第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件-PPT课件
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半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 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金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
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半导体基础知识ppt培 训课件
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
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）
半导体材料概述课件
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
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
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。
1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物 氯化物熔盐电解法制得晶体硅。
地壳中各元素的含量
硅的分布
硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3％， 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
硅的化学性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有无 定形和晶体两种同素异形体，属于元素 周期表上IVA族的类金属元素。
氧原子
[SiO2]四面体
硅的能带结构
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，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。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，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。
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• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
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。
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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。
半导体材料总结ppt课件
(一)、半导体材料特性(5学时)
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
ppt课件.
23
23
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
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
ppt课件.
2
2
ppt课件.
3
3
按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
ppt课件.
6
6
（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
ppt课件.
23
23
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
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
ppt课件.
2
2
ppt课件.
3
3
按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
ppt课件.
6
6
（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件共49页文档
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。
化物半导体材料
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
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性 离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面 （2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。
随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。
化物半导体材料
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
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性 离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面 （2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。
随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。
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第四章 化合物半导体 材料
李斌斌
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 GaAs GaP 晶体结 构 闪锌矿 闪锌矿 带隙 1.42 2.27 ni 1.3×106 un 8500 150 up 320 120
GaN InAs
4.1.1 GaAS
能带结构
物理性质 化学性质
电学性质
光学性质
GaAs能带结构
直接带隙结构
双能谷 轻空穴和重空穴
带隙为1.42 eV
GaAs物理性质
GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
分子量为144.64 原子密度4.42×1022/cm3
GaAs化学性质
GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应， 易溶于王水 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解
有线电视 GPS 卫星电视 Wireless LAN
Point-to-point Radio VSAT（小型卫星地面站） 卫星移动电话 宽频卫星服务 汽车雷达控制系统 电子收费系统
2）GaAs是功率放大器的主流技术
砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率 方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主， 内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细 微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。
3）GaAs还有更多的应用领域
1）GaAs在无线通讯方面
砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频” 传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品 质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合 传输影音内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯 号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号” 的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在 于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传 送不佳的障碍。 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。
Hale Waihona Puke 砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
最大频率范围
最大操作温度
电子迁移速率 抗辐射性 具光能 高频下使用 功率耗损 元件大小 材料成本 产品良率
2～300GHz 200oC 高 高 是 杂讯少 小 小 高 低
硅 <1GHz 120oC
低 低 否 杂讯多，不易克 服 高 大 低 高
GaAs非常适合高频无线通讯
GaAs电学性质
电子的速度
有效质量越低，电子速 度越快 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
hk * mn
本征载流子浓度
1 . 6 0 4 nT () 1 . 0 51 0T e x p ( ) i 2 k T B
国内外现状对比
目前我国在研制通信用砷化 镓器件方面尚处于起步阶段。 手机用砷化镓电路基本靠进 口。随着我国通信产业迅速 发展，对砷化镓器件需求越 来越大。 砷化镓电路用于手机的功放 和开关部分，还可用于移动 通信基站、光通信、卫星通 信、CATV、军事通信等重 要用途，应用领域非常广泛。
带隙和温度的关系
T E T) E ) g( g(0 T
2
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性
离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面
（2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
InP InN AlN
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿
3.4 0.35
1.35 2.05 6.24
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
150 14
3300
5400 4400 300
III-V族化合物半导体性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV
（2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件
手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求， 因此使用GaAs制造将是最佳方式。
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
1 6 3 / 2
T 3 0 0 Kn 1 . 3 1 0 / c m i
6 3
GaAs光学性质
直接带隙结构
发光效率比其它半导体材料要高得多，可 以制备发光二极管，光电器件和半导体激 光器等
4.1.2 GaAs的应用
GaAs在无线通讯方面具有众多优势
GaAs是功率放大器的主流技术
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。 2019年GaAs芯片市场29亿美元，2019年将达37亿美元 GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是 主要增长动力，2019年无线市场占GaAs器件总体需求 的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增 长，但2019年手机仍将至少占GaAs市场的33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为 双频和三频，预计光手机这项需求，2019年GaAs芯片 将达到30亿颗
应用领域 个人通讯服务 频率范围 900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS） 2.2～2.4GHz（3G wireless） 50～1000MHz 1.6GHz 11～13GHz 900MHz 2.4、5.8、60GHz 6、8、11、15、18、23、38、60GHz 6、14、28GHz 1.6、2.5GHz（subscriber） 20、23、29GHz（up/down/crosslink） 28GHz 76～77GHz 5.8GHz
李斌斌
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 GaAs GaP 晶体结 构 闪锌矿 闪锌矿 带隙 1.42 2.27 ni 1.3×106 un 8500 150 up 320 120
GaN InAs
4.1.1 GaAS
能带结构
物理性质 化学性质
电学性质
光学性质
GaAs能带结构
直接带隙结构
双能谷 轻空穴和重空穴
带隙为1.42 eV
GaAs物理性质
GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽
分子量为144.64 原子密度4.42×1022/cm3
GaAs化学性质
GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应， 易溶于王水 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解
有线电视 GPS 卫星电视 Wireless LAN
Point-to-point Radio VSAT（小型卫星地面站） 卫星移动电话 宽频卫星服务 汽车雷达控制系统 电子收费系统
2）GaAs是功率放大器的主流技术
砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率 方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主， 内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细 微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。
3）GaAs还有更多的应用领域
1）GaAs在无线通讯方面
砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频” 传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品 质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合 传输影音内容，符合现代远程通讯要求。 一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯 号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号” 的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在 于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传 送不佳的障碍。 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。
Hale Waihona Puke 砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
最大频率范围
最大操作温度
电子迁移速率 抗辐射性 具光能 高频下使用 功率耗损 元件大小 材料成本 产品良率
2～300GHz 200oC 高 高 是 杂讯少 小 小 高 低
硅 <1GHz 120oC
低 低 否 杂讯多，不易克 服 高 大 低 高
GaAs非常适合高频无线通讯
GaAs电学性质
电子的速度
有效质量越低，电子速 度越快 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
hk * mn
本征载流子浓度
1 . 6 0 4 nT () 1 . 0 51 0T e x p ( ) i 2 k T B
国内外现状对比
目前我国在研制通信用砷化 镓器件方面尚处于起步阶段。 手机用砷化镓电路基本靠进 口。随着我国通信产业迅速 发展，对砷化镓器件需求越 来越大。 砷化镓电路用于手机的功放 和开关部分，还可用于移动 通信基站、光通信、卫星通 信、CATV、军事通信等重 要用途，应用领域非常广泛。
带隙和温度的关系
T E T) E ) g( g(0 T
2
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构
闪锌矿结构
纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性
离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面
（2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
InP InN AlN
纤锌矿 闪锌矿
闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿
3.4 0.35
1.35 2.05 6.24
900 8.1×1014
6.9×107
10 450
150 14
3300
5400 4400 300
III-V族化合物半导体性质
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV
（2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件
手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于对放大功率的严格要求， 因此使用GaAs制造将是最佳方式。
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
1 6 3 / 2
T 3 0 0 Kn 1 . 3 1 0 / c m i
6 3
GaAs光学性质
直接带隙结构
发光效率比其它半导体材料要高得多，可 以制备发光二极管，光电器件和半导体激 光器等
4.1.2 GaAs的应用
GaAs在无线通讯方面具有众多优势
GaAs是功率放大器的主流技术
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。 2019年GaAs芯片市场29亿美元，2019年将达37亿美元 GaAs器件市场将继续主要依赖无线市场，手机市场是 主要增长动力，2019年无线市场占GaAs器件总体需求 的41%以上，来自汽车雷达等其它应用的需求将会增 长，但2019年手机仍将至少占GaAs市场的33% 随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为 双频和三频，预计光手机这项需求，2019年GaAs芯片 将达到30亿颗
应用领域 个人通讯服务 频率范围 900MHz（cellular）1.8～2.2GHz（PCS） 2.2～2.4GHz（3G wireless） 50～1000MHz 1.6GHz 11～13GHz 900MHz 2.4、5.8、60GHz 6、8、11、15、18、23、38、60GHz 6、14、28GHz 1.6、2.5GHz（subscriber） 20、23、29GHz（up/down/crosslink） 28GHz 76～77GHz 5.8GHz