半导体材料介绍课件

半导体材料SemiconductorMaterials半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。主讲人：某某某时间：202X年XX月XX日YOURLOGO目录CONTENTS01半导体材料概述02半导体材料分类03化合物半导体及合金半导体材料YOURLOGO半导体材料概述PART.01半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。YOURLOGO概述锗、硅产业的发展导致了电子工业革命GaAs激光器的发明及光纤技术的发展使人类进入了信息时代半导体器件的新的设计：半导体超晶格、量子阱材料，将进一步改变人类的生活方式半导体材料分类PART.02半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。YOURLOGO半导体材料分类元素半导体十几种处于ⅢA族-ⅤA族之间的元素，如Ge、Si、Se、Te化合物半导体二元化合物半导体ⅢA-ⅤA，9种，如GaAs、InP、AlSbⅡB-ⅥA，12种，如CdS、CdTe、CdSeⅣA-ⅣA，如SiCⅣA-ⅥA，如GeS，GeSe，SnTe等9种ⅤA-ⅥA，AsSe3，AsS3，AsTe3多元化合物半导体ⅠB-ⅢA-(ⅥA)2,如AgGeTe2ⅠB-ⅤA-(ⅥA)2,如AgAsSe2(ⅠB)2-ⅡB-ⅣA-(ⅥA)4,如Cu2CdSnTe4固溶体半导体二元，三元非晶态半导体元素非晶、非晶化合物有机半导体分子晶体、分子络合物、聚合物硅和锗半导体材料硅和锗的性质物理和化学性质,晶体结构、能带结构,杂质的影响硅和锗单晶体的制备直拉法原理示意图及其过程区域熔炼水平区熔法、悬浮区熔法、硅和锗的应用硅和锗的物理性质灰色金属光泽。本征电阻率,锗：～50Ω·cm,硅：～2.3×105Ω·cm,硬而跪，硅在切割时易碎裂。硅和锗的化学性质硅和锗在常温下化学性质是稳定的，但升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反应，在自然界没有游离状态的硅和锗存在。锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。硅不镕于盐酸、硫酸、硝酸及王水，易被服HF-HNO3混合酸所溶解，因而半导体工业中常用此混合酸作为硅的腐蚀液。硅比锗易与碱起反应。区域熔炼在区熔过程中，锭料水平放置，称为水平区熔，锭料竖直放置且不用容器，称为悬浮区熔区域熔炼是在一个被熔炼的锭料上产生一个或几个熔区，然后从一端开始移动熔区至另一端(必要则沿相反方向移动熔区)，按需要多次重复此过程，达到提纯和控制杂质的目的，并可获得单品。简称这一过程叫区熔。：：硅和锗的应用硅制造大规模集成电路最关键的材料、大容量整流器、晶体二极管、晶体三极管、红外聚焦透镜锗晶体管、制造红外光学仪器，用于热成像仪，用作光纤的掺杂剂，提高光纤纤芯的折射率，减少色散和传输损耗化合物半导体及合金半导体材料PART.03半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。YOURLOGO化合物半导体材料定义化合物半导体材料是指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化合物半导体及合金半导体材料化合物半导体材料砷化镓(GaAs)晶体结构、能带结构砷化镓单晶的制备方法：水平区熔法和液封直拉法砷化镓膜的制备方法：外延技术制备，气相外延、液相外延和气束外延用途：发光二极管、隧道二极管、场效应晶体管磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)合金半导体材料砷化镓(GaAs)锗硅合金GexSi1-x碲镉汞(Hg1-xCdxTe)锗硅合金成分、晶体结构、晶格常数种类无定形、结晶形和超晶格制备方法结晶形：直拉法、水平法、热分解法和热压法超晶格：分子束外延、金属有机化学气相沉积特点能带结构、禁带宽度可以通过改变组分进行调节，制造工艺与Si工艺兼容，兼有GaAs优点用途微电子技术、太阳能电池直接带隙半导体和间接带隙半导体间接带隙半导体导带底和价带顶不在k空间同一点的半导体，如Si,Ge直接带隙半导体导带的极小值点和价带的极大值点位于k空间的同一点，这种半导体称为直接带隙半导体，如GaAs半导体微结构材料半导体微结构材料的种类半导体异质结：由两种不同半导体材料结合在一起，界面处就构成了异质结超晶格：由两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长构成量子阱：两个同样的异质结背对背接起来半导体微结构材料的研究使半导体器件设计由“掺杂工程”走向“能带工程”典型的半导体微结构材料典型的半导体微结构材料:GexSi1-x/Si异质结优点缩小器件尺寸、提高器件工作速度和在同一衬底上集成电子器件和光电子器件，利用成熟的硅集成电路工艺技术01制备缩小器件尺寸、提高器件工作速度和在同一衬底上集成电子器件和光电子器件，利用成熟的硅集成电路工艺技术在Si衬底上生长GexSi1-x合金膜02用途制备调制掺杂效应晶体管（MODEFT）、异质结双极晶体管（HBT）和红外探测器03典型的半导体微结构材料GaAs/AlGaAs量子阱、超晶格材料分子束外延是指组成化合物的各元素通过加热方式，以原子束或分子束形式喷射在加热的衬底表面经表面扩散和物理化学反应，形成化合物晶体薄膜的过程制备用分子束外延生长结构特点在异质界面不产生位错，只有弹性变形优点阈值电流密度低，易光集成化并制成大功率半导体激光器，光束质量好用途制成各种光通讯元件和半导体激光器超晶格组分超晶格超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，能带不连续。掺杂超晶格交替地改变类型的方法做成的新型人造周期性半导体超晶格中的电子状态GaAs能带结构组分超晶格能带结构(a)Ⅰ类(b)Ⅱ类子能带图非晶态半导体两类非晶半导体四面体结构非晶半导体：非晶硅(α-Si)，非晶锗(α-Ge)，IIIA-ⅤA族化合物非晶α-GaAs等，特点是最近邻原子配位数为4硫系非晶半导体：非晶S、Se、Te，As2S3，二元如As2Te3，三元、四元，非晶氧化物，IIIA，ⅤA族元素半导体α-B，α-As非晶态半导体的电子运动特点非布洛赫波：扩展态、定域态态密度函数缺陷定域态：缺陷密度大，形成窄的能带非晶态半导体非晶态半导体的电学和光学性质直流导电：扩展态、尾部定域态、禁带中的缺陷定域态光吸收：本征吸收边的移动，无竖直吸收与非竖直吸收之分3个区域：高吸收区、指数区、弱吸收区光导电效应光照产生非平衡载流子引起电导率改变非晶硅(α-Si：H)制备方法等离子辉光放电法、溅射法、真空蒸发法、化学其相沉积法非晶态硅薄膜的用途主要用途是作太阳能电池,场效应晶体管、场效应集成电路、图像传感器、电荷耦合器件、光信息储存器半导体光电子材料光电子材料指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料光电器件与电子器件的发展趋势OEIC光电子集成电路的困难兼容性OEIC制备技术芯片倒装技术,衬底结合技术半导体陶瓷半导体陶瓷的特点导电性能介于导电陶瓷和绝像介质陶瓷之间的一类材料，由金属氧化物制成与通常的半导体(单晶硅)的区别：化学成分,化学键,晶界半导体陶瓷的种类：PTC、NTC、CTR、压敏半导体陶瓷PTC半导体陶瓷PTCPosotiveTemperatureCoefficent，正温度系数典型PTC半导体陶瓷的成分PosotiveTemperatureCoefficent，正温度系数BaTiO3、结构BaTiO3的PTC效应机理铁电相变与晶界PTC半导体陶瓷的用途温度自控，过电流和过热保护NTC半导体陶瓷01NTC，NegativeTemperatureCoeffient03NTC半导体陶瓷的主要成分：MnO,常温热敏材料,高温热敏材料02NTC半导体陶瓷一般为AB2O4尖晶石结构04用途：电路的温度补偿、控温和测温传感器的制作、温度检测CTR半导体陶瓷和压敏半导体陶瓷材料从半导体相转变到金属状态时电阻的急剧变化，称为急变温度热敏电阻，以V2O5为基的半导体材料，临界温度：63～67℃具有温度开关特性CTR(CriticalTemperatureResister)临界温度电阻压敏半导体陶瓷是指材料所具有的电阻值，在一定电流范围内具有非线性可变特性的陶瓷，Si、Ge单晶，ZnO等，用于过电压保护。导体、绝缘体和半导体的能带价带导带禁带带隙0K条件下被电子填充的能量最高的能带0K条件下未被电子填充的能量最低的能带导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间的能量差晶体管知识可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流。晶体管是一种固体半导体器件双极性晶体管的三个极分别是发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。场效应晶体管的三个极分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。晶体管有三个极双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶体管主要分为两大类用于数字电路，主要功能是模拟电子开关。晶体管二极管的基本知识二极管的工作原理晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并形成自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。极管类型按材料分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。按用途可分为检波、整流、稳压、开关