半导体材料-硅-其他PPT课件

55 56 56-70 71
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85
86
6
Cs Ba 镧系 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
铯钡 *
镥 铪钽钨铼锇铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡
7
87
Fr 钫
88
Ra 镭
89-102
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。 激光光刻线宽的极限约为0.2微米，用X射线光刻甚至可小于 0.1微米。目前利用0.3微米线宽工艺已在10mm×20mm的芯片 上集成了1.4亿个元件，集成密度达70万个/mm2。
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半导体材料的制作工艺
• 常用的半导体材料
制备工艺有提纯、 单晶的制备和薄膜 外延生长。提纯主 要有物理提纯和化 学提纯。单晶的制 备主要是利用熔体 生长法 ，其中提拉
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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）
• 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
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真空二极电 子管的工作
原理
17
晶体管的接触面工 作原理
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半导体在开关和整流器中的运用
原理：一个P-N结，它的作用是只让电 流向一个方向流通，是电的“单向阀”， 可以用作开关，也可作为整流器 。开 关时间可短到几十～几百ns，超高速集 成电路开关已达十几～几个ns。
• 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
10－8～10－6欧姆·米 ；
• 绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（3－6 eV） ，故不能
导电。绝缘体的电阻率约为108～1020欧姆·米 ；
• 半导体只有满带和空带，但禁带很小（0.1－2eV），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10－8～107欧13 姆·米。
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
钪 钛钒铬锰铁钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
37 38
5 Rb Sr 铷锶
39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 钇 锆铌钼锝钌铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙
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 格）。
金刚石结构
金刚石结构的排列特点是：
晶格立方格子的8个顶点有一个原子 晶格6个面的中心各有一个原子 晶格的4个对角线离顶点的1/4处各有一个原子 11
从不同方向观察硅晶体
金刚石结构 和常见CO2 分子结构比 较图。
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晶体的能带
集成电路
• 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 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。
• 制造工艺：主要是氧化、光刻、扩散掺杂和封
装。
• 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。
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半导体与集成电路
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
生载流子以增加半导体的导电能力，这 种半导体称为杂质半导体。
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n型和p型半导体
• 杂质半导体中以电子导电为主的称为n (negative)型半导体
(硅掺磷、砷等Ⅴ族元素)，以空穴导电为主的称为p (positive)型半导体(硅掺硼、镓等Ⅲ族元素) 。
2 Li Be 锂铍
元素周期表
2
He 氦
5
6
7
8
9
10
B C N O F Ne
硼碳氮氧氟氖
11 12
3 Na Mg 钠镁
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar 铝硅磷硫氯氩
19 20
4
K Ca
钾钙
21 22 23 24 25 26 27 28
29
30
31
32
33
34
35
36
锕系 **
103
Lr 铹*
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Uun
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ111
Uuu
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117 118
Uus9 Uuo
常见半导体材料
锗 硅
10
半导体材料的内部结构
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 因是因为它的特殊的结构。
“硅器”时代
1
“硅器”
硅是一种常见的物 质，它广泛的存在 于我们的日常生活 中，从你手中的手 机，到家中的电视， 陶瓷餐具，水晶工 艺品，无不包含着 硅的身影。可以说， 硅在我们的生活中 无处不在。
2
远古时候的“硅器”
陶瓷，主要成分为硅酸盐
3
天然石英（SiO2）
4
生活中的硅
水晶欣赏
金丝水晶球
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npn三极管示意图
三极管的重要特性是具有放大作用
20
半导体材料制作晶体管
晶体管原理图
晶体管结构
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• 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、肖克利和布拉顿。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，微电子学诞 生了，并获得迅速发展。1958年半导体硅集成电路的诞生， 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。 22
24
集成电路
内存条 计算机主板
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微电子技术的发展
年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代
名称 晶体管
集成度（单位体积中
的元件个数）
100
集成电路
1000
大规模集成电路
1万～10万
超大规模集成电路
100万～1亿
更大规模集成电路
100亿～200亿
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芯片换代的标志
• 1 密集程度高 • 2 同等功能的元件和整机的价格下降 • 3 尺寸减小 • 4 信息容量增大 • 5 运算速度提高
5
岱岳雄姿
观音
6
电脑中的 硅芯片
主板 7
什么是“半导体材料”
材料按照导电的能力来划分可以分为：
•导体 ——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。
8
1
1
H
氢
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