工艺条件容易进行

21、自动化控制；它还可以制成很薄很薄的薄膜，而晶体硅却至少要达到几百微米的厚度。缺点一是寿命短，在光的不断照射下会发生效应，光电转化效率会下降到原来的25%，这本质上正是非晶硅中有太多的以悬键为代表的缺陷，致使结构不稳定；二是它的光电转化效率远比晶体硅低。现今市场上的晶体硅的光电转化效率为12%，最近面世的晶体硅的光电转化效率已经提高到18%，在实验室里，甚至可以达到29%（对比：绿色植物的叶绿体的光电转化效率小于1%！），然而非晶硅的光电转化效率一直没有超过10%。硅材料在我们的日常生活中无处不在。硅材料在我们的日常生活中无处不在。半导体有哪些性质？硅的结构怎样保证了它的半导体性质。半导体有哪些性质？硅的结构怎样保证了它的半导体性质。半导体材料的发展带来了人类信息时代的到来。半导体材料的发展带来了人类信息时代的到来。半导体的发展将具有更广阔的市场前景，将带来人类在信半导体的发展将具有更广阔的市场前景，将带来人类在信息时代的第二次飞跃。息时代的第二次飞跃。小小 结结