微电子半导体基础和器件物理基础

1、功能材料121班 高思 201211605116 微电子基础期末报告半导体物理和器件物理概述、白光LED专题、东芝公司2014/12/28关于对微电子基础课程中半导体物理基础，器件物理基础的总结，白光LED专题概述，东芝公司的半导体公司介绍微电子半导体物理和器件物理基础概述及光半导体白光LED概述 半导体在微电子中占了举足轻重的位置，也是整个功能材料乃至大材料界的重点。下面就上微电子这堂课我所学到的做个报告。 一、关于半导体物理基础：半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子能带、导带、价带、禁带、费米能级掺杂、施主、受主输运、漂移、扩

2、散、产生、复合这些是提到半导体物理跳入脑海的关键词，也能用这些来概括了这部分内容。1. 什么是半导体半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。材料的导电性是由“传导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带”（valence band）获得能量而跳跃至“导电带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，通过电子传导或空穴传导的方式传输电流2. 半导体的基本特性 温度效应-电导率随温度上升而指数增加、掺杂效应-杂质敏感性、光电效应-光电导、电场、磁

3、场效应3. 半导体的能带结构 价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差4. 半导体中的载流子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。5. 半导体中的掺杂 掺杂：为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程;掺杂杂质一般为替位式杂质;扩散和注入是典型的掺杂工艺;杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数1) 本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体;

4、本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态;本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p2）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体; 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子3) P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导, 也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴 是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，

5、使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质 4) 施主、受主 施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺入五价的P 和As. As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一个电子只需要很低的能量便能该电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离施主。受主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺入三价的B. B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带负电的电离受主。6. 半导体中载流子运动热运动:导带中

6、的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动7. 半导体中光电特性内光电效应： 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应外光电效应光电发射效应： 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电光生伏特效应： 半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应二、半导体器件物理基础Pn结、双极晶体管、MOS场效应晶体管、半导体器件据统计目前为止有67种，另

7、外还有110多个相关变种，而讲到器件离不开的物理基础便是上边提到的三个关键字还有异质结、超晶格1. Pn结PN结的形成P型半导体和N型半导体相结合PN结在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 内电场促使少子漂移，内电场阻止多子扩散，最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡Pn结的特性1）单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏2）反向击穿性当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增 加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图

8、所示， PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。l 雪崩击穿阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。l 齐纳击穿当PN结两边掺杂浓度很高时，阻挡层很薄，不易产生碰撞电离，但当加不大的反向电压时，阻挡层中的电场很强，足以把中性原子中的价电子直接从共价键中拉出来，产生新的自由电子空穴对，

9、这个过程 称为场致激发。一般击穿电压在6V以下是齐纳击穿，在6V以上是雪崩击穿2. 双极晶体管双极型晶体管是一种电流控制器件（基极电流控制集电极电流），它具有电流放大作用。晶体管有二个PN结：发射结和集电结；有三种工作状态：放大、截止和饱和。双极晶体管的结构由两个相距 很近的PN 结组成，分为： NPN 和PNP 两种形式特性：左共基极直流特性曲线，右共发射极直流特性曲线 3. MOS场效应晶体管MOS结构中的电荷和电势电势：Vg=VOX+s+ ms电荷平衡：Qg+Qo+Qs=0Qg：Vg在栅电极上引起的电荷Qo：氧化层缺陷引起的等效电荷Qs：硅中感应的电荷理想情况：ms0场效应管分为结型和绝

10、缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：N沟道和P沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管工作在恒流区时，利用栅-源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流iD。此时，可将iD看作由电压uGS控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。gm、UT或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和极间电容是它的主要参数。和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。三、半导体器件专题之光半导体-白光LED1.什么是LED？LED(Light-Emitting Diode) ： 发光二极管，是一种以二极管为发光主体所

11、組成的元件。 其所发出光之波长涵蓋紅外光、 可見光及紫外光。2.LED发光机理？发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光 3.白光LED的实现方式目前实现白光LED的方法有很多种，最常见的是以下几种： 1、蓝光芯片+黄色荧光粉（+红色荧光粉+绿色荧光粉）（主流） 2、近紫外芯片+三基色荧光粉（潜力巨大、能够有效降低成本） 3、红绿蓝（红黄蓝）三种颜色芯片组合封装（芯片老化性能不一、颜色漂亮） 4

12、、ZnSe单色芯片：自身蓝光+黄光组合成白光（技术目前尚未取得重大突破）4.白光LED分类1）多芯片白光LED；光色混合型：组合复合而成的白光LED器件2）荧光体转换白光LED；将一半块半导体芯片与荧光体组合，通过荧光体将芯片发出的短波长的光，部分或全部地转换为可见光，最后复合成白光3）量子点LED；量子点是准零维的纳米材料。由少量的原子所构成。量子点，又可称为纳米晶，是一种由IlVl族或IIIV族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于110nm之间由于电子和空穴被量子限域。连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。 5.白光LED优缺点优点：节能、环保安全、低电压、

13、坚固、寿命长、可以模拟日光、缺点：人眼最不能接受的是蓝光和UV光，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，而UV光杀伤人眼活性细胞的能力又是蓝光的10倍，长期接触大量低波长的蓝光能大量杀伤人眼活性细胞。即使到时多吃有利眼睛的食品也会无作用。 6.白光LED现状及展望自从出现发光二极管LED以来，人们一直在努力追求实现固体光源，随着发光二极管LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，使发白色光的LED半导体固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使高亮度LED应用领域跨足至高效率照明光源市场。白光是由多种颜色混合而成的，所见的白光形式至少须两种光混合，

14、如二波长光(蓝色光+黄色光)或三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)。有机单层三波长型白光LED成本低、制作容易。未来的应用定能取代荧光灯、节能灯及LCD背光源等。 白光LED被业界相当看好，在未来10年内，白光LED将成为替代传统照明器具的一大潜力商品 7.白光LED生产企业白光LED被业界相当看好，在未来10年内，白光LED将成为替代传统照明器具的一大潜力商品1）鸿利光电 拥有国内最多数量白光专利的鸿利光电，是国内照明用白光LED封装领军企业之一，其白光LED封装器件占公司总营收比重约80%，产品主要定位于中高端，应用于通用照明、汽车照明及背光源领域。 2012年上半年，鸿利光电实现营业收入2

15、.57亿元，同比下滑5.7%，实现净利润3128万元，同比下滑16%。与一季度相比，二季度公司营收降幅明显减小。目前，鸿利光电LED封装器件的月产能已600KK，随着后续产能的逐步释放，公司营收规模将继续扩大。 2）瑞丰光电 作为国内照明器件封装领军企业之一，瑞丰光电也是国内少数几家可批量供应大尺寸背光LED器件，并成功进入一线电视品牌厂商供应链体系的封装企业。目前，公司在大尺寸背光领域，已经拥有康佳、创维、长虹等大客户，并已开始送样给TCL、华星光电、京东方等企业进行测试。 3）杭科光电 作为LED白光封装领域的领军企业之一，杭科光电拥有近10年的研发经验和产业化积累，其生产的超高亮度白光L

16、ED在国内中高端市场占有较高市场占有率，销量在国内封装企业中居于领先地位，主要客户包括阳光照明、上海亚明、西子集团、绿色照明、海信电子等。 近年来，杭科光电销售收入以年均30%以上的速度增长，2011年公司实现销售收入1.6亿元，其中白光LED器件营收占到75%。2012年上半年，公司营收突破1.4亿元。 1.5万平方米的10万级无尘车间，10余条全自动生产流水线，100多台全自动固晶机、焊线设备彰显了杭科光电强大的生产实力。 4）升谱光电 2003年，升谱光电投资2500万美元在宁波高新区建成6万平方米的LED生产基地，目前公司已拥有4万平方米的标准化厂房，30多条自动化生产线，并拥有一支高

17、效率的研发队伍，在LED封装领域，升谱光电拥有30多项自主研发的专利技术。公司在功率型照明光源、低光衰白光LED、COB集成光源、贴片型LED和LED室内外照明等领域均有较强的竞争实力。目前，升谱光电的照明用白光LED灯珠最高光效已经达到150lm/W. 还有很多企业无法一一例举，只例了国内比较有能力的企业。四、东芝公司介绍1.公司简介东芝（Toshiba），是日本最大的半导体制造商，也是第二大综合电机制造商，隶属于三井集团。公司创立于1875年7月，原名东京芝浦电气株式会社，1939年由东京电气株式会社和芝浦制作所合并而成，业务领域包括数码产品、电子元器件、社会基础设备、家电等。20世纪80

18、年代以来，东芝从一个以家用电器、重型电机为主体的企业，转变为包括通讯、电子在内的综合电子电器企业。进入90年代，东芝在数字技术、移动通信技术和网络技术等领域取得了飞速发展，成功从家电行业的巨人转变为IT行业的先锋。2.业务领域l 数码产品无论是在办公室还是在家里，在当今所有互联网的世界，东芝都以其尖端技术不断创造出独特的数码产品及解决方案。我们决心满足数码潮流时代的各种市场需求，这支撑着其在下述的关键产品领域里保持领先地位主要产品：移动电话和小灵通手机、智能手机、智能手机液晶电视机、工业和监视摄像机、硬盘与DVD刻录机、硬盘驱动器笔记本电脑、电脑服务器、业务电话系统多功能数码复合机、POS终端

19、、电子收款机l 电子设备在数码式家电产品和移动设备等高成长领域、以及在包括中国和亚洲的快速成长市场的主要市场中取得成功，对公司的产品组合进行了最优化。其将通过高精尖技术方面的产业领导能力和战略性投资，确保持续成长和盈利主要产品：NAND闪存、固态硬盘、MCP、宽带系统大规模集成电路、多媒体SoC、客户明知SoC、显示激励器、模拟集成电路、CMOS图像传感器、通用性CMOS逻辑电路、小型信号装置、电源装置、光学半导体装置 、TFT液晶显示器和有机发光二极管显示器l 基础设施通过提供电力系统、工业系统等社会必不可少的基础设施，我们为社会福利和社会的持续发展提供了坚实的基础。综合解决方案的能力又确保

20、了我们能够获得长期的成长和收益。主要产品：核电厂系统和服务（沸水反应堆、压水反应堆）、水电、火电和地热发电设备、燃料电池 输配电系统（变压器、气体绝缘装置等）、控制测量系统和设备、工业计算机、铁道车辆电气系统、超级充电电池、太阳能光电系统及其他产品.道路交通控制系统、楼宇能源管理系统、自来水和污水处理厂控制系统、环境系统、广播系统、电信网络系统、航空管制和导航辅助系统、雷达和无线电应用系统、邮件处理系统、纸币处理系统l 家电产品主要产品：电冰箱；洗衣机；微波炉；吸尘器；电熨斗；电饭煲和主动洗碗机；照明和照明体系；室内、大楼与商用空调产品、体系和技巧；热水体系；一次性电池；电池驱动家用电器3.东

21、芝中国东芝集团自1972年进入中国开展业务，至今已有40余年。从1972年为中国提供广播电视设备、1978年参与彩电国产化的大型项目，到1991年在大连设立了中国第一家合资企业，经过数十年的发展，现在东芝在中国已设立了87家企业，拥有3万5千余名员工。同时，东芝的电力和社会基础设施、社区解决方案、医疗健康、电子元器件、生活产品等五大事业领域全部在中国开展了业务，2013年度的事业规模达到820亿元东芝在中国的发展已经走过了40年的历程，始终不变的是与中国共同发展的决心与努力。1995年，东芝（中国）有限公司成立，强化了东芝 对在华企业的综合管理职能和战略制定职能。迄今为止，东芝在中国设立合资、

22、独资公司达62家，投资总额逾80亿人民币，员工总数约36,000 人，2012年事业规模（在华销售额+对华出口额）约770亿人民币。东芝全球市场除日本外分为四大区域：欧洲、美洲、亚洲、中国，中国是惟一以国家为单位的市场，也是继日、美之后，东芝最大的独立市场。经营产品种类 包括东芝全线产品，经营模式涉及研发、采购、生产、物流、销售、服务、环保等诸多业务。中国已经毋庸置疑地成为东芝全球事业的重要支柱。支持东芝在华事业不断高速发展的是中国当地的优秀人才和战略合作伙伴。对人才的培养和大胆任用，体现了东芝对本地员工的充分信任和尊重。而与中国企业建立的双赢关系，则使东芝获得了更加广泛的发展空间。公司名称： 东芝（中国）有限公司成立时间：1995年总部地址： 北京市东城区东长安街1号东方广场W2座501室总裁：田中孝明类型：有限公司主要产品： 个人家庭用产品笔记本电脑、数码存储卡、移动硬盘、电视机、电冰箱、洗衣机、电饭煲、照明产品、吸尘器 商务工业用产品办公用品、医疗系统、信息设备、流通物流、楼宇系统、电子元器件4.东芝中国半导体及电子元器件在华公司东芝电子亚洲有限公司主要业务：销售东芝所设计及生产