半导体材料概述课件
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目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
半导体知识介绍PPT课件
Wafer Mount 晶圆安装 贴蓝膜
Wafer Saw 晶圆切割
Wafer Wash 清洗
UV 光照
➢ 将晶圆粘贴在蓝膜（Mylar）上，使得
即使被切割开后，不会散落；
➢ 通过Saw Blade将整片Wafer切割成一
个个独立的Dice，方便后面的 Die Attach
等工序；
➢ Wafer Wash主要清洗Saw时候产生的各种粉尘，清洁Wafer；
在某一需求范围内，而所给予特别设计的车间。
4
无尘室的等级
洁净度级别 粒 径 (um)
0.1 0.2 0.3 0.5 5.0
1 35 7.5 3
1
NA
10 350 75 30 10
NA
100 NA 750 300 100 NA
1000 NA NA
NA 1000 7
10000 NA NA源自NA 10000 70➢ UV光照，光照后，底下贴膜不会沾的太紧。
17
Die bonding固晶/装片 DB就是把芯片装配到框架上去
Write Epoxy 点银浆
Die Attach 芯片粘接
Epoxy Cure 银浆固化
➢ 银浆成分为环氧树脂填充金属粉末（Ag）； ➢ 有三个作用：将Die固定在Die Pad，散热作用，导电作用；
Epoxy Storage： 零下50度存放；
Epoxy Aging： 使用之前回温24H，除去气
泡；
Epoxy Writing：
点银浆于L/F的Pad上，
Pattern可选；
18
引线框架
【Lead Frame】引线框架
经过一系列的操作
溶解
9
拉单晶
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
《常用半导体器件》课件
反向击穿电压：二极管在反向电压作用下， 能够承受的最大电压
开关速度：二极管从正向导通到反向截止 的时间
反向漏电流：二极管在反向电压作用下， 流过二极管的电流
噪声系数：二极管在信号传输过程中产生 的噪声大小
晶体管的特性参数与性能指标
输出电阻：ro，表示晶体管 输出端的电阻
频率特性：fT，表示晶体管 能够工作的最高频率
使用注意事项：在使用二极 管时，需要注意二极管的极 性，避免接反导致电路损坏
散热问题：在使用二极管时， 需要注意二极管的散热问题， 避免过热导致电路损坏
晶体管的选用与使用注意事项
晶体管类型：根据电路需求选择合适的晶体管类型，如NPN、PNP、 MOSFET等。
工作频率：选择工作频率满足电路需求的晶体管，避免频率过高导致晶 体管损坏。
06
半导体器件的选用与使 用注意事项
二极管的选用与使用注意事项
选用原则：根据电路要求选 择合适的二极管类型和参数
正向导通电压：选择二极 管时，需要考虑正向导通 电压与电路电压的匹配
反向耐压：选择二极管时， 需要考虑反向耐压与电路电 压的匹配
反向漏电流：选择二极管时， 需要考虑反向漏电流与电路 要求的匹配
稳定性： 指集成电 路在正常 工作状态 下的稳定 性能
集成电路 的封装形 式：包括 DIP、 QFP、 BGA等
集成电路 的应用领 域：包括 消费电子、 通信、汽 车电子等
场效应管的特性参数与性能指标
栅极电压：控制场效应管的导通和关断 漏极电流：场效应管的输出电流 输入阻抗：场效应管的输入阻抗高，可以减少信号损失 输出阻抗：场效应管的输出阻抗低，可以减少信号损失 开关速度：场效应管的开关速度快，可以减少信号损失 功耗：场效应管的功耗低，可以减少能源消耗
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
半导体基本知识PPT课件
N型半导体和P型半导体
➢ 掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中 掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供 电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做 施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体， 相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓 或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用， 使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以 空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也 叫做P型杂质。
（l）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在 10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变 半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电 阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入 不同类型的杂质，可以得到不同导电类
半导体材料的特征
2）有两种载流子参加导电 在半导体中，参与导电的载流子有 两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载 流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电 子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则 仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时材料的特征
➢ 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、 半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、 铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在10–4 欧姆·厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、 玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。 顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有 如下的主要特征。
N型半导体和P型半导体
❖一般说，施主和受主杂质均为替 位式杂质。它们掺入晶体后，要 取代晶格中硅原子的位置。见图 4- 2。
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
《半导体材料》课件
解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件
化合物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
《半导体》课件1(29页)(沪科版九年级)
一、材料的导电性
1.材料按导电性能可分为导体、半导体和绝 缘体三大类。
按导电性能 划分材料
分类 导体 半导体 绝缘体
定义
典型材料
特点和用途
容易导电 的材料
金、银、铜、铝、 铁等金属材料。各种酸、 碱、盐水溶液，人体、 石墨、大地等也是导体
电阻小，电 流容易通过。 用作导线。
导电性能介 于导体与绝 缘体之间的 材料
硅、锗、 砷化镓等
具有一些特殊 的物理性质。 制造半导体元 件。
不容易导 玻璃、橡胶、陶 电的材料 瓷等非金属材料
电阻很大，电流 几乎不能通过。 用作隔离带电体。
一、材料的导电性
2.材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决 定的。
从原子结构分析。
导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极 易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外 电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂 移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。
利用这种半导体可以做成体积很 小的光敏电阻。没有光照射时， 光敏电阻就像绝缘体那样不容易 导电；有光照射时，光敏电阻又 像导体那样导电。一般光敏电阻 的电阻值，不受光照射时是受光 照射时的100～1 000倍。
因此，光敏电阻被广泛应用到光 照反应灵敏的许多自动控制设备 中。如光控门。楼道灯一般用的 是光控和声控结合的声光控开关。
二、半导体元件
⑷半导体元件的压敏特性
有的半导体，在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”) 利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成
电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化。 可见，半导体的导电性能可由外界条件所控制，常见特性如下表：
1.材料按导电性能可分为导体、半导体和绝 缘体三大类。
按导电性能 划分材料
分类 导体 半导体 绝缘体
定义
典型材料
特点和用途
容易导电 的材料
金、银、铜、铝、 铁等金属材料。各种酸、 碱、盐水溶液，人体、 石墨、大地等也是导体
电阻小，电 流容易通过。 用作导线。
导电性能介 于导体与绝 缘体之间的 材料
硅、锗、 砷化镓等
具有一些特殊 的物理性质。 制造半导体元 件。
不容易导 玻璃、橡胶、陶 电的材料 瓷等非金属材料
电阻很大，电流 几乎不能通过。 用作隔离带电体。
一、材料的导电性
2.材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决 定的。
从原子结构分析。
导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极 易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外 电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂 移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。
利用这种半导体可以做成体积很 小的光敏电阻。没有光照射时， 光敏电阻就像绝缘体那样不容易 导电；有光照射时，光敏电阻又 像导体那样导电。一般光敏电阻 的电阻值，不受光照射时是受光 照射时的100～1 000倍。
因此，光敏电阻被广泛应用到光 照反应灵敏的许多自动控制设备 中。如光控门。楼道灯一般用的 是光控和声控结合的声光控开关。
二、半导体元件
⑷半导体元件的压敏特性
有的半导体，在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”) 利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成
电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化。 可见，半导体的导电性能可由外界条件所控制，常见特性如下表：
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夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
晶胞中质点的占有率
体心
面心
棱边 顶角
晶胞中各质点的占有率
立方晶胞
体心： 1 面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
锗的分布
锗在地壳中含量约为 百万分之一，分布极 为分散，常归于稀有 元素；
1. 在煤和烟灰中； 2. 与金属硫化物共生； 3. 锗矿石
锗
锗的应用
属金刚石结构 由于Ge的禁带较
窄，器件稳定工 作温度远不如硅 器件高，加之资 源有限，目前， Ge电子器件不到 总量的10%，主 要转向红外光学 等方面。
a
立方 Cubic
c ba 四方 Tetragonal
c ba
正交 Rhombic
c
c
c
b
a
c ba
ba
a b
三方 Rhombohedral 六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic 三斜 Triclinic
晶系 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 三斜
晶轴 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c
金刚石结构
金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构 成的立方点阵为金刚石结构 8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子
109º28´
闪锌矿结构
闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成 的立方系晶体点阵称为闪锌矿结构 按ABCABC顺序堆垛
纤锌矿结构
纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型 变体，具有六角对称性
电负性决定原子结合性质
同种元素结合：电负性小者倾向于按金属键结合 （铜、银、金），电负性大者倾向于按共价键结合 （金刚石、硅、锗）
化合物结合：电负性差别较大的两种元素倾向于按 离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于按 共价键结合
3）半导体的晶体结构
晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复 排列构成的固体物质，具有规则几何外形。
半导体材料概述
第四章 半导体材料概述
4.1 半导体材料的晶体结构与分类 4.2 元素半导体 4.3 化合物半导体 4.4 有机半导体 4.5 非晶半导体 4.6 精细结构半导体
4.1 半导体材料的晶体结构与分类
1）半导体材料的分类
光电半导体
按功能和应用
热电半导体
微波半导体
2、结晶炭
1）金刚石
金刚石薄膜具有禁带很宽、高热 导率、高临界击穿电场、高电子 饱和速度、低介电常数，适合制 造高性能电力电子器件和高温电 子学器件
电阻率很高，但掺杂可使电阻率 降低
高热导率 ，可作切割工具燃料
对光的折射率高，吸收系数低， 在光电子学领域存在潜在的应用 价值
金刚石
2）C60
气敏半导体 微电子半导体
∶ ∶Biblioteka 按组成 按结构元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
单晶半导体 晶体
多晶半导体 非晶、无定形半导体
2）元素的电负性与原子的结合
电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共 有电子偶的能力。
其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。
其一般规律为：价电子数相同的原子，电子壳层 越多，电负性越弱，电子壳层数相同的原子，价 电子数越多，电负性越强。
螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米 管为半导体，其余为导体
替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有 了希望
双壁碳纳米管纳机电系统用
3、灰锡
锡有两种同素异形体，灰锡和白锡 灰锡：不稳定；具有金刚石结构，立方晶系 白锡：四方晶系 窄禁带特征有可能用于远红外探测器方面
5、 硅
硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。
4、 锗
1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期 表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。
1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿 中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium） 以纪念他的祖国。
Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50 年代，Ge是主要的半导体电子材料
按ABAB顺序堆垛
半导体的晶体结构
结构类型
半导体材料
极性差别
金刚石型
Si，金刚石，Ge
闪锌矿型 GaAs，ZnO，GaN，SiC 小（共价键占优势）
纤锌矿型 InN，GaN，ZnO，SiC
大
NaCl型
PbS，CdO
4.2 元素半导体
硒 结晶炭 灰锡 锗 硅
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
1、硒
实际应用的最早半导体材料
禁带较宽，大于1.7ev
分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红 硒、灰硒）
主要用来制作光电池、摄像靶、整流器；
硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等 优点
大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸 作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石 复杂组成的大门。
C60分子由五原环和 六元环构成的炭笼分 子结构
常温常压下发生向金 刚石转变的结构变相， 为金刚石的人工合成 提供了潜在的新途径
金刚石薄膜CVD淀 积前在衬底上涂一层 C60对成核起明显促 进作用
炭笼分子结构
3）碳纳米管（CNT）
碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米 的中间空闭合管状物。
晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点 作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重 复出现的结果。
晶胞参数
我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。
构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、 β、γ称为晶胞参数。
它们决定了晶胞的大小和形状。
七大晶系
c
b
αβ γ