半导体材料的基本特性精选PPT.ppt

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1、关于半导体材料的基关于半导体材料的基本特性本特性第1页，讲稿共34张，创作于星期日原子结构原子结构 由三种不同的粒子构成：中性中子和带正电的质子组成原由三种不同的粒子构成：中性中子和带正电的质子组成原子核，以及围绕原子核旋转的带负电核的电子，质子数与电子数相等呈子核，以及围绕原子核旋转的带负电核的电子，质子数与电子数相等呈现中性。现中性。第2页，讲稿共34张，创作于星期日 电子能级电子能级 原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子从原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子从低电势处移动到高出低电势处移动到高出1V1V的的电势处所获得的动能。的的电势处所获得的动能。价电子层价电子层 原子最外

2、部的电子层就是价电子层，对原子的化学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质具有显著的影响，只有一个价电子的原子很容易失和物理性质具有显著的影响，只有一个价电子的原子很容易失去这个电子，有去这个电子，有7 7个价电子的原子容易得到一个电子，具有亲和个价电子的原子容易得到一个电子，具有亲和力。力。第3页，讲稿共34张，创作于星期日共价键共价键 不同元素的原子共有价电子形成的粒子键，原子通过共有电子来使不同元素的原子共有价电子形成的粒子键，原子通过共有电子来使价层完全填充变得稳定。束缚电子同时受两个原子的约束，如果价层完全填充变得稳定。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量

3、，不易脱离轨道没有足够的能量，不易脱离轨道。第4页，讲稿共34张，创作于星期日离子键离子键 当价电子层电子从一种原子转移到另一种原子上时，就会形成当价电子层电子从一种原子转移到另一种原子上时，就会形成离子键，不稳定的原子容易形成离子键。离子键，不稳定的原子容易形成离子键。第5页，讲稿共34张，创作于星期日半导体分类半导体分类本征半导体：几乎不含任何杂质的半导体。本征半导体：几乎不含任何杂质的半导体。自由电子自由电子 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0 0 K K时，导体中没有自由电子。当时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱温度升高或受到

4、光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。空穴空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，人们常称呈个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。现正电性的这个空位为空穴。第6页，讲稿共34张，创作于星期日概念：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。概念：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N N型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，氮型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质

5、元素，例如磷，氮 自由电子自由电子多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成）空穴空穴少数载流子少数载流子杂质半导体 第7页，讲稿共34张，创作于星期日 P P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P P型半导体，也称为空穴型半导体。型半导体，也称为空穴型半导体。自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成）第8页，讲稿共34张，创作于星期日能带结构电子的共有化运动满足能量最低原理满足能量最低原理泡利不相容原理泡利不相容原理第9页，讲稿共34张，创作于星

6、期日能带结构的形成能带结构的形成 两个原子靠近时，电子波函数将重叠。这时泡利两个原子靠近时，电子波函数将重叠。这时泡利不相容原理不允许一个量子态上有两个电子存在，于是一个能级不相容原理不允许一个量子态上有两个电子存在，于是一个能级将分裂为将分裂为2 2个能级，个能级，N N个原子靠近时，一个能级将分裂为个原子靠近时，一个能级将分裂为N N个相距个相距很近的能级，形成能带很近的能级，形成能带第10页，讲稿共34张，创作于星期日价带：被价电子填充的能带价带：被价电子填充的能带导带：被自由电子填充的能带导带：被自由电子填充的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价

7、带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差第11页，讲稿共34张，创作于星期日能带的特点：能带的特点：能带的宽窄由晶体的性质决定能带的宽窄由晶体的性质决定,与所含的原子数无关。与所含的原子数无关。能量较高的能带比较宽，能量低的较窄。能量较高的能带比较宽，能量低的较窄。每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关。每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关。能带中能量不连续能带中能量不连续第12页，讲稿共34张，创作于星期日常见半导体硅 硅是一种元素半导体硅是一种元素半导体 ，4 4个价电子，正好位于优质导体和绝缘个价电子，正好位于优质导体和绝缘体之间。体之间。选择硅的主要理由：选择硅的主要理由

8、：硅的丰富度硅的丰富度 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 更高的工作温度范围更高的工作温度范围 氧化硅的自然形成氧化硅的自然形成第13页，讲稿共34张，创作于星期日半导体产业的发展半导体产业的发展 半导体产业发展的基础是在20世纪上半业开发的技术上培育出来的，关键技术是在工业和学术网中获取的。半导体产业半导体产业第14页，讲稿共34张，创作于星期日半导体发展趋势半导体发展趋势半导体发展趋势微电子时代微电子时代 电子时代是由电子真空阶段延续到固体电子阶段的。电子时代是由电子真空阶段延续到固体电子阶段的。当分立器件逐步过渡到集成电路阶段时，出现了诸如半导体器件集成化

9、、当分立器件逐步过渡到集成电路阶段时，出现了诸如半导体器件集成化、电子系统集成化、电子系统微型化，也就出现了微电子时代电子系统集成化、电子系统微型化，也就出现了微电子时代第15页，讲稿共34张，创作于星期日电子技术的发展电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件的发展历经的发展历经4 4个阶段：个阶段：电子管电子管 19061906年，诞生第一只电子管年，诞生第一只电子管晶体管晶体管 19471947年，出现了半导体三极晶体管年，出现了半导体三极晶体管集成电路集成电路 19601960年年1212月，成功制造世界上第一块硅集成电

10、路月，成功制造世界上第一块硅集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路 19661966年，美国贝尔实验室利用硅片外延年，美国贝尔实验室利用硅片外延技术，制造了第一块大规模集成电路技术，制造了第一块大规模集成电路第16页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路的发展摩尔定律：1964年，戈登.摩尔，半导体产业先驱者和英特尔公司的创始人，预言在一块芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。第17页，讲稿共34张，创作于星期日半导体工业为什么有如此的发展速度第一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业，原始材料第一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业，原始材料是地壳中的二氧化硅。是地壳中的二氧化硅。第二：

11、集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋加值极高第二：集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋加值极高 ，产出效益好。，产出效益好。第三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动的高活第三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动的高活性产业性产业第18页，讲稿共34张，创作于星期日半导体的趋势 提高芯片性能提高芯片性能 提高芯片的可靠性提高芯片的可靠性 降低芯片的成本降低芯片的成本第19页，讲稿共34张，创作于星期日提高芯片的性能关键尺寸关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个尺寸是不芯片上器件尺寸的相应缩

12、小是按比例进行的，仅减小一个尺寸是不可接受的。可接受的。第20页，讲稿共34张，创作于星期日 每块芯片上的元件数每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可以在硅片减小一块芯片的关键尺寸使得可以在硅片上制造更多的元件上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得到提高。，由于芯片数增加性能也得到提高。摩尔定律摩尔定律第21页，讲稿共34张，创作于星期日 功耗功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很小的真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很小的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体管数以惊功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体管数以惊人的速度增长，但是功耗却在不断的下

13、降。人的速度增长，但是功耗却在不断的下降。第22页，讲稿共34张，创作于星期日 芯片可靠性 芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格的诸如无颗芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度来控制玷污粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度来控制玷污第23页，讲稿共34张，创作于星期日降低芯片价格 由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了成由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了成本。本。半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济第24页，讲稿共34张，创作于星期日微

14、电子技术发展展望微电子技术发展展望纵观纵观2020世纪中硅基微电子技术的发展历程，未来微电子技术将世纪中硅基微电子技术的发展历程，未来微电子技术将主要表现为：主要表现为：1 1、器件的特征尺寸继续缩小、器件的特征尺寸继续缩小2 2、系统集成芯片将是将来一段时间内发展的重点、系统集成芯片将是将来一段时间内发展的重点3 3、微电子与其它学科的结合将诞生新的技术交叉点和产业增长点。、微电子与其它学科的结合将诞生新的技术交叉点和产业增长点。第25页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路集成电路的概念集成电路的概念 将若干个二极管、晶体管、电阻和电容等元件按照特定的电路将若干个二极管、晶体管、电阻和电容等

15、元件按照特定的电路连接方式，焊接到一快半导体单晶片或陶瓷机片上，使之成为连接方式，焊接到一快半导体单晶片或陶瓷机片上，使之成为一个整体以完成某一特定功能的电路组件。一个整体以完成某一特定功能的电路组件。第26页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路优点集成电路优点集成电路优点集成电路优点提高工作速度提高工作速度内部连线短，缩短延迟时间，尺寸小，连线分布电容和内部连线短，缩短延迟时间，尺寸小，连线分布电容和PNPN结电结电容减小。容减小。降低功耗降低功耗尺寸小，连线短，电阻小尺寸小，连线短，电阻小降低电子整机成本？降低电子整机成本？减少印制电路和插接件减少印制电路和插接件体积小，质量轻体积小，质量

16、轻可靠性高可靠性高缩短电子产品生产周期缩短电子产品生产周期 第27页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路的分类 按器件结构类型和工艺分按器件结构类型和工艺分双极型集成电路，有源器件是双极型晶体管，载流子是电子和双极型集成电路，有源器件是双极型晶体管，载流子是电子和空穴。一般用于模拟集成电路和中、小规模集成电路。空穴。一般用于模拟集成电路和中、小规模集成电路。优点：工作速度高、驱动能力强优点：工作速度高、驱动能力强 MOSMOS（metal-oxide-semiconductormetal-oxide-semiconductor）管集成电路）管集成电路,有源器件为有源器件为MOSMOS晶体管。载

17、流子是电子或者空穴，又称为单极型晶体管。晶体管。载流子是电子或者空穴，又称为单极型晶体管。优点：输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗低、集成度高、制作工艺优点：输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗低、集成度高、制作工艺简单。简单。双极型双极型-MOS-MOS集成电路，两者的混合电路集成电路，两者的混合电路 同时具有两者的优点同时具有两者的优点 。第28页，讲稿共34张，创作于星期日按电路功能分按电路功能分 数字集成电路，传递和处理数字信号。数字集成电路，传递和处理数字信号。应用范围：计算机、通信处理机应用范围：计算机、通信处理机 模拟集成电路，传递和处理模拟信号。模拟集成电路，传递和处理模拟信号。应用范围

18、：信号传感器、应用范围：信号传感器、A/DA/D、D/AD/A等等 数模混合电路数模混合电路 微波集成电路，所传递和处理的信号频率大于微波集成电路，所传递和处理的信号频率大于300MHz300MHz。应用范围：混频器，振荡器等应用范围：混频器，振荡器等第29页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路对半导体材料的基本的要求 衬底必须是纯净的衬底必须是纯净的 单晶硅片单晶硅片 晶体的基本形态晶体的基本形态 单晶单晶 多晶多晶 非晶非晶 综合指标要求综合指标要求 导电类型导电类型 N N型或型或P P型型 第30页，讲稿共34张，创作于星期日集成电路的制造步骤集成电路的制造步骤硅片制造硅片制造硅片制备

19、硅片制备硅片测试硅片测试/拣选拣选装配与封装装配与封装终测终测第31页，讲稿共34张，创作于星期日硅片制备硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特殊工艺生产在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。第32页，讲稿共34张，创作于星期日硅片制造硅片制造 自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，称为硅片制造。自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，称为硅片制造。裸露的硅片到达裸露的硅片到达 硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一套集刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一套集成电路。成电路。硅片测试硅片测试/拣选拣选 硅片制造完成后，硅片被送到测试和拣选区，在硅片制造完成后，硅片被送到测试和拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试，拣选出不合格的芯片。那里进行单个芯片的探测和电学测试，拣选出不合格的芯片。第33页，讲稿共34张，创作于星期日感谢大家观看第34页，讲稿共34张，创作于星期日