半导体材料的基本特性概要PPT教案学习
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★电子管 1906年，诞生第一只电子管 ★晶体管 1947年，出现了半导体三极晶体管 ★集成电路 1960年12月，成功制造世界上第一块硅集成电路 ★超大规模集成电路 1966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
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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。
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集成电路
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。
第25页/共34页
集成电路优点
★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
PN结电容减小。 ★降低功耗 ★尺寸小，连线短，电阻小 ★降低电子整机成本？ ★减少印制电路和插接件 ★体积小，质量轻 ★可靠性高 ★缩短电子产品生产周期
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
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提高芯片的性能
关键尺寸 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 尺寸是不可接受的。
第19页/共34页
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可以 在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得到 提高。
摩尔定律
第20页/共34页
功耗 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 管数以惊人的速度增长，但是功耗却在不断的下降。
第21页/共34页
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16页/共34页
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 料是地壳中的二氧化硅。
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。
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
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半导体的趋势
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。
★双极型-MOS集成电路，两者的混合电路 同时具有两者的优点 。
第27页/共34页
按电路功能分
★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
★模拟集成电路，传递和处理模拟信号。 应用范围：信号传感器、A/D、D/A等
自由电子—少数载流子 空穴——多数载流子（由两部分组成）
第7页/共34页
能带结构
电子的共有化运动
——满足能量最低原理 ——泡利不相容原理
第8页/共34页
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2个能级，N个原子靠近时，一个 能级将分裂为N个相距很近的能级，形成能带
半导体产业
第13页/共34页
半导体发展趋势
半导体发展趋势——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。 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
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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。电子器件的发展历经4个阶 段：
半导体材料的基本特性概要
会计学
1
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。
第1页/共34页
电子能级 原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子 从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。
价电子层 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 很容易失去这个电子，有7个价电子的原子容易得到一个 电子，具有亲和力。
第22页/共34页
上集成的晶体管增多降低了 成本。
半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
第23页/共34页
微电子技术发展展望
纵观20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： 1、器件的特征尺寸继续缩小 2、系统集成芯片将是将来一段时间内发展的重点 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。
★终测 为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路 进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数。
第33页/共34页
第11页/共34页
常见半导体——硅
硅是一种元素半导体 ，4个价电子，正好位于优质导体和绝 缘体之间。
选择硅的主要理由： 硅的丰富度 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 氧化硅的自然形成
第12页/共34页
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。
第5页/共34页
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型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，氮 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子
第6页/共34页
P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
第30页/共34页
★硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。
第31页/共34页
★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 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成电路。
★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300MHz。 应用范围：混频器，振荡器等
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集成电路对半导体材料的基本的要求
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
第29页/共34页
集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
第2页/共34页
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，不易脱离轨道。
第3页/共34页
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 形成离子键，不稳定的原子容易形成离子键。
第4页/共34页
混频器振荡器等集成电路对半导体材料的基本的要求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综合指标要求综合指标要求导电类型导电类型nn型或型或pp型型硅片制造硅片制造硅片制备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
半导体分类
本征半导体：几乎不含任何杂质的半导体。
自由电子 当导体处于热力学温度0K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原子核的束缚，而参与导电，成为 自由电子。
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。
第9页/共34页
价带：被价电子填充的能带 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 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
第10页/共34页
能带的特点：
能带的宽窄由晶体的性质决定,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。 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
第26页/共34页
集成电路的分类
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 ★ MOS（metal-oxide-semiconductor）管集成电路,有 源器件为MOS晶体管。载流子是电子或者空穴，又称 为单极型晶体管。
★硅片测试/拣选 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。
第32页/共34页
★装配与封装 硅片拣选和测试后，进入装配与封装，以便 把单个芯片装在保护壳内。硅片的背面进行研磨以减少 衬底的厚度，一片厚的塑料薄膜被贴在每个硅片的背面， 然后，在正面沿着划片线用带金刚石的锯刃将每个硅片 上的芯片分开。
块大规模集成电路
第15页/共34页
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24页/共34页
集成电路
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。
第25页/共34页
集成电路优点
★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
PN结电容减小。 ★降低功耗 ★尺寸小，连线短，电阻小 ★降低电子整机成本？ ★减少印制电路和插接件 ★体积小，质量轻 ★可靠性高 ★缩短电子产品生产周期
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
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提高芯片的性能
关键尺寸 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 尺寸是不可接受的。
第19页/共34页
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可以 在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得到 提高。
摩尔定律
第20页/共34页
功耗 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 管数以惊人的速度增长，但是功耗却在不断的下降。
第21页/共34页
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16页/共34页
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 料是地壳中的二氧化硅。
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。
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
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半导体的趋势
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。
★双极型-MOS集成电路，两者的混合电路 同时具有两者的优点 。
第27页/共34页
按电路功能分
★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
★模拟集成电路，传递和处理模拟信号。 应用范围：信号传感器、A/D、D/A等
自由电子—少数载流子 空穴——多数载流子（由两部分组成）
第7页/共34页
能带结构
电子的共有化运动
——满足能量最低原理 ——泡利不相容原理
第8页/共34页
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2个能级，N个原子靠近时，一个 能级将分裂为N个相距很近的能级，形成能带
半导体产业
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半导体发展趋势
半导体发展趋势——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。 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
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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。电子器件的发展历经4个阶 段：
半导体材料的基本特性概要
会计学
1
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。
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电子能级 原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子 从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。
价电子层 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 很容易失去这个电子，有7个价电子的原子容易得到一个 电子，具有亲和力。
第22页/共34页
上集成的晶体管增多降低了 成本。
半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
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微电子技术发展展望
纵观20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： 1、器件的特征尺寸继续缩小 2、系统集成芯片将是将来一段时间内发展的重点 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。
★终测 为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路 进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数。
第33页/共34页
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常见半导体——硅
硅是一种元素半导体 ，4个价电子，正好位于优质导体和绝 缘体之间。
选择硅的主要理由： 硅的丰富度 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 氧化硅的自然形成
第12页/共34页
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。
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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型半导体：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，氮 自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子
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P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
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★硅片制备 在这一阶段，将硅从沙中提炼并纯化，经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭，然后将硅锭切割。
第31页/共34页
★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 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成电路。
★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300MHz。 应用范围：混频器，振荡器等
第28页/共34页
集成电路对半导体材料的基本的要求
★衬底必须是纯净的 ★单晶硅片 ★晶体的基本形态
单晶 多晶 非晶 ★综合指标要求 导电类型 N型或P型
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集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
第2页/共34页
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，不易脱离轨道。
第3页/共34页
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 形成离子键，不稳定的原子容易形成离子键。
第4页/共34页
混频器振荡器等集成电路对半导体材料的基本的要求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综合指标要求综合指标要求导电类型导电类型nn型或型或pp型型硅片制造硅片制造硅片制备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
半导体分类
本征半导体：几乎不含任何杂质的半导体。
自由电子 当导体处于热力学温度0K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原子核的束缚，而参与导电，成为 自由电子。
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。
第9页/共34页
价带：被价电子填充的能带 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 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
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能带的特点：
能带的宽窄由晶体的性质决定,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。 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
第26页/共34页
集成电路的分类
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 ★ MOS（metal-oxide-semiconductor）管集成电路,有 源器件为MOS晶体管。载流子是电子或者空穴，又称 为单极型晶体管。
★硅片测试/拣选 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。
第32页/共34页
★装配与封装 硅片拣选和测试后，进入装配与封装，以便 把单个芯片装在保护壳内。硅片的背面进行研磨以减少 衬底的厚度，一片厚的塑料薄膜被贴在每个硅片的背面， 然后，在正面沿着划片线用带金刚石的锯刃将每个硅片 上的芯片分开。