化合物半导体材料与器件基础 ppt课件
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半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
化合物半导体ppt课件
高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源；
短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及紫外探测器。
信号与系统
❖近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别 是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功 率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 ❖于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体 材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 ❖这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的 物理和化学性能。
信号与系统
主要半导体材料基本特性
物理量
带隙宽度(eV) 能带类型
击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s)
热导率(W/cm K) 饱和电子漂移速
度(107 cm /s) 晶格常数 (Å)
Si 1.12 间接 0.3 1350
480
1.3 1
5.43
Ge 0.67 间接 0.1 3900
纳米ZnO和ZnO薄膜也成为研究热点
FESEM images of flower-shaped ZnO nanostructures seen composed of hexagonal ZnO nanorods
Side view and top view of ZnO nanorods
信号与系统
王中林
❖1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现为美国佐治亚理工学院董事讲席讲 授、工程学杰出讲席教授、纳米结构表征中心主任。
❖他是中国科学院外籍院士，美国物理学会、美国科学促进会会士、美国显微镜学会 和美国材料研究学会的会士（fellow）
❖在美国《科学》杂志发表论文10篇，英国《自然》杂志3篇，在《自然》子刊上发表 6篇。他发表的学术论文已被引用43,000次以上，是该校百年来单篇论文引用次数最多 的论文作者和该校有史以来个人论文引用总次数之第一名。是世界上在材料和纳米技 术论文引用次数最多的前五位作者之一。
半导体基础知识PPT培训课件
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
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。
化合物半导体材料与器件基础教材
我们还需要更多！
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。 特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。 二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、 InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1-YAsXSb1-X
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices 微电子学院
戴显英
2013.8
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
纤维锌矿 III-V族和II-VI族，铅盐（IV-VI族），IV族元素
Dai Xian-ying
注： W=纤锌矿，R=岩盐，D=金刚石，i=间接能隙， d=直接能隙 化合物半导体器件
《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》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。
半导体基础知识PPT
03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
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。
《半导体器件基础》课件
计算机的CPU、内存等核心硬件都离不开半导体器件，如晶体管、电容
、电阻等。
03
消费电子中的半导体器件
手机、电视、音响等消费电子产品中，半导体器件广泛应用于信号处理
、显示控制等方面。
光电器件在通信与显示领域的应用
光纤通信中的光电器件
光纤通信系统中的光电器件，如激光器、光电探测器等，用 于实现高速、大容量的信息传输。
成。
工作原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
02
通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流。
特性
03
具有低噪声、高速、低功耗等优点，常用于高频率信号处理。
04
半导体器件的工作原理
半导体的能带模型
原子能级与能带
描述原子中的电子能级如何形成连续的能带结构。
价带与导带
解释半导体的主要能带特征，包括价带和导带的定义与特性。
禁带宽度
讨论禁带宽度对半导体性质的影响，以及如何利用禁带宽度进行电 子跃迁。
半导体器件的交流参数
阐述半导体器件的交流参数，如频率响应、噪 声系数等。
半导体器件的可靠性参数
介绍半导体器件的可靠性参数，如寿命、稳定性等。
05
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
01
集成电路中的半导体器件
集成电路是现代电子设备的基础，其中的晶体管、二极管等半导体器件
起着关键作用。
02
计算机硬件中的半导体器件
ABCD
通过掺入不同元素，可以 调控半导体的导电类型（ N型或P型）和导电性能 。
在实际应用中，通常将硅 或锗基体材料进行掺杂， 以实现所需的导电性能。
宽禁带半导体材料
宽禁带半导体的特点是其具有高热导率、高击 穿场强和高电子饱和速度等优异性能。
第二章化合物半导体材料与器件基础
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.2 化合物半导体材料的基本特性
2.2.1 晶格结构
1）闪锌矿结构
大多数的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族 化合物半导体
与金刚石结构相似：每个原子 与邻近四个原子形成四面体结 构（键），又称类金刚石； 与金刚石结构不同：每个原 子邻近是四个异类原子； 混合键：共价键占优。
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
化合物半导体器件
2.2 化合物半导体材料的基本特性
2.2.5 施主和受主能级
本征半导体：禁带中无能级 p-半导体：禁带中有杂质能级（靠近价带顶） n-半导体：禁带中有杂质能级（靠近导带底） 杂质电离能的计算：借鉴H原子波尔能级模型 化合物半导体的杂质能级：以周期表分类
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
化合物半导体器件
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
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2.2 化合物半导体材料的基本特性
2.2.1 晶格结构
1）闪锌矿结构
大多数的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族 化合物半导体
与金刚石结构相似：每个原子 与邻近四个原子形成四面体结 构（键），又称类金刚石； 与金刚石结构不同：每个原 子邻近是四个异类原子； 混合键：共价键占优。
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化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
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化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
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化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
化合物半导体器件
2.2 化合物半导体材料的基本特性
2.2.5 施主和受主能级
本征半导体：禁带中无能级 p-半导体：禁带中有杂质能级（靠近价带顶） n-半导体：禁带中有杂质能级（靠近导带底） 杂质电离能的计算：借鉴H原子波尔能级模型 化合物半导体的杂质能级：以周期表分类
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化合物半导体器件
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
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第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1YAsXSb1-X
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成
三元合金变化趋势：
①晶格常数： 与组分呈线性关系 ②禁带宽度： 与组分呈二次方关系 ③有效质量： 与合金组分成二次方 和单调关系
2.1 半导体的分类
2.1.2 半导体的特性
• 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 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 • 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
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 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温 下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 • 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
Dai Xian-ying
三元合金的禁带宽度与晶格常数关系
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元或四元合金半导体的基片（衬底）：
二元化合物半导体，如 GaAs、InP
异质结构：
晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。
三元合金半导体：
与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。
重要的二元化合物半导体：
1）GaAs：第二代半导体 2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体）
二元化合物半导体特点：
1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。
我们还需要更多！
Dai Xian-ying
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗 电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ • 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体）
成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。
Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形 成，
如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等 Ⅳ-Ⅳ族：SiC
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.4 化合物半导体
2.1.3 元素半导体
C（金刚石）,Si, Ge, Sn
晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙
Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.1 半导体材料的分类
Ⅲ2-.1Ⅴ.4族：化由合Ⅲ物A半的B导、体Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： InGaAlAs
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
四元合金半导体：
容易与二元衬底匹配
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
InGaAsP and AlGaAsSb
四元合金半导体： 1）两种元素是同族元素， 如AlyGa1-yAsxSb1-x 、
InyGa1-yAsxP1-x 等 2）三种元素是同族元素， 如InyGa1-yAlxAs1-x等
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。
特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。
二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
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第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类
绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）
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2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类 2.1.1 半导体的特征 • 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-
3～108Ωcm） • 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） • 两种载流子参与导电（金属只有一种）
Dai Xian-ying
2.1 半导体材料的分类
合金举例：如图所示 1）AlGaAs:AlAs+GaAs 2）InPAs:InAs+InP 3）AlGaAsSb:AlGaSb+
AlGaAs 4）InGaAsP:GaAsP+GaInP
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四元合金半导体禁带宽度与晶格常数
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GayIn1-yAsxSb1-x：
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1YAsXSb1-X
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元合金半导体：由二元化合物和一种元素组成
三元合金变化趋势：
①晶格常数： 与组分呈线性关系 ②禁带宽度： 与组分呈二次方关系 ③有效质量： 与合金组分成二次方 和单调关系
2.1 半导体的分类
2.1.2 半导体的特性
• 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 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 • 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
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 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温 下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 • 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
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三元合金的禁带宽度与晶格常数关系
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
三元或四元合金半导体的基片（衬底）：
二元化合物半导体，如 GaAs、InP
异质结构：
晶格常数要与衬底相同，且禁带宽度Eg不同。
三元合金半导体：
与二元不匹配；但一个例外，AlGaAs与GaAs晶格匹配。
重要的二元化合物半导体：
1）GaAs：第二代半导体 2）GaN与SiC:第三代半导体(宽禁带半导体）
二元化合物半导体特点：
1）大部分是直接能带隙 （对光电器件很重要）； 2）有很宽的禁带宽度Eg范围，但只在离散的点上； 3）可以块状生长（单晶），并被切成薄片(晶圆片）。
我们还需要更多！
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如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗 电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ • 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
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2.1 半导体材料的分类
按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为： 1）元素半导体 2）化合物半导体 3）合金（固溶体）
成， 如GaAs、InP、GaN、BN、AlN、GaP、InSb等15种。
Ⅱ-Ⅵ族：由ⅡB的Zn、Cd、Hg与ⅥA族的O、S、Se、Te形 成，
如ZnO、ZnS、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等 Ⅳ-Ⅳ族：SiC
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2.1.4 化合物半导体
2.1.3 元素半导体
C（金刚石）,Si, Ge, Sn
晶格结构：金刚石 能带结构：间接带隙
Sn: 0.08 eV Ge: 0.67 eV Si: 1.12 eV C: 5.50 eV
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2.1 半导体材料的分类
Ⅲ2-.1Ⅴ.4族：化由合Ⅲ物A半的B导、体Al、Ga、In与ⅤA的N、P、As、Sb形
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： InGaAlAs
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2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
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2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
四元合金半导体：
容易与二元衬底匹配
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2.1.5 合金半导体
InGaAsP and AlGaAsSb
四元合金半导体： 1）两种元素是同族元素， 如AlyGa1-yAsxSb1-x 、
InyGa1-yAsxP1-x 等 2）三种元素是同族元素， 如InyGa1-yAlxAs1-x等
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2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
重要的三元和四元合金 AlGaAs（GaAs基片）: HBT，场效应管，光电器件 GaAsP（GaAs基片）:红色、琥珀色发光二极管 HgCdTe（CdTe基片）: 红外成像仪 InGaAsP, InGaAlAs（InP基片）:光纤通讯用光电器件 InGaAlAs (InP基片): 同上 InGaAs（GaAs, InP）: 电阻接点，量子势阱 InGaAsP （GaAs）: 红，红外激光器，探测器 GaInAlN (不同基片): 绿，蓝，紫外发光二极管，激光器
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。
特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。
二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、
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• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
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2.1 半导体的分类
绝缘体（1018-1010Ωcm），半导体（108-10-3Ωcm），金属（10-4-10-8Ωcm） 绝缘体（禁带宽度Eg大），半导体（禁带宽度Eg小），金属（导带与价带重叠）
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2.1 半导体材料的分类
2.1 半导体的分类 2.1.1 半导体的特征 • 室温下的电导率在103-10-8S/cm（或电阻率10-
3～108Ωcm） • 电导率呈正温度特性（金属呈负温度特性） • 两种载流子参与导电（金属只有一种）
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2.1 半导体材料的分类
合金举例：如图所示 1）AlGaAs:AlAs+GaAs 2）InPAs:InAs+InP 3）AlGaAsSb:AlGaSb+
AlGaAs 4）InGaAsP:GaAsP+GaInP
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四元合金半导体禁带宽度与晶格常数
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四元： GayIn1-yAsxSb1-x：