半导体材料的发展及应用培训教材
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半导体材料第1讲-绪论
1
现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的 加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决，就可以为我们提供一个非常广阔的发现新材料的空间。
半导体材料
陈易明
物 质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称 为绝缘体。电阻率ρ≥109Ωcm
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而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。电阻率ρ≤10-6Ωcm
02
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。 10-3≤ ρ ≤109
从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术水平最高水平在45nm(中芯国际)
硅单晶及其外延
硅的直径为什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸发展，而是从8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》，所谓《摩尔定律》就是每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。
同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。
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半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
半导体材料的发展及应用课件
半导体材料的发展及应用课件
contents
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的特性 • 半导体材料的应用 • 新型半导体材料的研究进展 • 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
半导体是指导电性能介于导体和绝缘 体之间的材料。它们具有特殊的电学 、光学和热学性质，是制造电子器件 和集成电路的关键材料。
折射率与光学非线性
半导体材料的折射率较高，且具有较大的光学非线性系数，可用于 光学器件和倍频技术。
热学特性
01
02
03
热导率
半导体材料的热导率相对 较低，不利于热量的快速 传导。
热稳定性
半导体材料在高温下容易 发生热激发和热分解，影 响其稳定性和可靠性。
热膨胀系数
半导体材料的热膨胀系数 与封装材料和衬底的热膨 胀系数相关，需要考虑匹 配和兼容性。
碳纳米管在制造高灵敏度传感器 、高效储能器件、高性能复合材
料等领域具有广泛应用前景。
碳纳米管在电子器件领域的应用 研究已经取得了一些突破，但仍 需要解决制备成本高、稳定性差
等问题。
石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有极高的电导率、热导 率和强度。
石墨烯在制造透明导电膜、高性能储能器件、传感器等领域具有广泛应 用前景。
微电子领域
微电子领域是半导体材料应用的重要 领域之一，主要涉及集成电路、微处 理器、晶体管等元器件的制造。
随着技术的不断发展，半导体材料在 微电子领域的应用将更加广泛，例如 在人工智能、物联网、5G等领域的应 用。
半导体材料在微电子领域的应用，使 得电子设备更加小型化、高效化和智 能化。
光电子领域
其他新型半导体材料
contents
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的特性 • 半导体材料的应用 • 新型半导体材料的研究进展 • 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
半导体是指导电性能介于导体和绝缘 体之间的材料。它们具有特殊的电学 、光学和热学性质，是制造电子器件 和集成电路的关键材料。
折射率与光学非线性
半导体材料的折射率较高，且具有较大的光学非线性系数，可用于 光学器件和倍频技术。
热学特性
01
02
03
热导率
半导体材料的热导率相对 较低，不利于热量的快速 传导。
热稳定性
半导体材料在高温下容易 发生热激发和热分解，影 响其稳定性和可靠性。
热膨胀系数
半导体材料的热膨胀系数 与封装材料和衬底的热膨 胀系数相关，需要考虑匹 配和兼容性。
碳纳米管在制造高灵敏度传感器 、高效储能器件、高性能复合材
料等领域具有广泛应用前景。
碳纳米管在电子器件领域的应用 研究已经取得了一些突破，但仍 需要解决制备成本高、稳定性差
等问题。
石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有极高的电导率、热导 率和强度。
石墨烯在制造透明导电膜、高性能储能器件、传感器等领域具有广泛应 用前景。
微电子领域
微电子领域是半导体材料应用的重要 领域之一，主要涉及集成电路、微处 理器、晶体管等元器件的制造。
随着技术的不断发展，半导体材料在 微电子领域的应用将更加广泛，例如 在人工智能、物联网、5G等领域的应 用。
半导体材料在微电子领域的应用，使 得电子设备更加小型化、高效化和智 能化。
光电子领域
其他新型半导体材料
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
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9
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（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
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（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
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4
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
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3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
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12
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
半导体材料的应用及发展趋势.pptx
延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子 束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微 晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类 型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。三
、半导体材料发展现状相对于半导体设备市场，半导体 材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长， 材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场 所带来的阴影。按销售收入计算，半导体材
、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、 Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被 利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素 已得到利用。Ge、Si
仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。（半导体 材料）2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元 系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪 锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:
Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固 溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb
-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改 善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大 作用。（半导体材料元素结构图）半导体材料三元系包 括：族:这是由一
由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成， 典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用 方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元 素Zn、
Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要 的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ 族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化 合
半导体材料的发展及应用培训
半导体材料在能源领域的应用
• 能源领域的应用 • 半导体材料广泛应用于太阳能电池、燃料电池等能源器件的制 造 • 半导体材料在能源领域的应用具有重要意义，推动了清洁能源 技术的发展
05
半导体材料的发展趋势与挑战
半导体材料的未来发展趋势
• 未来发展趋势 • 半导体材料将继续向高纯度、高性能、低成本等方向发展 • 新型半导体材料的研究与应用将不断深入，推动半导体产业的 创新发展
硅的发明
• 1950年代，贝尔实验室的威廉·肖克利等人发明硅晶体管 • 硅晶体管的发明标志着半导体材料在电子器件中的广泛 应用
半导体材料的发展历程与重要突破
半导体材料的发展历程
• 1960年代，硅和锗半导体材料广泛应用于集成电路制造 • 1970年代，化合物半导体和宽带隙半导体研究取得重要进展
重要突破
03
半导体材料的主要制备技术
化学气相沉积(CVD)技术
化学气相沉积技术简介
• 化学气相沉积是一种通过化学反应在固体表面生成薄膜的方法 • 具有高纯度、高生长速率和良好的膜层质量等优点
化学气相沉积技术的应用
• 化学气相沉积技术广泛应用于硅、镓砷化物等半导体材料的制备 • 可以用于制备薄膜半导体材料在光电子器件中取得广泛应用 • 1990年代，碳化硅和氮化镓半导体材料在能源领域取得重要突破
半导体材料的当前状况与市场应用
当前状况
• 半导体材料在电子、光电子、能源等领域具有广泛应用 • 半导体材料的研究不断深入，新型半导体材料不断涌现
市场应用
• 半导体材料在集成电路、光电器件、太阳能电池等领域 具有广泛应用 • 半导体材料的市场规模不断扩大，产业发展前景广阔
半导体材料的发展及应用培训
半导体材料培训
1.2半导体材料的类别
对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、 化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。 在化合物阶段， 所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。
例如我们看砷化镓：它是半导体，如果把Ga下面的In替换镓，就变成InAs， 也是半导体，同样，如果把As替换成P或Sb，同样也是半导体。 这种替换是垂直方向的，它服从周期表的规律，即从上往下金属性变强， 最后就不是半导体了。 也可以在周期表中进行横向置换，仍以GaAs为中心，Ga向左移变成Zn，As 向右移变成Se，ZnSe是半导体。 这些置换都要注意原子价的平衡。在垂直移动时，原子价不发生变化，但 在横向移动时，就要考虑两个元素同时平移。 同时在原子价总和不变的前提下也可以用两元素取代一个，例如ZnSe，Zn 是二价，与可以用其左右的Cu与Ga取代，即CuGaSe2也是半导体材料。这样 可以导出三元化合物半导体。 另外可用莫塞（Mooser）-皮尔狲（Pearson） 法则来进行推算，此法能预 测大多数化合物是否具有半导体性质，但对某些化合物，如金属的硼化物的 判断就不够准确。
BC 硼碳
Si P S 硅磷硫 Ge As Se 锗砷硒 Sn Sb Te I 锡锑碲碘
图1.1元素半导体在周期表中的位置
在磷的同素异形体中，只有黑磷具有半导体性质，由于制备黑磷及其单晶的难 度较大，未获工业应用。 砷的同素异形体之一的灰砷具有半导体性质，但由于制备单晶困难，且其迁移 率较低，故未获应用。 锑的同素异形体之一的黑锑具有半导体性质，但它在0oC以上不稳定，亦未获 应用。 硫的电阻率很高，属绝缘体，但它具有明显的光电导性质。硫作为半导体材料 还未获得应用。 硒的半导体性质发现得很早，现用于制作整流器、光电导器件等。 碲的半导体性质已有较多的研究，但因尚未找到n型掺杂剂等原因，未得到应 用。
《半导体产品培训》课件
物联网技术对半导体的需求
传感器需求：物联网设备需要大量的传感器来感知环境
存储芯片需求：物联网设备需要存储芯片来存储数据
计算芯片需求：物联网设备需要计算芯片来处理数据
通信芯片需求：物联网设备需要通信芯片来传输数据
未来半导体市场的发展趋势
5G技术的普及将推动半导体市场的增长
人工智能、物联网等新兴技术的发展将带动半导体市场的需求
封装技术的发展历程：从最初的TO封装到现代的BGA封装，封装技术不断进步
封装技术的分类：根据封装材料的不同，可以分为塑料封装、陶瓷封装、金属封装等
封装技术的发展趋势：向着小型化、高密度、高可靠性方向发展，以满足现代电子产品的需求
半导体产品研发与生产
半导体产品研发流程
需求分析：确定产品需求，包括性能、成本、可靠性等
设计阶段：进行电路设计、仿真、验证等
制造阶段：进行晶圆制造、封装、测试等
量产阶段：进行大规模生产，保证产品质量和成本控制
售后服务：提供技术支持和售后服务，确保客户满意度
半导体产品生产流程
设计阶段：确定产品规格、性能、成本等要求
制造阶段：包括晶圆制造、芯片制造、封装测试等步骤
测试阶段：对产品进行性能、可靠性等测试
量产阶段：根据市场需求进行大规模生产
质量控制：确保产品质量符合标准要求
售后服务：提供技术支持和维修服务
半导体产品测试与验证
测试目的：确保产品性能和质量符合设计要求
测试方法：包括功能测试、性能测试、可靠性测试等
测试工具：包括测试设备、测试软件等
测试结果分析：对测试数据进行分析，找出问题并提出改进措施
半导体产品技术发展
半导体材料技术发展
添加标题
硅材料：广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域
半导体材料的发展及应用培训教材PPT(共 33张)
半导体交通信号灯
路灯采LED与电源模块分离式设 计易于往后维修保固。最佳化散 热管理技术，有效将灯具光衰现 象降至最低。灯具防尘防水保护 等级IP66 。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
二.消费类
信息产业数字化、智能化、网络化的 不断推进,新材料和新技术的不断涌现,都 将对半导体未来的发展产生深远的影响, 将会从不同的侧面促进半导体高速、低 噪声、大功率、大电流、高线性、大动 态范围、高效率、高灵敏度、低功耗、 低成本、高可靠、微小型等方面快速发 展。
日常生活中的消费品？？？
电视 手机 音箱 冰箱
…
它们又应用到了半导体材料的哪 些方面呢？
数字电视机
选择数字电视便是选 择了一种高品质，新 时代的生活方式。
消费类
全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越 高，音视频装置日益无线化，这类产品的市场为化合物半 导体的应用带来了庞大的新市场。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
三. 移动通信技术正在不断朝有利于 化合物半导体产品的方向发展
目前，二代半技术成为移动通信 技术的主流，同时正在逐渐向第三代 （3G）过渡.
由于二代半技术对功放的效率和散热 有更高的要求，而3G技术要求更高 的工作频率，更宽的带宽和高线性， 这对砷化镓技术的发展是有利的。
总的来说：
硅（元素半导体）本身有许多难以 再改善的电子特性已经无法再充分满足 人们的需求，化合物半导体逐渐受到青 睐，其中砷化镓凭借着高频率，高电子 迁移率，低噪音，输出功率高，耗能少 ，效益高以及线性度良好，不易失真等 优越的特性，脱颖而出，开发前景令人 鼓舞。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
谢谢大家！
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11、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。
半导体材料的发展及应用
半 导 体 材 料
的 发 展 及 应
陶 忠 良
用
（ 林 航 空 工程 学 校 ， 吉 吉林 吉林 摘 要 ：自然 界 中的 物 质 ， 据 其 导 电 性 能 的 差 异 可 划 根 分 为 导 电性 能 良好 的 导 体 、 几乎 不能 导 电 的绝 缘 体 和 半 导 体 ， 本 文介 绍 了半 导 体 材料 的发 展 与 应 用 关 键 词 ：半 导体 材 料 发 展 应 用 自然 界 中 的 物 质 ，根 据 其 导 电性 能 的 差异 可划 分 为 导 电 性 能 良好 的导 体 （ 银 、 、 等 ） 几乎 不 能 导 电的 绝 缘 体 （ 如 铜 铁 、 如 橡胶 、 瓷、 料等） 半导体（ 锗 、 、 陶 塑 和 如 硅 砷化 镓 等 ） 。 半导体是 导电能力介 于导体和绝缘体 之间的一种物质 。 它 的导 电能 力 会 随 温度 、 照 及 掺 入 杂 质 的不 同而 显 著 变 化 ． 光 特 别 是 掺 杂 可 以 改 变 半 导 体 的 导 电 能 力 和 导 电类 型 ，这 是 其 广泛 应 用 于 制 造各 种 电子 元 器 件 和 集 成 电路 的基 本 依 据 。 下 面 就 其 半 导 体 的 发展 与 应 用 加 以 介绍 。 半导 体 材 料 的 发 展 第 一 代半 导 体 是 “ 素 半 导体 ” 典 型 如 硅 基 和 锗 基 半 导 元 ， 体 。其 中 以硅 基 半 导 体 技 术 较 成 熟 ， 用 也 较 广 泛 ， 般 用 硅 应 一 基半 导 体 来 代 替 元 素半 导体 的名 称 。 第 二 代 半 导 体 材 料 是 化 合 物 半 导 体 。 化合 物半 导体 是 以 砷 化 镓 （ Ａ ） 磷 化 铟 （ｎ 和 氮 化 镓 （ Ｎ） 为 代 表 ， 括 Ｇａ ｓ 、 Ｉ Ｐ） Ｇａ 等 包 许 多其 它 Ｉ — ｖ族化 合 物 半 导 体 。 这 些化 合 物 中 ， Ｉ Ｉ 商业 半 导体 器 件 中用 得 最 多 的 是 砷 化 镓 （ ａ ｓ 和 磷 砷 化 镓 （ ａ ｓ ） 磷 ＧＡ） Ｇ ＡＰ 、 化 铟 （ｎ 、 铝 化 镓 （ ＡＩ ） 磷 镓化 铟 （ｎ ａ ） ＩＰ） 砷 Ｇａ Ａｓ 和 Ｉ Ｇ Ｐ 。其 中 砷化 镓技 术较 成 熟 ． 用 也 较 广 泛 。 应 二 、 导 体材 料 的应 用 半 半 导体 材 料 的 早 期 应 用 ：半 导 体 的 第 一 个 应 用 就 是 利 用 它 的 整 流效 应 作 为 检 波 器 ， 就是 点接 触二 极 管 （ 俗 称猫 胡 子 也 检 波 器 ， 即将 一 个 金 属 探 针 接 触 在 一 块 半 导 体 上 以 检 测 电 磁 ． 波） 了 检 波 器 之外 ， 早 期 ， 导 体还 用来 做 整 流 器 、 ，除 在 半 光伏 电池 、 外 探 测 器 等 ， 导 体 的 四个 效 应 都 用 到 了。 从 １ ０ 年 红 半 ９７ 到 １ ２ 年 ． 国 的 物 理 学 家 研 制 成 功 晶 体 整 流 器 、 整 流 器 和 ９７ 美 硒 氧 化 亚 铜 整 流 器 。 １ ３ 年 ， 兰治 和 伯 格 曼 研 制 成 功 硒 光 伏 电 ９１ 池 。ｔ ３ 年 ， 国 先 后 研 制 成 功 硫 化 铅 、 化 铅 和 碲 化 铅 等 半 ９２ 德 硒 导 体 红 外 探测 器 ， 二 战 中用 于 侦 测 飞 机 和舰 船 。 战时 盟 军 在 二 在 半 导 体 方 面 的研 究 也 取 得 了很 大 成 效 ，英 国就 利 用 红 外 探 测 器 多 次 侦 测 到 了德 国 的飞 机 。 今 天 ， 导 体 已广 泛 地 用 于 家 电 、 讯 、 业 制 造 、 空 、 半 通 工 航 航 天 等 领 域 。 １ ９ 年 ，电 子 工 业 的世 界市 场份 额 为 ６ １ 亿 美 ９４ ９０ 元 ． ９ ８ 增 加 ￣ ９ ５ 亿 美 元 。而 其 中 由于 美 国 经 济 的 衰 退 ， １９ 年 ３８ 导致 了半 导 体 市 场 的 下 滑 ， 由 １９ 年 的１０ 多 亿 美 元 ， 降 即 ９５ ５０ 下 到 １ ９ 年 的 １０ 多亿 美 元 。 ９８ ３０ 经过 几 年 的徘 徊 ， 目前 半 导体 市场 已有 所 回升 。 三 、 二代 半 导 体 材 料 的 发 展 方 向 第 当前 化 合 物 半 导 体 产业 发展 主 要 体 现 在 以下 五 个 方 面 。 １消 费类 光 电 子 光 存 贮 、 字 电 视 与 全球 家 用 电子 产 品 ． 数
的 发 展 及 应
陶 忠 良
用
（ 林 航 空 工程 学 校 ， 吉 吉林 吉林 摘 要 ：自然 界 中的 物 质 ， 据 其 导 电 性 能 的 差 异 可 划 根 分 为 导 电性 能 良好 的 导 体 、 几乎 不能 导 电 的绝 缘 体 和 半 导 体 ， 本 文介 绍 了半 导 体 材料 的发 展 与 应 用 关 键 词 ：半 导体 材 料 发 展 应 用 自然 界 中 的 物 质 ，根 据 其 导 电性 能 的 差异 可划 分 为 导 电 性 能 良好 的导 体 （ 银 、 、 等 ） 几乎 不 能 导 电的 绝 缘 体 （ 如 铜 铁 、 如 橡胶 、 瓷、 料等） 半导体（ 锗 、 、 陶 塑 和 如 硅 砷化 镓 等 ） 。 半导体是 导电能力介 于导体和绝缘体 之间的一种物质 。 它 的导 电能 力 会 随 温度 、 照 及 掺 入 杂 质 的不 同而 显 著 变 化 ． 光 特 别 是 掺 杂 可 以 改 变 半 导 体 的 导 电 能 力 和 导 电类 型 ，这 是 其 广泛 应 用 于 制 造各 种 电子 元 器 件 和 集 成 电路 的基 本 依 据 。 下 面 就 其 半 导 体 的 发展 与 应 用 加 以 介绍 。 半导 体 材 料 的 发 展 第 一 代半 导 体 是 “ 素 半 导体 ” 典 型 如 硅 基 和 锗 基 半 导 元 ， 体 。其 中 以硅 基 半 导 体 技 术 较 成 熟 ， 用 也 较 广 泛 ， 般 用 硅 应 一 基半 导 体 来 代 替 元 素半 导体 的名 称 。 第 二 代 半 导 体 材 料 是 化 合 物 半 导 体 。 化合 物半 导体 是 以 砷 化 镓 （ Ａ ） 磷 化 铟 （ｎ 和 氮 化 镓 （ Ｎ） 为 代 表 ， 括 Ｇａ ｓ 、 Ｉ Ｐ） Ｇａ 等 包 许 多其 它 Ｉ — ｖ族化 合 物 半 导 体 。 这 些化 合 物 中 ， Ｉ Ｉ 商业 半 导体 器 件 中用 得 最 多 的 是 砷 化 镓 （ ａ ｓ 和 磷 砷 化 镓 （ ａ ｓ ） 磷 ＧＡ） Ｇ ＡＰ 、 化 铟 （ｎ 、 铝 化 镓 （ ＡＩ ） 磷 镓化 铟 （ｎ ａ ） ＩＰ） 砷 Ｇａ Ａｓ 和 Ｉ Ｇ Ｐ 。其 中 砷化 镓技 术较 成 熟 ． 用 也 较 广 泛 。 应 二 、 导 体材 料 的应 用 半 半 导体 材 料 的 早 期 应 用 ：半 导 体 的 第 一 个 应 用 就 是 利 用 它 的 整 流效 应 作 为 检 波 器 ， 就是 点接 触二 极 管 （ 俗 称猫 胡 子 也 检 波 器 ， 即将 一 个 金 属 探 针 接 触 在 一 块 半 导 体 上 以 检 测 电 磁 ． 波） 了 检 波 器 之外 ， 早 期 ， 导 体还 用来 做 整 流 器 、 ，除 在 半 光伏 电池 、 外 探 测 器 等 ， 导 体 的 四个 效 应 都 用 到 了。 从 １ ０ 年 红 半 ９７ 到 １ ２ 年 ． 国 的 物 理 学 家 研 制 成 功 晶 体 整 流 器 、 整 流 器 和 ９７ 美 硒 氧 化 亚 铜 整 流 器 。 １ ３ 年 ， 兰治 和 伯 格 曼 研 制 成 功 硒 光 伏 电 ９１ 池 。ｔ ３ 年 ， 国 先 后 研 制 成 功 硫 化 铅 、 化 铅 和 碲 化 铅 等 半 ９２ 德 硒 导 体 红 外 探测 器 ， 二 战 中用 于 侦 测 飞 机 和舰 船 。 战时 盟 军 在 二 在 半 导 体 方 面 的研 究 也 取 得 了很 大 成 效 ，英 国就 利 用 红 外 探 测 器 多 次 侦 测 到 了德 国 的飞 机 。 今 天 ， 导 体 已广 泛 地 用 于 家 电 、 讯 、 业 制 造 、 空 、 半 通 工 航 航 天 等 领 域 。 １ ９ 年 ，电 子 工 业 的世 界市 场份 额 为 ６ １ 亿 美 ９４ ９０ 元 ． ９ ８ 增 加 ￣ ９ ５ 亿 美 元 。而 其 中 由于 美 国 经 济 的 衰 退 ， １９ 年 ３８ 导致 了半 导 体 市 场 的 下 滑 ， 由 １９ 年 的１０ 多 亿 美 元 ， 降 即 ９５ ５０ 下 到 １ ９ 年 的 １０ 多亿 美 元 。 ９８ ３０ 经过 几 年 的徘 徊 ， 目前 半 导体 市场 已有 所 回升 。 三 、 二代 半 导 体 材 料 的 发 展 方 向 第 当前 化 合 物 半 导 体 产业 发展 主 要 体 现 在 以下 五 个 方 面 。 １消 费类 光 电 子 光 存 贮 、 字 电 视 与 全球 家 用 电子 产 品 ． 数
《半导体材料》课件
N型半导体
通过向半导体中掺入五价杂质，可以形成具有负 电荷的N型半导体。
PN结
PN结是由P型和N型半导体材料结合而成的结构， 具有重要的电子器件应用。
二极管
二极管是一种基本的半导体器件。它具有只允许 单向电流通过的特性。
4. 高级半导体器件
M Oபைடு நூலகம்FET
MOSFET是一种基于半导体材料 的重要集成电路组件，广泛应用 于电子设备中。
光电二极管
光电二极管是一种半导体器件， 可以将光能转换为电能，广泛用 于通信和光电领域。
激光二极管
激光二极管是利用半导体材料产 生激光的器件，应用于激光打印 机、激光通信等领域。
5. 应用领域
计算机芯片
半导体材料是计算机 芯片制造的基础，推 动了电子产品的快速 发展。
通信设备
半导体器件在无线通 信、移动通信等领域 中发挥着重要的作用。
光电子器件
光电子器件利用半导 体材料的特性，实现 光信号的检测和处理。
新能源领域
半导体材料在太阳能 电池、燃料电池等新 能源领域有着广泛的 应用。
6. 总结
半导体材料具有独特的电性能和广泛的应用。通过了解半导体的基本概念和器件原理，我们可以更好地理解现 代电子技术的发展和应用。期待未来半导体材料的更多突破和创新！
2. 基本概念
1 价带和导带
半导体中的价带和导带决定了电子的能量状态和传导性质。
2 禁带宽度
禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，影响了半导体的导电性。
3 掺杂
通过掺杂杂质，可以改变半导体的导电性能，使其成为P型或N型半导体。
3. 掺杂与半导体器件
P型半导体
通过向半导体中掺入三价杂质，可以形成具有正 电荷的P型半导体。
培训资料(半导体)
半导本一、 半导体的基要知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体绝缘体：有的物体几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导本：另一类物质的导电性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和硫化物、氧化物等。
二、 本征半导本通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。
在硅和锗晶体中，原子之间靠近的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子共有，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被电子紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导本的导电能力很弱。
在绝对0度和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键留下一个空位，称为空穴。
本征导半导中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。
一个空穴带一个单位的正电子电量，电子是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带负电。
三、 杂质半导本在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导本的导电性能发生显著变化。
使自由电子浓度大大增加的杂质半导本称为N型半导体（电子半导本），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导本（空穴半导本）1、N型半导本在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导本原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导本原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就就成了不能移动的带正电电的离子。
每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
半导体培训手册上册
半导体培训手册上册1.1半导体物理基础1.1.1半导体的性质世界上的物体假如以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。
容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，要紧有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。
众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。
金属之因此容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规那么地沿着电场的相反方向流淌，形成了电流。
自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规那么流淌的平均速度越高，电流就越大。
电子流淌运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。
在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不出现导电性。
半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。
半导体能够是元素，如硅〔Si〕和锗〔Ge〕，也能够是化合物，如硫化镉〔OCLS〕和砷化镓〔GaAs〕，还能够是合金，如Ga x AL1-x As，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
半导体的电阻率较大〔约10-5≤ρ≤107Ω⋅m〕，而金属的电阻率那么专门小〔约10-8~10-6Ω⋅m〕，绝缘体的电阻率那么专门大〔约ρ≥108Ω⋅m〕。
半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度从200C升高到300C，电阻率就要降低一半左右。
金属的电阻率随温度的变化那么较小，例如铜的温度每升高1000C，ρ增加40%左右。
电阻率受杂质的阻碍显著。
金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却能够引起电阻率专门大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14⨯103Ω⋅m减小到0.004Ω⋅m左右。
金属的电阻率不受光照阻碍，然而半导体的电阻率在适当的光线照耀下能够发生显著的变化。
半导体材料应用技术及发展前景_PPT课件
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匀胶前产 生的颗粒
显影后 产生的 颗粒
薄膜生长 前或生长 过程中产 生的颗粒
颗粒影响示意图
（四）金属离子
P型半导体：在本征半导体中掺入少量 的三价元素杂质，多数载流子是空穴，少 数载流子是电子
N型半导体：在本征半导体中掺入少量 的五价元素杂质，多数载流子是电子，少 数载流子是空穴
金属：自由电子
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正常
线条轮廓 不理想
曝光不 充分
（3）硅片 平整度/局部平整度/弯曲度/翘曲度：影响曝光均匀性．
（4）光刻板：线条精度
UV Light
Lens Pellicles
Reticle Lens
光刻曝光技术
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2、蚀刻线条的影响
（1）湿法蚀刻 化学品的纯度 配比的精度：如
BOE/PAE/PAD 表面张力
在生产流程中，生产过程、硅片运输、储存和转运等过程中所产生的 静电电压却远远超过其击穿电压阈值，这就可能造成器件的击穿或失效， 降低电路的可靠性和圆片成品率。
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静电的来源：摩擦
主要产生于： （１）人员的动作：鞋与地板、衣服间的摩擦、操作动作产生的摩擦等；
（２）硅片与夹具、硅片与片舟、片舟与片盒，器具与工作台、设备手臂 移动硅片等。
(3)氧含量 (4)碳含量
在制造过程中易引起晶体缺陷，从而影响器件的电流、 电压等特性，芯片的可靠性降低．
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（二）线条的影响
1、光刻线条的影响因素： （1）光刻胶：
分辨率：图形的分辨能力 DOF特性：光刻机焦距的容忍度 水份：产生表面缺陷，如：气泡 固体含量：显影效果 粘度：胶厚度及均匀性
（2）显影液： 成分的稳定
原题目：半导体材料应用技术及发展前景
半导体材料的发展及应用培训
半导体材料的发展及应用培训1. 引言半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有电导率介于金属和非金属之间的特性。
随着科技的不断进步，半导体材料在电子、通信、能源等领域的应用越来越广泛。
为了更好地了解半导体材料的发展及其应用，进行相应的培训是非常有必要的。
本文将介绍半导体材料的发展过程，并重点介绍其在电子、通信和能源领域的应用。
通过这些培训内容，读者将能够更好地了解半导体材料的特性以及如何应用它们来解决实际问题。
2. 半导体材料的发展半导体材料的发展可以追溯到19世纪末的砷化镓材料的发现。
20世纪初，硅材料的发现使半导体材料的研究进入了一个新的阶段。
随后，通过对半导体材料的纯化和掺杂等技术的不断改进，半导体材料的电导率和特性得到了显著提升。
同时，发展出了多种半导体材料，如硅、锗、砷化镓等，以满足不同领域的需求。
此外，半导体材料的制备工艺也得到了不断的改进和创新。
从最早的晶体生长技术到现在的薄膜沉积和纳米加工技术，这些工艺的发展为半导体材料的制备提供了更多选择，同时也提高了材料的质量和性能。
3. 半导体材料在电子领域的应用半导体材料在电子领域有着广泛的应用。
最典型的应用就是半导体器件的制造，如晶体管、二极管和集成电路等。
这些器件通过控制电流的流动来实现信号的放大、开关和逻辑运算等功能。
半导体材料的特性和制备工艺决定了器件的性能和工作状态，因此对半导体材料的了解和掌握是电子工程师的基本要求。
另外，在电子器件中常用的显示技术，如液晶显示和有机发光二极管（OLED），也离不开半导体材料。
液晶显示屏利用电场来控制液晶分子的排列，从而实现图像的显示。
而OLED则通过电流的注入来激发有机材料的发光，具有更广泛的应用前景。
4. 半导体材料在通信领域的应用半导体材料在通信领域也扮演着重要角色。
无线通信技术的发展离不开半导体材料的持续创新。
例如，手机中的射频芯片利用半导体材料的特性来实现无线信号的放大和调制。
而光通信则利用半导体材料的特性来实现光信号的发射、接收和调制。
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