第二章 导电材料：半导体材料

1、制作衬底管芯装架导电丝键合分裂成芯片接触电极形成PN结外延生长封装树脂反射框引线框架LED芯片 常见的几种二极管中有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等等。大功率二极管多采用金属封装，并且有个螺帽以便固定在散热器上。 二极管常见的外观有：发光二极管教材与参考书教材与参考书半导体材料的发展历史半导体材料的发展历史1941年：多晶硅（Si)材料制成检波器1947年：锗（Ge)单晶制成晶体三极管1952年：单晶硅，砷化镓（GaAs）1952年：硅晶体管1958年：集成电路1970年代：微电子技术飞速发展金属、绝缘体、半导体的能带特征金属、绝缘体、半导体的能带特征Eg3.5eV0Eg3.5eV金属金属

2、绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带Eg0eV10-7 S/m 104 S/m105 S/m温度升高，温度升高， 下降下降 上升上升 上升上升2.2.12.2.1 种类种类按成份分按成份分元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体本征半导体本征半导体 ( 10-9)合金合金化合物化合物陶瓷陶瓷有机高分子有机高分子共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子本征激发：本征激发：空穴空穴自由电子自由电子l半导体有两种导电粒子（载流子）：半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴自由电子、空穴em*常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）材料电子迁移率空穴迁移

3、率锗3900500砷化镓8000100-3000 对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高。 2.2.1.1 2.2.1.1 元素半导体元素半导体由单一元素组成的半导体，广泛应用的典型元素半导体有硅、锗，近些年金刚石也得到发展。此外，硒在电子照相和光电领域已获得应用。硅的半导体性质比锗优良，可使用温度广，可靠性更高，且资源丰富。硅有单晶、多晶和非晶物理性质:晶体硅为原子晶体，熔点高(1693K)，硬而脆，间接能隙，Eg=1.12eV,单晶硅的电子迁移率：1800cm2/Vs化学性质:非晶硅 多晶

4、硅 单晶硅 R.T . 空气、水和酸等不反应 强碱和氟等强氧化剂及氢氟酸反应 腐蚀液(工业上)：强碱和HF-HNO3 高温 氧、水气和非金属均可作用 生成SiO2和Si3N4钝化膜Si: 1s22s22p63s23p2, 价电子为4快捷方式 到 快捷方式 到 启动 Internet Explorer 浏览器.lnk元素半导体（Si，Ge，C）的晶体结构：金刚石结构，晶格常数a0.543nm（Si）1个原子与邻近的4个原子（白色）构成正4面体，每一个原子与周围4个原子以共价键结合。单晶硅单晶硅 (Monocrystalline silicon) 单晶体的半导体硅材料。目前已能制备250 mm以上

5、大直径无位错单晶。制备方法有直拉法、区熔法、磁拉法等，世界上几乎所有集成电路都是硅单晶制成的，集成电路用硅占硅单晶整个用量的80%以上。此外，绝大多数的电力电子器件(可控硅、整流器等)、功率晶体管和大部分的各种类型的二极、三极晶体管和太阳电池也是用硅单晶制成的。单晶硅材料单晶硅材料 单晶硅材料制造过程：石英砂-粗硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割。 SiO2（石英和砂子）+ C Si (98-99) + CO2 Si3HCI(气) SiHCl3(液）H2 SiHCl3 Si (10-12)拉制单晶有直拉法和区熔法等单晶体硅单晶体硅多晶硅多晶硅(Polycrystalline sil

6、icon) 多晶体的半导体硅材料。根据形态可分为棒状、块状及颗粒状多晶硅；根据共用途及纯度可分为直拉单晶用、区熔单晶用、探测器级、太阳电池级多晶硅。主要用途是作用单晶硅的原料，也可用作多晶硅太阳电池。多晶硅材料多晶硅材料 多晶硅技术：定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以熔融，然后将坩埚从热场中逐渐下降或从坩埚底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶锭。浇铸法是将熔化后的硅液从坩埚中倒入另一模具中凝固以形成晶锭。硅材料有待发展的领域发光领域（光通讯）如光发射二极管，激光二极管锗单质呈银灰色的金属光泽物理性质：质硬而脆，性质与硅相似，Eg=0.66

7、eV, 间接能隙，电子迁移率：3800cm2/Vs化学性质:锗不与强碱溶液作用可溶于热浓硫酸、浓硝酸、王水和HF-HNO3、NaOH-H2O2（腐蚀液）Ge+2H2O2+2NaOH = Na2GeO3+3H2O高温下，锗相当活泼，可与氧直接化合生成粉末状的GeO2。 本征半导体（intrinsic semiconductor）：未掺杂的半导体(掺杂低于10-9)，低温下电子处于束缚态，电导率低。在外界的光或热的作用下，产生自由电子（free electron）与空穴（hole）对本征半导体进行掺杂，可以改变其电导率，对本征半导体进行掺杂，可以改变其电导率，得到掺杂半导体得到掺杂半导体掺杂半导体

8、掺杂半导体n形半导体（多数载流子：电子形半导体（多数载流子：电子negative ）p形半导体（多数载流子：空穴形半导体（多数载流子：空穴positive） Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子如如SiSi半导体中添加半导体中添加5 5个价电子的个价电子的P P， ，AsAs等等 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴SiSi半导体中添加半导体中添加3 3个价电子的元素如个价电子的元素如B B, Ga, Ga等等nmmeaeVhmeE053. 0 6 2

9、*22204* ,6 .1318ammaeVmmhemErrr价带电子与空穴的关系 导带电子电荷 -e速度 受力方向 -E有效质量 000加速度方向真实粒子 空穴 +e与导带导带导带 电子电子相反与导带导带导带 电子电子相反 0与导带导带导带导带导带导带 电子电子相反假设粒子2.2.1.2. 化合物半导体化合物半导体由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的化合物按组份分化合物半导体二元化合物半导体多元化合物半导体1.III-V族化合物族化合物 Al, Ga, In与P, As, Sb2.II-VI族化合物族化合物 Zn, Cd, Hg与S,

10、Se, Te3. IV-VI族化合物族化合物 Ge, Sn, Pb与S, Se, Te4. IV-IV族化合物族化合物 SiCD=金刚石结构金刚石结构多元化合物半导体多元化合物半导体GaAlAs, GaAsP, InAlP, GaInAsP, InGaAsP典型化合物半导体1.砷化镓GaAs 闪锌矿结构(立方)，能隙1.43eV, 直接带隙砷化镓的电子迁移率较硅快许多，因此适用于高频传输，应用于无线通讯如手机、无线区域网路、卫星通讯、卫星定位等领域；砷化镓具备高效率的光电转换特性，因此可运用在光电转换的领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳电池等产品。2.

11、磷化铟InP物理特性闪锌矿结构，能隙1.35eV, 直接带隙。银灰色，质地软脆。载流子迁移速率高，热导率大，可以制作低噪声和大功率器件。用途：光电器件，光电集成电路和高频高速电子器件，如长波长(1.3-1.6m)激光器，激光二极管，光电集成电路等，用于长距离通信。抗辐射性能优于砷化镓，作为太阳能电池材料更理想。3. 磷化镓GaP物理特性红色透明晶体。闪锌矿结构，能隙2.26eV, 间接带隙。用途：发光二极管（红，绿，黄绿，黄色）4. 碳化硅SiC物理特性无色透明，硬度高，莫氏硬度为9，低于金刚石（10），高于刚玉（8），较大的热导率，宽禁带2.996eV, 间接带隙。用途制作高功率、高频率、高温器件的优良衬底材料，蓝光LED。5. 氮化镓GaN第一代电子材料：Si, Ge第二代电子材料：III-V族化合物GaAs, GaP, InP第三代电子材料：SiC, BN, GaN, AlN, ZnSe, 金刚石等宽带半导体。物理特性纤锌矿结构(六方)，能隙3.4eV, 直接带隙。用途蓝色与紫外LEDLD1993 年开发了蓝色发光二极管被称为世纪发明该项技术曾被认为20世纪不可能的任务并商品化1995 年开始研发蓝色激光二极管。1997年开发出紫外LED 6. 碲镉汞（HgCdTe)物理特性物理特性直接能隙，Hg1-xCdxTe, x=0.17 Eg=0 x=1 Eg=1.6eV用途红