半导体材料课件ppt
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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。
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
【材料课件】第八章 半导体电子材料
9. 可利用SOI器件制作三维集成电路
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
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。
教学课件PPT基本半导体材料及晶圆制备
由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为 正外延和负外延（反外延）；
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
半导体材料 ppt课件
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
《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
半导体材料ppt课件
Plasma assisted etching sequence Take a molecular gas CF4 Establish a glow discharge CF4+e CF3 + F + e Radicals react with solid films to form volatile product Si + 4F SiF4 Pump away volatile product (SiF4 )
H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
Metal-organic reaction MOCVD
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
Metal-organic reaction MOCVD
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
《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。
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f (E）＝1/ [1 + EXP(E - EF)/k T]
空穴被占的几率为 1- f(E)。 这是一个很重要的物理参数，只要知道了
数值，在一定温度下电子在各量子态的统计分布就可以知道。引出玻尔兹曼
分布函数。 ， 推
得在一定温度下，一定的半导体材料
。
75
半导体的电子从价带激发到导带，同时价带产生了空穴。电子与空穴成对 出现，导带中电子浓度等于价带中的空穴 浓度，这就是本征激发情况下电 中性的条件。温度升高时会产生大量本征激发态，影响器件功能。一般情 况下只有杂质电离，器件工作稳定。引入器件极限温度。 实际半导体器件中， 。以掺磷的 n 型半导体为 例： （1）低温弱电离区：温度很低时，大部 分施主杂质能级仍为电子占据，只有很 少施主杂质发生电离，这少量电 子进 入导带，这时称为弱电离。 （2）强电离区：当温度升高到大部分杂 质都电离为强电离。 （3） 高温本征激发区：继续升高温度 ，使本征激发产生的本征载流子数远多 于杂质电离产生的载流子。
�
p A � N A � p A � N A (1 � f A ( E )) �
�
ND E �E 1 � 2 exp( � F A ) k BT
51
2.2.1
n型半导体的平衡载流子浓度
电中性条件：
电子浓度
电离的施主浓度 价带中的空穴浓度 52
n0 = nD++P0
2.2.1
p型半导体的平衡载流子浓度
合金法
扩散法
56
2.2.1
p-n结平衡能带结构
p-n
（a）
p-n a n-p b p-n
（b）
57
2.2.1
p-n结平衡电势
58
2.2.1
p-n
I
V
p-n
p-n
59
2.2.1
半导体的光吸收及光电导
直接吸收
间接吸收
60
2.2.1
半导体的光生伏特效应
光
61
x Hz
y
I
Jx
Ey
Z
62
x y
RH
+ + + + +
扩散运动
82
PN
漂移运动
内电场E
－ － － － － － － － － － － －
－ － － － － －
－ － － － － －
+
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + +
扩散运动
83
2.2.4.2 PN
PN
P
P
N
N
84
PN
PN P
－ + + + +
4
非晶态半导体虽然在整 体上分子排列无序，但 是仍具有单晶体的微观 结构，因此具有许多特 殊的性质。
以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件
50
1968
B.T.
S.R.
1975
W.E.
PN
37
P.W.
1977
N.F.
�
�
�
�
38
�2.2.1 �2.2.2 �2.2.3 �2.2.4 �2.2.5
Rd
rD
Rd=UQ/IQ
UQ
u
rD =ΔUQ/ Δ IQ Q
90
1
0.7V( ui
=0 .5V
=0
)
=0
ui
RL
uO
uo
t
t
91
+ IZ
I UZ
, ,
Izmax
Izmin
IZ
IZmin
92
U
IZmax
Izmax=12mA Izmin=2mA ui=12V R=200 1.5 k ~4 k
UZW=10V RL=2k
ik � r
41
N 个原子靠的很近时，原来某个能级上的电子就
于某个原子而是在晶体中做共有化运动。 N N
，这时电子不再属
允带之间因为没有能级称为禁带。如图（1）所示：
1 42
导带 Eg
Eg
价带
”
43
2.2.1
直接带隙
间接带隙
44
2.2.1
�导带底电子沿外加电场 漂移 �价带顶电子沿外加电场的方向漂移
•
4
αAg2S
1835
1833
1906
5
1947
1950 1952
50 ——
6
�
�
� �
7
举例说明： • •
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时
•
降至0.2Ωcm以下
硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm
电中性条件：
p0 = nA++n0
53
2.2.1
非平衡载流子
非平衡载流子的产生： （1）光辐照：短.1
非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合
载流子的各种复合机构： a – 直接复合； b - 体内间接复合； c – 表面间接复合
55
2.2.1
p-n结的制备工艺
－ － － － － －
+
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + +
扩散运动
81
PN
漂移运动
内电场E
－ － － － － － － － － － － －
－ － － － － －
－ － － － － －
+
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
RB
EB
E
N
IE
P
IC
Ec
100
= IC / IB
IB I B + IB
IC = IB IC IC + IC
IB
=
IC / IB
= = 20~100
IC =
101
IB
A
B V
C E V
mA
IC
RC
RB USB
UBE
UCE
USC
(
)
102
IB
UBE
40
60
80
IB( A)
UBE 0.7V
UCE 1V
+
－
－
N
_
－
85
PN P
－－ + + + + + + + + A
_
－－
－－
N
+
－－
86
PN
(1)
2.2.4.3
N
P
P
N
87
(2) I
U(BR)
I
U
0.6~0.7V, 0.2~0.3V
+
E
U
A 0.5V, 0.2V
88
3
Rd IQ
R UQ
rD
+ Q
US UQ IQ
89
3 i IQ
Q
UQ IQ
N
P P
B
C
E
E NPN
E
PNP
E
96
C B N P
E
N
97
C
N
B
+ +_ +_ +_ + _+ _+ _+ _+ _+ _+ _+ _+ __ _ ___ _________ +++++++++++++
P
N
E
98
2.2.4.4
P
C
IB
B RB EB
IB
N
E
N IE
P
Ec
IE
99
C
IB B
IC IC N
8� r � 0 h 2
4 m* q p
50
2.2.1
f D (E) �
1 1 E � EF 1 � exp( D ) 2 k BT
f A (E) �
1 1 E � EA 1 � exp( F ) 2 k BT NA E � EF 1 � 2 exp( � D ) k BT
nD � N D � nD � N D (1 � f D ( E )) �
IC
IC= IB =50 0.019=0.95 mA< ICS =2 mA Q
IB= (USB -UBE)/ RB =(2-0.7)/70=0.019 mA
ICS = (USC -UCE)/ RC =(12-0)/6=2mA 107
RB =70k
Q
=50
USC =12V