半导体材料的基本特性参数培训资料
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半导体材料的基本特性概要PPT教案学习
★电子管 1906年，诞生第一只电子管 ★晶体管 1947年，出现了半导体三极晶体管 ★集成电路 1960年12月，成功制造世界上第一块硅集成电路 ★超大规模集成电路 1966年，美国贝尔实验室利用硅片外延技术，制造了第一
块大规模集成电路
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集成电路的发展
摩尔定律：1964年 ，戈登.摩尔，半导体产业先驱者和 英特尔公司的创始人，预言在一块芯片上的晶体管数大 约每隔一年翻一番。
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集成电路
集成电路的概念 将若干个二极管、晶体管、电阻和电容等元件按照特 定的电路连接方式，焊接到一快半导体单晶片或陶瓷 机片上，使之成为一个整体以完成某一特定功能的电 路组件。
第25页/共34页
集成电路优点
★提高工作速度 ★内部连线短，缩短延迟时间，尺寸小，连线分布电容和
PN结电容减小。 ★降低功耗 ★尺寸小，连线短，电阻小 ★降低电子整机成本？ ★减少印制电路和插接件 ★体积小，质量轻 ★可靠性高 ★缩短电子产品生产周期
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
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提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个 尺寸是不可接受的。
第19页/共34页
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可以 在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得到 提高。
摩尔定律
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功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很小 的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体 管数以惊人的速度增长，但是功耗却在不断的下降。
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芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯 度来控制玷污
块大规模集成电路
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集成电路的发展
摩尔定律：1964年 ，戈登.摩尔，半导体产业先驱者和 英特尔公司的创始人，预言在一块芯片上的晶体管数大 约每隔一年翻一番。
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集成电路
集成电路的概念 将若干个二极管、晶体管、电阻和电容等元件按照特 定的电路连接方式，焊接到一快半导体单晶片或陶瓷 机片上，使之成为一个整体以完成某一特定功能的电 路组件。
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集成电路优点
★提高工作速度 ★内部连线短，缩短延迟时间，尺寸小，连线分布电容和
PN结电容减小。 ★降低功耗 ★尺寸小，连线短，电阻小 ★降低电子整机成本？ ★减少印制电路和插接件 ★体积小，质量轻 ★可靠性高 ★缩短电子产品生产周期
★ 提高芯片性能 ★ 提高芯片的可靠性 ★ 降低芯片的成本
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提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的，仅减小一个 尺寸是不可接受的。
第19页/共34页
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可以 在硅片上制造更多的元件 ，由于芯片数增加性能也得到 提高。
摩尔定律
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功耗 真空管耗费很大功率，而半导体器件确实耗用很小 的功率，随着器件的微型化，功耗相应减小，尽管晶体 管数以惊人的速度增长，但是功耗却在不断的下降。
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芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力，通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯 度来控制玷污
第2章 半导体材料的基本性质 ppt课件
（99.9999999%），剩下pp的t课件就是杂质含量。（ppm,1p5pt)
冶金级硅：一般小于2N
电子级硅：9N-11N
ppt课件
太阳能级硅：5N-7N
高纯硅：一般是指5N以上的原料。
16
CuInSe，Ⅲ-Ⅴ族化合物，Ⅱ-Ⅵ化合物， 氧化物，硫化物，稀土化合物等） 有机半导体可分为：有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。
有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、
孔雀石绿、若丹明B等。
硅本征半导体：(没有杂质，没有缺陷，结构完美的半导体单晶） 常温下载流子浓度为1.5×1010个/cm3 ，相应电阻率为
第2章 半导体材料的基本性质
半导体材料的分类和基本性质 硅的物理化学性质 硅材料纯度表示方法 多晶硅的分级
ppt课件
1
2．1 半导体材料的分类及性质 （1）物质按导电性能分：
导体（电阻率ρ≤10-6Ω·cm） 绝缘体（电阻率ρ≥1010Ω·cm） 半导体（电阻率10-6Ω·cm≤ρ≤1010Ω·cm） 半导体材料的分类 按结构分：晶体和非晶体半导体 按化学组成分：无机半导体和有机半导体 无机半导体分为：单质半导体（Si，Ge，Se等） 化合物半导体（GaAs，InP，CdTe，InSb，
Si-4离子。 常温下，单质Si化学性质很稳定，高温下性质活泼 Si +O2-----SiO2（400℃）
质，S常i表温面下也，容表易面吸有附S一iO层2钝氢化，层S，i:H容，易保改护变硅表片面氧态化性钝 化，但吸附的氢容易脱出（硅片加工过程常利用这一性 质）
Si + SiO2------ SiO 高温熔化时和石英坩锅反应，形成气态的SiO，能降 低晶体硅中的氧含量
可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜 的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。
冶金级硅：一般小于2N
电子级硅：9N-11N
ppt课件
太阳能级硅：5N-7N
高纯硅：一般是指5N以上的原料。
16
CuInSe，Ⅲ-Ⅴ族化合物，Ⅱ-Ⅵ化合物， 氧化物，硫化物，稀土化合物等） 有机半导体可分为：有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。
有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、
孔雀石绿、若丹明B等。
硅本征半导体：(没有杂质，没有缺陷，结构完美的半导体单晶） 常温下载流子浓度为1.5×1010个/cm3 ，相应电阻率为
第2章 半导体材料的基本性质
半导体材料的分类和基本性质 硅的物理化学性质 硅材料纯度表示方法 多晶硅的分级
ppt课件
1
2．1 半导体材料的分类及性质 （1）物质按导电性能分：
导体（电阻率ρ≤10-6Ω·cm） 绝缘体（电阻率ρ≥1010Ω·cm） 半导体（电阻率10-6Ω·cm≤ρ≤1010Ω·cm） 半导体材料的分类 按结构分：晶体和非晶体半导体 按化学组成分：无机半导体和有机半导体 无机半导体分为：单质半导体（Si，Ge，Se等） 化合物半导体（GaAs，InP，CdTe，InSb，
Si-4离子。 常温下，单质Si化学性质很稳定，高温下性质活泼 Si +O2-----SiO2（400℃）
质，S常i表温面下也，容表易面吸有附S一iO层2钝氢化，层S，i:H容，易保改护变硅表片面氧态化性钝 化，但吸附的氢容易脱出（硅片加工过程常利用这一性 质）
Si + SiO2------ SiO 高温熔化时和石英坩锅反应，形成气态的SiO，能降 低晶体硅中的氧含量
可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜 的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。
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。
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
ppt课件.
24
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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
ppt课件.
9
9
（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
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
4
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
ppt课件.
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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11
11
(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
ppt课件.
12
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
2. 半导体材料的基本特性参数
1 1 1 1 ... u uL u I uC
晶格振动散射
晶格振动：格子基本波动的叠加； 在轻掺杂下起主要作用； 声子：量子化的基本能量单元； 光学支和声学支；横振动和纵振动；
uLn, p u0 n , p (T / 300)
α n,p
两个常用的经验公式
电子迁移率：
少子寿命与阻断特性
耗尽近似的空间电荷区是阻断作用的主功 能区，是不稳定的非平衡态，其恢复平衡 态的趋势的强弱（用少子寿命τ衡量），影 响阻断特性； 2 qni DP 由反向扩散电流： J RD
ND
P
知：τ越大，反向扩散电流越小，阻断特 性越好；
少子寿命与导通特性
少子寿命对导通特性的影响，主要是双极 器件； 少子的电导调制具有低的电阻和高的电流 控制能力；
载流子来源
本征载流子：本征热激发； 掺杂载流子：n型掺杂和p型掺杂； 注入载流子：光注入和电注入；
决定本征载流子浓度的因素
NC、NV是温度的函数， NC、NV T 3/2
ni n0 p0 N C NV e
E g / 2 KT
禁带窄化
本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁 带之间界限清晰； 重掺杂（杂质原子百分比≥1/1000）时，会 出现禁带窄化效应； 杂质原子近距减小，相互作用增强，能带 出现杂化，能级分裂成能带；
单边结：承受高反压，传导大电流； 相对于击穿，更易穿通，由于杂质分布不 均，击穿之前，低掺杂区局部穿通； 取决于轻掺杂层的Wn和最高电阻率ρmax
U P 3.525*10 Wn
4
1
非简并半导体载流子密度统计
n0 N C e
(完整版)半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。
C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、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。
无机化合物半导体：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: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。
半导体材料基础基本特性
半导体材料的电子态和光学性 质
电子态和光学性质的基本概念
电子态：半导体材料中的电子分布 状态包括能带结构、电子密度等
电子态与光学性质的关系：电子态 决定了半导体材料的光学性质如能 带结构决定了材料的吸收光谱
添加标题
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添加标题
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光学性质：半导体材料对光的吸收、 反射、透射等性质包括折射率、吸 收系数等
半导体材料的电子态和光学性质的 应用：在光电子学、太阳能电池、 LED等领域有广泛应用
直接和间接带隙半导体
直接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量
如硅、锗等
间接带隙半导 体：电子从价 带跃迁到导带 需要吸收能量 如砷化镓、磷
化铟等
直接带隙半导 体的光学性质： 吸收光谱较宽 发光效率较高
载流子散射：影响载流子迁移率的因素 包括晶格缺陷、杂质等
载流子浓度：影响半导体材料导电性的重 要因素
载流子复合：载流子之间的相互作用影 响半导体材料的导电性
半导体材料的能带结构
金属能带结构
金属能带结构：由电子填充的能带 电子填充：电子在能带中填充形成电子云 电子云：电子在能带中的分布状态 电子填充与能带结构：电子填充影响能带结构能带结构决定电子填充
砷化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
磷化铟：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
碳化硅：具有高热导率、高电子迁移率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
氮化镓：具有高电子迁移率、高热导率 等优点广泛应用于高速电子器件、光电 子器件等领域
半导体的能带结构
能带：半导体材料中电子的能量分布 价带：电子能量最低的能带 导带：电子能量最高的能带 禁带：价带和导带之间的能量区域 电子跃迁：电子从价带跃迁到导带产生电流 半导体的导电性：取决于电子在能带中的分布和跃迁情况
半导体器件的基本特性
I=In+Ip
漂移电流的大小将由半导体中载流子 浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素 决定。
6.2.2 PN结的形成
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片 的一边做成P型半导体，另一边做成N型 半导体，这样在它们的交界面处会形成 一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN 结是构造半导体器件的基本单元。其中， 最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。 因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论 晶体二极管的特性。
个与相临的半导体原子形成共价键，
Si
必定多出一个电子，这个电子很容
易被激发而成为自由电子，磷原子
是不能移动的带正电的离子。每个
P
磷原子给出一个电子，称为施主杂
质(donor impurity)。
多余电子
Si Si
在N型半导体中自由电子是多数载流子( 多子 )，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子( 少子 ), 由热激发形成。
• 高电阻 • 很小的反向漂移电流
PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向 导电性。
6.2.1 载流子的漂移与扩散
漂移运动和漂移电流： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动 形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中 的传导电流。
扩散运动和扩散电流： 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不
均匀形成浓度差时，载流子会从浓度大的地方向浓 度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。
本征半导体中的载流子：
+4
+4
自由电子(free electron) 空穴(mobile hole)
漂移电流的大小将由半导体中载流子 浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素 决定。
6.2.2 PN结的形成
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片 的一边做成P型半导体，另一边做成N型 半导体，这样在它们的交界面处会形成 一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN 结是构造半导体器件的基本单元。其中， 最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。 因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论 晶体二极管的特性。
个与相临的半导体原子形成共价键，
Si
必定多出一个电子，这个电子很容
易被激发而成为自由电子，磷原子
是不能移动的带正电的离子。每个
P
磷原子给出一个电子，称为施主杂
质(donor impurity)。
多余电子
Si Si
在N型半导体中自由电子是多数载流子( 多子 )，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子( 少子 ), 由热激发形成。
• 高电阻 • 很小的反向漂移电流
PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向 导电性。
6.2.1 载流子的漂移与扩散
漂移运动和漂移电流： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动 形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中 的传导电流。
扩散运动和扩散电流： 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不
均匀形成浓度差时，载流子会从浓度大的地方向浓 度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。
本征半导体中的载流子：
+4
+4
自由电子(free electron) 空穴(mobile hole)
半导体知识培训资料
二极管（Diode)、三极管(Transistor) 。电子电路中，都要用到半导体二、三极管，它在许多的电路中起着重要的作 用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。按应用分的话，可以分成许多种类。 这里不作具体介绍。 二极管分类：
整流二极管 变容二极管 射频开关二极管 齐纳二极管 开关二极管 肖特基势垒二极管 光电二极管
被动零件包括 电容(Capacitors)、电阻( Resistors)、继电器(Relays)、电感(Inductor)、晶振(crystal)等 被动元件的主要生产厂家有：VISHAY、TDK、MURATA、AVX、KEMET 等等
DATASHEET
作为电子行业的采购、销售或者设计工程技术人员，经常要查看相关产品的DATASHEET（也叫技术数据表），详细介绍产 品特性例如、引脚配置、电气特征、产品信息、封装信息，订购信息等等。产品的特征，描述、主要功能、电性参数（ 不用去研究）、订购信息、封状选择、产品的轮廓尺寸。有经验的SALES，可以通过分析Datasheet，大致知道产品的隐 含价值，当前的市场状况。 芯片型号的解释， 以 ATMEGA48V-10AI 为例： ATmega48 代表产品. V 代表低/宽电压版本。以产品系列来说, -V 是1.8-5.5V 工作范围。 不带"V"是2.7-5.5V 工作范围 。 老的系列以L表 示, 2.7-5.5V 工作范围 ， 不带"L"是4.5-5.5V 工作范围 。 -10, 表示最高工作频率, 10MHz A, 表示封装 。AVR芯片有四种封装： (如果你不熟悉封装，请参考我们为你准备的资料： AVR封装图例) A: TQFP P: PDIP S: SOIC M: MLF I, 表示温度范围, 将来还表示 ROHS I, 工业级 C, 商业级 A, 汽车级 E, 扩展级 (-40--105C) U, 符合ROHS,工业级, 将来会以这个后缀为主, 商业级不作新的标示
20-半导体基础知识PPT模板
电工电子技术
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它 具有热敏性、光敏性和掺杂性。
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很难 导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、橡 胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物 等。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。
半导体材料基础基本特性
无机半导体：元素、化合物
有机半导体
按构造分：
晶体：单晶体、多晶体 非晶、无定形
1. 无机半导体晶体材料(组分)
无机半导体晶体材料包括元素、化合物及固溶体半导体。 (1) 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
C B
稀少
Te Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As
I S Sb
不稳定,易挥发
(2)化合物半导体及固溶体半导体
三、半导体旳发展
1874年 F.Braun 金属－半导体接触
1879年Hall效应
K.Beadeker半导
体中有两种不同
萌
类型旳电荷
芽
期 1870
1930
1948年 Shockley ，Bardeen,
Brattain 锗晶体管 (transistor)
点接触式旳
1940
1950
氧化铜、硒 整流器、曝光计
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
程：由价带顶向具有不同ｋ值旳导带底旳跃迁。
E f = Ei E p 电子旳动量变化很大。而光子旳动量很小，
k ' = k q 故必须吸收或发射声子才干满足准动量守恒.
除了吸收光子之外还要吸收或发射声于旳跃迁，称为间接跃 迁或非竖直跃迁。相应旳材料称为间接能隙半导体材料。
电阻率：
R
绝缘体
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10-6Ωcm
半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞108Ωcm
半导体
负旳温度系数 T
电阻温度系数图
有机半导体
按构造分：
晶体：单晶体、多晶体 非晶、无定形
1. 无机半导体晶体材料(组分)
无机半导体晶体材料包括元素、化合物及固溶体半导体。 (1) 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
C B
稀少
Te Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As
I S Sb
不稳定,易挥发
(2)化合物半导体及固溶体半导体
三、半导体旳发展
1874年 F.Braun 金属－半导体接触
1879年Hall效应
K.Beadeker半导
体中有两种不同
萌
类型旳电荷
芽
期 1870
1930
1948年 Shockley ，Bardeen,
Brattain 锗晶体管 (transistor)
点接触式旳
1940
1950
氧化铜、硒 整流器、曝光计
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
程：由价带顶向具有不同ｋ值旳导带底旳跃迁。
E f = Ei E p 电子旳动量变化很大。而光子旳动量很小，
k ' = k q 故必须吸收或发射声子才干满足准动量守恒.
除了吸收光子之外还要吸收或发射声于旳跃迁，称为间接跃 迁或非竖直跃迁。相应旳材料称为间接能隙半导体材料。
电阻率：
R
绝缘体
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10-6Ωcm
半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞108Ωcm
半导体
负旳温度系数 T
电阻温度系数图
2-半导体材料特性(自学为主)
Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon
55 132.90 561137.34 57 138.91 72 178.49 73 180.95 74 183.85 75 186.2 76 190.2 77 192.2 78 195.09 79196.96780 200.59 81 204.37 82 207.19 83 208.98 84 210 85 210 86 222
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Cesium Barium Lanthanum Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon
87 223 88 226 89 227 104
105
106
107
108
109
110
Fr Ra Ac Rf Ha Sg Uns Uno Une Uun
Nonmetals
Francium Radium Actinium
Metalloids (semimetals)
镧系元素 锕系元素
58 140.12 59 140.91 60 144.24 61 147 62 150.35 63 151.96 64 157.25 65 158.92 66 162.50 67 164.93 68 167.26 69 168.93 70 173.04 71 174.97
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
半导体材料的基本特性参数培训资料
载流子统计
n N e
EC EF KT
0
C
p N e
EF EV KT
0
V
其中：NC
2
2
mn kT h3
3/ 2
T 3/2
NV 2
2 mp kT
h3
3/ 2
T 3/2
mn、m
为态密度有效质量。
p
简并半导体的载流子密度统计
n0
2
NC F1/2
EF EC KT
p0
2
NV F1/2
相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很小。
相反极性的载流子之间的散射可以使双方动量的弛豫， 使迁移率下降。
只考虑载流子散射作用的载流子迁移率：
ucc
1.428*1020 np. ln[1 4.54*1011(np)1/3]
▪ 强电场作用下的载流子散射
弱电场下，μ为常数； 强电场下，μ随电场增加而减小 强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律， 主要有两种表现：
▪ 电离杂质的散射
半导体的杂质，电离后以静电力对运动于附近的电 子和空穴产生散射作用。低温重掺杂时起主要作用
完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大小时，迁 移率与温度和电离杂质的浓度呈下列关系
uI Ni1T 1.5
▪ 载流子之间的散射
载流子对载流子的散射是运动着的多个电荷环绕其公 共质心的相互散射。
电阻率与击穿电压的关系
雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的 电阻率关系
U B mρn
其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略 有些变化。
第三节 少数载流子寿命
▪ 载流子寿命的概念 ▪ 少数载流子寿命与器件特性 ▪ 载流子的复合及复合寿命
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▪ 强电场作用下的载流子散射
▪
弱电场下，μ为常数；
▪
强电场下，μ随电场增加而减小
▪ 强电场下载流子漂移速度偏离弱场规律，
▪ 主要有两种表现：
▪
速度饱和效应
▪
负微分迁移率现象
▪ 迁移率与外场的关系
μμ 0[1212
13(μ 0 E)2]1/2
8u
μ 0 为电子与晶格处于热平衡时的迁移率，μ为热电
▪ 负微分迁移效应
▪ 由于电子的不等价能谷间转移形成的。 热电子有主能谷跃迁到能量较高的自能谷， 子能谷的迁移率较低，如果迁移电子数量 较多，平均的漂移速度会降低。
▪ 表面散射及表面迁移率
▪ 表面散射：各种与表面相关联的因素对载 流子迁移率的附加影响；
▪ 越靠近表面，影响越大，对电子影响大于 空穴；
制，是少数载流子渡越基区的时间
τ W
2 b
B
2 DP
载流子迁移率大小的影响因素
▪ 散射对载流子的迁移率具有重要影响 ▪ ▪ 主要的散射机构有：晶格振动散射、电
离杂质散射、载流子之间的散射等体材料 中载流子散射以及表面散射
▪ 晶格振动的散射
▪
用电子和声子相互作用来描述。
▪
在轻参杂时，占主导地位。
▪ 载流子之间的散射
▪
载流子对载流子的散射是运动着的多个电
荷环绕其公共质心的相互散射。
▪ 相同极性载流子散射对迁移率没有影响或很 小。
▪ 相反极性的载流子之间的散射可以使双方动 量的弛豫，使迁移率下降。
▪ucc只考虑n载p流.ln子[1散1射.44作2.85用4*的*110载02流101(子n迁p)移1率/3]：
d2E
dk2
电阻率与击穿电压的关系
雪崩击穿电压与轻参杂的n型材料的 电阻率关系
UB mρn
其中因子m和幂指数n对不同的器件制造工艺和材料电阻率略 有些变化。
第三节 少数载流子寿命
[
(T
/ 300)1.5 2502
(T
/
300)3.25 591
]1(cm2
/
(V
.S ))
▪ 电离杂质的散射
▪
半导体的杂质，电离后以静电力对运动于
附近的电子和空穴产生散射作用。低温重掺杂 时起主要作用
▪
完全由电离杂质散射决定载流子迁移率大
小时，迁移率与温度和电离杂质的浓度呈下列 关系
uI Ni1T1.5
▪
自由载流子在单位电场作用下
的平均漂移速度。
▪
弱电场下，μ为常数；
▪
强电场下，μ随电场增加而减
小
载流子迁移率与器件特性
▪ 载流子迁移率μ是决定半导体材料电阻 率ρ大小的两个重要参数之一。
ρ=
1
q(nun pup )
▪ 电流承受能力和载流子迁移率有关
▪
双极器件pn 结二极管为例，在外
加电压U作用下，电流密度j满足肖克莱方
▪
载流子被晶格散射过程，可以是吸
收或发射声学声子，也可以是吸收或发射
光学声子。
uLn,pu0n,p(T/300)α n,p
▪ 两个常用的经验公式
▪ 电子迁移率：
uLn
[ (T
/ 300)1.5 4195
(T
/ 300)3.13 2153
]1(cm2
/
(V .S ))
▪ 空穴迁移率：
uLp
半导体材料的基本特性参数
基本特性参数
▪ 禁带宽度Eg
▪ 临界雪崩击穿电场强 度Et
▪ 介电常数ε ▪ 载流子饱和速度Vs
▪ 载流子迁移率μ ▪ 载流子密度n(p) ▪ 少数载流子寿命τ
第一节 迁移率
▪ 迁移率的定义 ▪ 载流子迁移率与器件特性 ▪ 载流子迁移率的影响因素
载流子迁移率的定义
▪ 载流子迁移率μ:
▪ ▪ 应；
▪ 杂质原子近距减小，相互作用增强，能带出现杂 化，能级分裂成能带；
问题讨论
ρ=
1
q(nun pup )
D KT uq
爱因斯坦关系中，扩散系数D，载流 子的扩散
载流子饱和速度公式
vsat
hv0 m*
其中m*h/
子的迁移率，u为格波传播的速度，
漂移速度的表示
▪ 弱电场下：Vd=uE ▪ 强电场下，以声学声子交换能量时：
Vd32/31/4 u0uE
▪ 更强的电场下，以光学声子交换能量时：
vsat
hv0 m*
其中m*
h/
d2E
dk2
▪ 速度饱和效应的物理解释： ▪
▪ 当电场足够强时，电子在单位时间内能 量高，和晶格进行能量交换时发射光学声 子，这样载流子能量因发射声子而使其漂 移速度趋于饱和。
第二节 载流子密度和电阻率
▪ 材料电阻率和器件特性 ▪ 载流子数量统计和来源 ▪ 载流子密度的决定因素 ▪ 禁带窄化
第二节 载流子密度和电阻率
1
nqu
由上式可知，ρ与掺杂浓度密切相关，可作为半导体 纯度的反映；
材料电阻率与器件击穿电压
▪ 功率器件的击穿电压主要决定于本底材料 电阻率。
▪ 功率器件的击穿是指承受反向偏压的pn结 的雪崩击穿。
载流子来源
▪ 本征载流子： ▪ 是指把价带中的一个电子激发到导带，
同时产生一个电子和一个空穴 ▪ 本征激发主要有热激发和光激发 ▪ 掺杂载流子： ▪ 在半导体中掺入具有恰当化合价的杂质
原子。 ▪ n型掺杂和p型掺杂； ▪ 注入载流子：光注入和电注入；
禁带窄化
▪ 本征或轻掺杂半导体中，导带、价带、禁带之间 界限清晰；
程
j q (p n 0D P / τ p n p 0D n / τ n ) ( e q u /k t 1 )
▪ 载流子迁移率与扩散系数的关系 ▪ ▪ 爱因斯坦关系
D KT
u
q
在确定温度下，扩散系数的大小有迁移率唯一决定
▪ 载流子迁移率与器件的工作频率
▪ ▪ 双极晶体管频率响应特性最重要的限
E
F EV KT
0
V
其
中
：
NC
2 2 m nkT
h3
3/2
T 3/2
N V 2
2 m pkT
h3
3/2
T 3/2
m
、
n
m
为
p
态
密
度
有
效
质
量
。
简并半导体的载流子密度统计
n0 2NCF1/2EFKTEC
p0
2NVF1/2EVKTEF
器件击穿
▪ 雪崩击穿： 高电压击穿；
▪ 条件：
足够高U和适当的WK
▪ 器件穿通
▪ 若pn结轻参杂层设计的不够宽，以至雪 崩击穿尚未发生而空间电荷区已扩展到与 电极相接，则器件先于击穿的发生而失去 阻断能力。这种现象称为穿通
载流子统计
n N e
EC E KT
F
0
C
p N e