半导体材料与器件-复习课件

1、“摩尔定律之父” 戈登摩尔让集成电路填满更多的元件二、课程内容、安排及其要求 绪论 (6-9学时)掌握半导体的发展史、摩尔定律、高K栅极材料、3D晶体管、CPU的发展史、半导体材料的应用等第一章半导体材料的基本性质 (6学时) 掌握半导体中的电子状态；半导体材料的分类、电学性质、光电性质、磁学性质和热电性质第二章 半导体材料概述 (6学时)概括介绍半导体材料的发展历程第三章半导体材料的制备概述 (6学时)掌握半导体材料制备的理论基础及其制备方法第四章杂质工程和能带工程 (3学时)掺杂效应、嬗变掺杂、半导体固溶体绪论 半导体的发展史 整流电路 晶体管60余年 摩尔定律Intel CPU的发展史

2、高K金属栅技术3D晶体管技术 22纳米技术的优点 半导体材料的应用视频：半导体定义1,21.3 摩尔定律1965 年 4 月 19 日,时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为电子学杂志 35 周年专刊 写了一篇观察评论报告,题目是:让集成电路填满更多的元件.“摩尔定律” 的最初原型：“最低元件价格下晶体管数量每年大约增加一倍.可以确信,短期内这一增长率会继续保持.即便不是有所加快的话.而在更长时期内的增长率应是略有波动,尽管役有充分的理由来证明,这一增长率至少在未来十年内几乎维持为一个常数.半导体的发展年表-续摩尔定律当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加

3、一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。 1995年,摩尔在经济学家杂志上撰文写道:现在令我感到最为担心的是 成本的增加,这是另一条指数曲线.摩尔第二定律近年来,国内 IT 专业媒体上又出现了新摩尔定律 的提法,则指的是我国 Internet 联网主机数和上网用户人数的递增速度,大约每半年就翻一番!而且专家们预言,这一趋势在未来若干年内仍将保 持下去.新摩尔定律（中国）半导体的发展年表-续“采用高k栅介质和金属栅极材料，是自20世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技术领域里最重

4、大的突破。” 戈登. 摩尔2.高k金属栅技术45nm(1m=1000nm, 1nm为10亿分之一米)不是指的芯片上每个晶体管的大小也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。高k金属栅技术续每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道:线宽越小，晶体管也越小，让晶体管工作需要的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率下，随之而来的就是芯片性能的提升。高k金属栅技术续当工艺每次提升的时候我们在字面上紧紧看到的是数字的

5、提升，给大家的感觉好像是从65nm到45nm同以前从130nm到90nm，以及从90nm到65nm一样没有什么特别的。根据摩尔定律，就是每18个月，在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去，从单个晶体管的角度来看，为了延续摩尔定律，我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。高k金属栅技术续现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物栅极介电质，现有的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质。高k金属栅技术续源极(Source)和漏极(Drain)之间的部分叫做沟道(Ch

6、annel)，栅极氧化物上面是栅极(Gate)。晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。源极和漏极之间是沟道，当没有对栅极(G)施加电压的时候，沟道中不会聚集有效的电荷，源极(S)和漏极(D)之间不会有有效电流产生，晶体管处于关闭状态。关闭状态高k金属栅技术续可以把这种关闭的状态解释为“0”，当对栅极(G)施加电压的时候，沟道中会聚集有效的电荷，形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道，晶体管处于开启状态，可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。高k金属栅技术续开启状态这里要解释下。最先漏电严重的要从90nm工艺开始

7、算起。在同样的电压下晶体管的数量越多电流的传导就越困难，只有加大电压才能解决，但是加大电压也势必会造成漏电。这就是为什么90nm的工艺功耗不降反升了。 高k金属栅技术续90nm的工艺功耗不降反升了？技术革新的驱动力：随着CPU制造工艺不断进步，传统的氧化硅栅介质不断变薄，晶体管漏电量逐步增加，随之引起的功耗浪费和发热问题开始成为阻碍CPU技术发展的瓶颈。高k金属栅技术续高K一种材料应具有良好的绝缘属性，同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应。K其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种材料存储电荷(正电荷或者负电子)的能力。类比于吸水的不同材料，海

8、绵可以吸附和存储大量的水，木头可以存储一些水分，所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料更好地存储电荷。高k金属栅技术续什么是材料的高介电常数?假定材料1的K值为1，材料2的K值为2。给定相同的电压V+，如果材料的厚度相同，K=2的材料存储电荷的能力是K=1的材料存储电荷能力的两倍。如果K=2材料的厚度为K=1材料的两倍，那么存储电荷的能力就相同了。拥有更高的K值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，也可以更厚些同时保持着更理想的属性。高k金属栅技术续高K材料可以大幅减少漏电?经历了无数次失败的痛苦，研究人员最终找到了一种基于金属铪(Hafnium)的氧化物，这种材料具有高K

9、的潜质。不过这种材料作为新的栅极介电质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。又经过了多次的试验和筛选，最后采用金属代替多晶硅作为栅极材料的办法来解决问题。高K材料的研究“高-K 栅极介电质+金属栅极”？高k金属栅技术续高k金属栅技术续就是目前标准晶体管结构，这种晶体管的材料在过去将近四十年没有太大的变化：在晶体硅衬底的栅极是多晶硅，栅极介电质是二氧化硅。而新的“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管(介电质也称为介质)确定了新的材料，又历经了重重艰辛，终于让45nm的制程达到了量产。高k金属栅技术续二氧化硅栅极介电质+多晶硅高-K 栅极介电质+金属栅极高K金属栅极的技术地位：高k栅介质和金属栅极技术的出

10、现和应用是Intel强大技术实力厚积薄发的结果，它的全面应用将对CPU的发展前景产生不可估量的影响，业内人士普遍认为这一技术足以保证“摩尔定律”在今后十年内继续有效。高k金属栅技术续不仅如此，这一技术的出现也契合了当今绿色环保、注重健康的时代潮流：新型介质完全符合无铅化的要求，同时它在CPU节能降耗方面的意义重大，这其中还蕴涵着整机系统运行噪声降低、维护成本降低等一系列积极因素。总的来说，它算得上是Intel追求科技人性化过程中的必然结果。 绿色环保、注重健康影响力：高K栅介质和金属栅极技术也将成为Intel的竞争者面前的一座技术壁垒，不管谁是下一个“跨栏者”，它都还有很艰辛漫长的道路要走。高

11、k金属栅技术续视频-高K金属栅极技术“到32纳米或者22纳米的时候，不用高k是走不下去的，非用不可。英特尔是先架了一座桥，通向32、22纳米的时候更方便了，其他人也在架桥，不是说不架桥就可以跳过去了，这是一个工业趋势谁也躲不开。”高k金属栅技术续高k金属栅技术的发展历程不过，使用高K电介质材料来替代二氧化硅要面对许多技术问题：芯片的稳定性：高K介质器件的门限电压可能迅速窜升到500毫伏甚至更高，芯片在运行过程中受热升温后，晶体管的门限电压也将以不可预测的幅度来回摆动，这些问题很可能影响芯片的稳定性。高k金属栅技术续Intel已经报道32nm high-K工艺，即：用于高K材料的等价氧化物(电介

12、质)的厚度从45纳米工艺时的1纳米缩小至0.9纳米，栅极长度缩小到30纳米，处理器的同比封装尺寸将是45纳米产品的70%，并采用第4代应变硅，电子在晶体管中的流通更顺畅，阻力更小，耗电更低。然而并未公布相应氧化物高K材料的具体成分，其中很多研究内容需要我们去探索。国内外研究现状和发展趋势高k金属栅技术续过去的研究结果已经表明金属氧化物是取代二氧化硅在栅介质中的候选材料体系。在这些金属氧化物高K材料中，TiO2、ZrO2和HfO2的综合性能表现得更加优越，更易替代二氧化硅在MOSFET 栅介质中的应用。高k金属栅技术续高K材料铁电材料金属氧化物氮化物/public/art/artinfo/id/

13、800108393. 英特尔发布3D晶体管技术 助推22纳米明年量产英特尔称之为3D晶体管，但从技术上讲，这是三门晶体管。传统的二维门由较薄的三维硅鳍所取代，硅鳍由硅基垂直伸出3D晶体管技术 续基于3D晶体管处理器优点：适用于小芯片速度更快、能效更高 尺寸的手持设备反复开关消耗的能源较低 提供了一种管理晶体管密度的方式3D晶体管技术 续传统2-D平面栅极被超级纤薄的、从硅基体垂直竖起的3-D硅鳍状物所代替。电流控制是通过在鳍状物三面的每一面安装一个栅极而实现的（两侧和顶部各有一个栅极），而不是像2-D平面晶体管那样，只在顶部有一个栅极。3D三栅极晶体管技术?3D晶体管技术 续与之前的32纳米平

14、面晶体管相比，22纳米3-D三栅极晶体管的优点：低电压下可将性能提高37%电量消耗将减少50%造价仅提高2%3%3D晶体管技术 续何谓硅鳍？门包裹着硅鳍。硅鳍的三面都由门包裹控制，顶部包裹一个门，侧面各包裹一个门，共包裹三个门。2D二维晶体管只有顶部一个门包裹控制。3D晶体管技术 续英特尔对此解释简单明了：“控制门增加，晶体管处于开状态时，通过的电流会尽可能多；处于关状态时，电流会尽快转为零，能耗降至最低。晶体管在两种状态之间迅速切换能够显著提高性能。”3D晶体管技术 续Intel 3-D三栅极晶体管模型3D晶体管技术 续英特尔的22纳米制程还将基于其第三代HKMG，并将采用铜互连、低k、应变

15、硅等技术。另外与32纳米类似，22纳米制程仍将继续使用193纳米沉浸式光刻技术。英特尔没有披露关于低k互连技术的任何细节。英特尔坚称，它不会采用绝缘硅(SOI)技术。据英特尔，SOI晶圆将导致总体工艺成本上升10%左右。世界上第一款 -22纳米微处理器3D晶体管技术 续3D晶体管技术 续应变硅/list/list.aspx?id=1442普通硅技术应变硅技术应变硅的技术原理：将在MOS管的栅极下沟道处得硅原子的间距加大，减少电子通行所受到的阻碍，也就是相当于减少了电阻，当MOS管打开的时候电流就会更顺利地沿着拉伸方向在源极和漏极之间流动，这样一来半导体器件发热量和能耗就会降低，而运行速度则得以

16、提升。而实现该技术的关键是能否找到一种成本相对较低，可大规模应用的方法来加大硅原子间距。3D晶体管技术 续根据自然规律，在添加了相似元素的原子后，晶体结构会发生线性扩张。据此，研究人员开发了改进型半导体材料硅锗。由图可知，硅锗的晶体矩阵与纯硅的相比，原子间距有了明显的扩张。这段扩张出来的空间就是电子流动的空间。3D晶体管技术 续 3D晶体管技术 续通道一般是用硅制成的，而如果使用应变硅代替普通的硅来制造晶体管通道的话，格子里的原子将被分散在较远的距离、可以将原子拉长，那么电子在通过稀疏的原子格时遇到的阻抗就大大下降。Intel宣称利用这种技术只需将Si原子拉长1，就可以提高1020的电流速度，

17、而成本只增加了2。在实验环境下，测试结果显示电子在应变硅材料中的流动速度要比其在非应变硅中快70%。而制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35%。3D晶体管技术 续/list/list.aspx?id=14423D晶体管技术 续绝缘硅（SOI）技术绝缘硅的出现主要是解决芯片的功耗问题。该技术利用一层SiO2绝缘薄膜，将各个晶体管与最底下的硅圆片分开，而常规的CMOS芯片中，晶体管直接与圆片接触。SOI的二氧化硅层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个晶体管门电路，不会让多余的电子渗漏到圆片上，由于不会因电子渗漏而浪费电能，因此功耗更小。3D晶体管技术 续IBM宣称：同类SOI芯片

18、与CMOS芯片的对比显示，SOI芯片速度快20%30%，而能耗为CMOS芯片能耗的一半或者三分之一。3D晶体管技术 续3D晶体管技术 续其它的领先国际大厂如IBM fab 俱乐部，台积电等也在开发多栅晶体管结构。只是按英特尔院士Mark Bohr看法，英特尔至少领先3年，如台积电计划在14nm时才准备采用FinFET结构。3D晶体管结构的伟大意义3D晶体管技术 续另外，据Mark Bohr透露，三栅结构技术可以缩小到14纳米。意味着业界一直争论的16纳米之后(包括16纳米)的技术如何走？英特尔至少已经打开一条生路。因此3D晶体管结构具有划时代的革命性意义。3D晶体管结构从制造工艺成本上仅增加2

19、-3因此是十分诱人的。3D晶体管技术 续它的22nm制程又称1270，已进入生产。首先会在奥勒冈州的D10晶圆厂生产，而后再移到亚利桑那州的F32厂，将在2011年下半年开始量产。3D晶体管技术 续英特尔的下一代处理器Ivy Bridge将独家采用该3D晶体管技术。也就是说英特尔在生产Ivy Bridge芯片时将退出2D晶体管制造业务、完全转向3D晶体管。2011年底，Ivy Bridge芯片将开始进入商业生产，然而估计应该在2012年时进入批量生产。3D晶体管技术 续为此，英特尔公司于近日上调其2011年的资本支出计划由之前的支出90亿美元，上调至102亿美元。用来推进其22纳米芯片制造工艺

20、的研发，并向其下一个目标14纳米芯片进发。3D晶体管技术 续半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极管（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。 5、半导体的主要用途1、半导体材料的早期应用 半导体的主要用途续从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了

21、很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。半导体的主要用途续半导体材料的研制和应用的关联回顾半导体材料的发展历史，随着不同时期新的材料的出现，半导体材料的应用先后出现几次飞跃。第一代半导体材料是Si。Si片的出现使半导体材料在微电子领域中的应用获得突破性的进展。Si材料有两种，即单晶硅和多晶硅。Si材料的提纯需在超高真空条件下进行。单晶硅片在70年代实现产业化，微电子技术在此基础上发展。一、 第一代半导体材料(元素半导体)半导体的主要用途续GaAs是具有代表性的第二代半导体材料。这种材料称为化合物半导体材料。类似的化合物半导体材料还有：GaAlAs、GaAsP、InGaAs、GaP

22、、InGaAsP等。第二代半导体材料以群体效应出现，使半导体材料的应用进入光电子领域。二、 第二代半导体材料(化合物半导体)半导体的主要用途续SiC、GaN、ZnO是90年代新研制成功的第三代半导体材料。这类材料的价格低于前两代，而且有更优异的性能。例如，它们的热导率是Si的3倍多，击穿场强是Si的10倍，饱和电子迁移率是Si的2.5倍，键合能也很高。这些特点使它们特别适用于高频大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。三、第三代半导体材料(化合物半导体)SiC材料现已用于高频大功率器。这类器件已在军事雷达、卫星通讯以及高清晰度电视图像的发送和传播中获得应用。半导体的主要用途续思考题(绪论)简述半导体

23、整流作用、霍尔效应、摩尔定律？什么叫高K金属栅极技术？简述其优点。3D晶体管的物理模型？简述其优点。简述22纳米制程技术面临的15大挑战？选择其中3个挑战进行阐述。简述半导体材料的应用，举出3种以上的应用。半导体的基础知识主讲人：吴家刚EMAIL: msewujg 四川大学材料科学与工程学院半导体的基础知识1.3 半导体材料的特点及分类1.5 二极管1.6 三极管1.7 场效应管第一章1.2 半导体的导电性1.4 半导体的能带结构1.1 半导体的晶体结构1.1 半导体的晶体结构第一章 半导体的基础知识一、晶体的基本知识晶体准晶体非晶体固体单晶体多晶体准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但

24、是准晶体不具备晶体的平移对称性。晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点；组成晶体的原子(或离子)在较大的范围内(至少是微米量级)是按一定的方式有规则的排列而成长程有序。（如Si，Ge，GaAs）第一章 半导体的基础知识现在不得不说准晶。准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做电镜的人的功劳。1984年底，D. Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的AlMn合金中发现了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶。（2011年若贝尔化学奖）第一章 半导体的基础知识四、闪锌

25、矿结构(GaAs)具有类似于金刚石结构的硫化锌(ZnS)晶体结构，或称为闪锌矿结构。GaAs晶体中每个Ga原子和As原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。第一章 半导体的基础知识闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。GaAs的闪锌矿结构第一章 半导体的基础知识硫化锌(ZnS)导电性能介于导体(Conductor)与绝缘体(Insulator)之间电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数1.2 半导体的导电性半导体 (定性)第一章 半导体的基础知识(T)= 。+T温度系数 T 温度 电阻率半导体：温度系数为负半导体的电阻率(电

26、导率)基本上随温度的升高而降低(增加)金属：温度系数为正金属的电阻率(电导率)随温度的升高而增加 (降低)金属和半导体的区别第一章 半导体的基础知识 金属的导电能力：由费米能级附近的电子移动能力决定的。 半导体的导电能力：由价带顶附近的空穴和导带底的电子的共同移动能力决定的。第一章 半导体的基础知识 金属导电是只有电子一种载体 半导体导电存在电子与空穴两种载体。 第一章 半导体的基础知识接近绝对零度(1K)的极低低温下：金属电阻率普遍会下降，有许多金属会成为电阻率无穷小的超导体半导体的电阻率会在极度增大而达到绝缘体的水平第一章 半导体的基础知识电阻率易变且变化范围很宽的材料。电阻率的结构和组分

27、敏感性在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。1.3半导体材料的特点及分类第一章 半导体的基础知识半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。-材料:常见硅、锗-硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密结合在一起。 半导体材料的定义第一章 半导体的基础知识较完整、 纯净的半导体材料的电阻率随温度上升而指数式下降 (电导率指数式上升) 。 “外界刺激”(光照、 掺杂等)很容易改变其电阻率。半导体材料中有两种载流子-电子和空穴。 半导体材料的基本特性第一章 半导体的基础知识有少量固体材料， 如As

28、，Sb，Bi，其电阻率比一般金属高出1001000倍， 但却不具备本征半导体材料的某些基本特性 (例如， 其电学性质，对光、 热辐射的高度敏感性等)，而将它们称为半金属。半金属定义第一章 半导体的基础知识电阻率比一般金属高出1001000倍， 但却不具备本征半导体材料的某些基本特性的物质称为半金属。导带与价带之间有一小部分重叠。不需要热激发，价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部。在绝对零度时，导带中就已有一定的电子浓度，价带中也有相等的空穴浓度。这是半金属与半导体的根本区别。但因重叠较小，它和典型的金属也有所区别。 半金属的特点第一章 半导体的基础知识N 型导电 以电子为主要载流子，它是多数

29、载流子， 简称为多子， 而空穴则是少数载流子-少子P 型导电 以空穴为多子， 电子则是少子本征导电 电子、 空穴数量相等，都参与导电三种导电类型第一章 半导体的基础知识结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。第一章 半导体的基础知识注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多, 半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。第一章 半导体的基础知识 1. 在杂质半导体中多子的数量与 有关 a. 掺杂浓度 b.温度 2. 在杂质半导体中少子

30、的数量与 有关 a. 掺杂浓度 b.温度 3. 当温度升高时，少子的数量 a. 减少 b. 不变 c. 增多 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 a. 电子电流 b.空穴电流PN结的形成 多子扩散运动形成耗尽层（空间电荷区）空穴浓度： P区N区；自由电子：P区浓度低扩散，扩散到对方复合，交界区仅剩正负离子形成耗尽层/阻挡层/空间电荷区/内电场EIN。第一章 半导体的基础知识总结：PN结：由浓度差引起的多子扩散运动，它使阻挡层变宽；由内电场作用下产生的少子漂移运动，它使阻挡层变窄。当两者强度相当时，达到动态平衡。 少子漂移运动: 内电场的存在，

31、阻止了多子的扩散，P区的少子电子，N区少子空穴， 内电场作用下向对方移动漂移。第一章 半导体的基础知识 PN结具有单向导电性：当正向偏置时，有较大的正向电流，电阻很小，成导通状态；反向偏置时电流很小（几乎为0），电阻很大，成截止状态。总结：第一章 半导体的基础知识击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。第一章 半导体的基础知识1.3 半导体的能带结构Eg 6 eVEg绝缘体半导体价带导带导体第一章 半导体的基础知识直接带隙和间接带隙直接带隙 间接带隙第一章 半导体的基础知识直接带隙半导体材料导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中同一

32、位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴(形成半满能带)只需要吸收能量。第一章 半导体的基础知识间接带隙半导体材料:导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。第一章 半导体的基础知识直接带隙和间接带隙半导体的对比分析价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体例子：GaAs，GaN，ZnO价带的极大值和导带的极小值不位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃

33、迁间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体例子：Si，Ge第一章 半导体的基础知识直接跃迁和间接跃迁考虑到光子的动量较小，可以忽略;因而电子吸收或放出一个光子，发生跃迁时电子的动量基本不变;单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高;间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁的概率要小得多第一章 半导体的基础知识GaN是直接带隙的材料，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级。因此，宽带隙的GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器，以及高温微电子器件方面显示出广阔的应用前景；对环保，其还是很适合于环保的材料体系。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅( c ) 平面型金属触丝

34、阳极引线N型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图阴极阳极( d ) 符号D1.4 半导体二极管 第一章 半导体的基础知识稳压二极管稳压二极管又叫齐纳二极管;此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据第一章 半导体的基础知识发光二极管第一章 半导体的基础知识LED定义：LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发

35、光二极管的英文缩写，简称LED。“电能转化成光能”101LED？原理：半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 量子阱指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。第二章 半导体材料概述主讲人：吴家刚TEL:MAIL: msewujg 四川

36、大学材料科学与工程学院化学组成元素半导体 无机化合物半导体有机化合物半导体非晶态与液态半导体半导体材料精细结构半导体磁性及超导半导体元素周期表的A族至A族分布着11种具有半导性的元素，如C、P、Se、B、Si、Ge、Te、Sn、As、Sb、I。一、元素半导体 第二章 半导体材料概述二元系包括：-族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。-族:由周期表中族元素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。 无机化合物半导体分二元系、三元系、四元系等。 二、无机化合物半导体第二章 半导体材料概述科学家

37、研制成功高性能氮化镓晶体管Faster, smaller and more economical gallium nitride transistorsFor the first time, researchers from CNRS France and ETH Zurich have succeeded in producing high-performance high-electron-mobility transistors (HEMTs) made of gallium nitride (GaN) on a silicon(110) wafer. 据美国物理学家组织网9月22日（北

38、京时间）报道，法国和瑞士科学家首次使用氮化镓在(100)-硅(晶体取向为100)基座上，成功制造出了性能优异的高电子迁徙率晶体管(HEMTs)。此前，氮化镓只能用于(111)-硅上，而目前广泛使用的由硅制成的互补性金属氧化半导体(CMOS)芯片一般在(100)-硅或(110)-硅晶圆上制成。这表明，新晶体管能同由(110)-硅制成的CMOS芯片兼容，科学家可据此研制出兼具CMOS芯片的计算能力和氮化镓晶体管大功率容量的混合电子元件，以获得更小更快、能耗更低的电子设备。相关论文发表于应用物理学快报（Applied Physics Express）。晶体管主要由硅制成，用在高电压电路中，其作用是计

39、算以及增强电子射频信号。瑞士苏黎世联邦高等工学院（ETH）的科伦坡博罗内斯说：“硅是上帝赐予工程师们的礼物。硅不仅是做基座，也是做半导体和芯片的基本材料。”氮化镓晶体管的优势：然而，硅也有缺陷。当温度超过200摄氏度后，硅基设备开始出故障。氮化镓晶体管能应对1000摄氏度以上的高温；其能应对的电场强度也是硅的50多倍，这使科学家们可用氮化镓制造出更快的电子线路。博罗内斯说：“这一点对于通讯来说尤为重要，因为工程师们能借此更快更有效地处理信息。”氮化镓的缺点：但科学家们一直认为氮化镓技术太过昂贵，不能取代硅技术。不过，最近工程师们开始利用氮化镓在构建动力电子设备方面的优势，希冀研发出更快、更耐热

40、、能效更高的晶体管。解决的技术难题：因为氮化镓和硅这两种材料的属性不同，很难将两者结合在一个晶圆上，并且在加热过程中可能也会产生裂痕。不过，在最新研究中，博罗内斯和法国国家科学研究中心的科学家成功地将氮化镓种植在（100）-硅晶圆上，制造出了新的氮化镓晶体管，也解决了高温可能产生裂痕的问题。降低成本的可能性一：便宜的衬底(100)-硅基座的成本为每平方厘米50美分，比常用的蓝宝石或碳化硅基座更便宜（碳化硅基座的成本为每平方厘米5美元至20美元），大大降低了氮化镓技术的成本。科学家们也可以使用硅制造出直径为30厘米的大晶圆，用蓝宝石或碳化硅则无法做到这些。降低成本的可能性二：耗能低、节能另外，氮

41、化镓具有良好的耐热性能，因此由其制成的动力电子设备几乎不需要冷却。博罗内斯表示，如果移动通讯基站配备氮化镓晶体管，运营商将不再需要高能耗的冷却系统。照明能耗约占全球能耗的20%，用氮化镓制成的一个5瓦的灯泡与传统60瓦的白炽灯一样明亮，因此，氮化镓有助于为照明领域节省大量能源。化学组成元素半导体 无机化合物半导体有机化合物半导体非晶态与液态半导体半导体材料精细结构半导体磁性及超导半导体三、有机化合物半导体 第二章 半导体材料概述有机太阳能电池:由有机材料构成核心部分的太阳能电池。如今量产的太阳能电池里：95以上是硅基的；不到5也是由其它无机材料制成的。导电能力介于金属和绝缘体之间有机物。 有机

42、半导体可分为：有机物、聚合物、给体-受体络合物第二章 半导体材料概述有机薄膜晶体管(OTFT)目前有机薄膜晶体管(OTFT)的综合性能已经达到商用非晶硅水平，其鲜明的低生产成本和高功能优点已显示出巨大的市场潜力和产业化价值。有机薄膜晶体管将很快成为新一代平板显示的核心技术。有机薄膜晶体管(OTFT，organic thin film transistor)的基本结构和功能与传统的薄膜晶体管(TFT)基本相同，不同的是它采用了有机半导体作为工作物质。OTFT优点：与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特点：加工温度低，一般在180以下，不仅能耗显著降低，而且适用于柔性基板；（制作温度

43、低）工艺过程大大简化，成本大幅度降低，气相沉积和印刷打印两种方法都适合大面积加工；（成本低）材料来源广泛，发展潜力大，同时环境友好。急需解决的关键问题包括：研制高载流子迁移率的有机半导体材料；改善有机半导体薄膜特性来提高载流子迁移率；提高有机薄膜晶体管的稳定性、频率特性、开关特性p型和n型有机半导体材料对于OTFT的发展同等重要，因为由p型和n型OTFT共同构筑的有机互补电路具有功耗低、操作速度快、噪音容限大等优点，可广泛用于各种有机数字电路，是实现有机电子器件应用的基础。第二章 半导体材料概述目前n型有机半导体材料的发展远远落后于p型有机半导体材料。n型有机半导体材料的优点：高电子迁移率；空

44、气稳定；可溶液加工性质；该类型材料的短缺大大限制了OTFT相关的柔性电子器件及有机电路的发展。第二章 半导体材料概述不同于以往在缺电子的芳核上直接引入拉电子基团（如氰基、氟原子）来设计n-型有机半导体材料的方法。第二章 半导体材料概述有机半导体材料是制造有机太阳能电池的基础。有机半导体分子结构的主要特征具有一个较长的离域共轭结构，它们可以是小分子，也可以是高分子。第二章 半导体材料概述共轭效应 (conjugated effect) ，又称离域效应，是指由于共轭键的形成而引起分子性质的改变的效应。电致发光(Electroluminescent)，又可称电场发光，简称EL，是通过加在两电极的电压

45、产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。如前所述，当有机半导体材料吸收光子，其pi轨道上的电子就会跃迁到pi*反键轨道上。仍然与无机半导体不同的是，被激发后的电子仍旧与所在分子紧密结合，并不能像无机半导体内的激发电子一样自由运动。此时被激发的分子中含有一个能量较高的电子，这就可以理解为一对正负电荷以库仑力结合在一起。这样的分子称为“激子（Exciton）”。第二章 半导体材料概述激子的存在亦是有机半导体的重要特征，也是有机太阳有电池与无机太阳能电池的最显著区别，因此也有人将有机太阳能电池称为“激子型太阳能电池（Excitonic sola

46、r cells）”。 第二章 半导体材料概述有机太阳能电池技术简介 （2）有机太阳能电池的结构邓青云和他的有机太阳能电池第二章 半导体材料概述化学组成元素半导体 无机化合物半导体有机化合物半导体非晶态与液态半导体半导体材料精细结构半导体磁性及超导半导体非晶态与液态半导体 相对于晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。四、非晶态与液态半导体 第二章 半导体材料概述光致衰退效应，light-induced degradation也称S-W效应。a-Si:H薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降,称为Steabler-Wronski效应。光致衰减区域对S-W效应的起因，至今仍有不少争议,造成衰退的微观机制也尚无定论，成为迄今国内外非晶硅材料研究的热门课题。总的看法认为，S-W效应起因于光照导致在带隙中产生了新的悬挂键缺陷态(深能级)，这种缺陷态会影响a-Si: