半导体材料以及其应用

半导体材料培训测试部胡晨2016年1月13日LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录半导体材料半导体特性及应用半导体的发展趋势半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉1.半导体材料－现代信息社会的基础人们的生活离不开半导体材料。半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体材料生产总值很大，应用领域非常广泛。半导体材料的发展使国民经济和及科技等领域出现了巨大的进步，改变了我们的生活。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉2.什么是半导体半导体材料根据物体导电能力的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。•导体：ρ10－4Ω·cm；•绝缘体：ρ109Ω·cm；•半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。三者的能带结构不同：半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体按化学成分：(1)无机半导体材料:(2)有机半导体材料:•元素半导体：Si、Ge、Se等；•化合物半导体：GaAs、InSb、SiC、InGaAs等；有机物、聚合物、给体-受体络合物。3.半导体材料的分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体材料4.本征半导体单晶硅受热激发本征半导体：纯净的单晶半导体。半导体中载流子：自由电子和空穴。一定温度下，自由电子和空穴的浓度达到一定，形成动态平衡。以单晶硅为例：LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体材料+++++++-------在外电场作用下，电子的定向移动形成电流。(1)半导体中电子导电LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体材料(2)半导体中空穴导电+++++++-------在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流。半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉5.杂质半导体5磷（P）多数载流子N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。(1)N型半导体杂质半导体：掺入杂质的本征半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉3多数载流子P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。(2)P型半导体硼（B）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体材料几个基本概念：（1）本征半导体、杂质半导体；（2）两种载流子“自由电子、空穴”；（3）N型半导体、P型半导体；（4）多数载流子、少数载流子。为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成导电性能极差的本征半导体，又将其掺杂，改善导电性能？既然P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正电。此说法是否正确？6.问题小结半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉7.PN结及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。(1)PN结的形成半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结（空间电荷区、耗尽层）。漂移运动内建电场E由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。半导体材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉(2)PN结的单向导电特性正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为)1(TUuSeIiLeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录半导体材料半导体特性及应用半导体的发展趋势LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著地改变半导体的导电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，实现半导体导电性能的可控性。1.掺杂特性半导体特性及应用制成P型或N型半导体LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体特性及应用温度特性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，不同于金属的正的电阻温度系数。2.温度特性热敏电阻(thermosensitiveresistance)。用途：电子线路元件的温度补偿或专用检测元件。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体特性及应用3.光电导特性光电导现象：半导体导电能力随光照而发生变化。例如：半导体硒，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。光敏电阻(photosensitiveresistance)。用途：光控开关，自动控制。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体特性及应用4.光生伏特效应光生伏特：光照在PN结上，产生电子-空穴对，在内建电场作用下，产生光生电势。可用于太阳能电池的制造。••°°pn+_光太阳能电池及原理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体特性及应用5.整流特性整流：半导体电阻率与所加电场方向有关。硅单晶材料和晶体管的发明，硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命。三级管dY8087大规模集成电路信息时代晶体二级管三级管信息时代晶体二级管LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录半导体材料半导体特性及应用半导体的发展趋势LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体的发展趋势1.半导体的发展历程第一代半导体：元素半导体，代表是硅基和锗基半导体；硅和硅基材料是当代微电子技术的基础，其半导体器件的频率较低，只能做到10GHz，但预计到21世纪中叶之前都不会被淘汰。硅质圆晶集成芯片LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体的发展趋势第二代半导体：化合物半导体，代表是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等。电子迁移率较硅半导体快许多，适用于高频传输，在无线电通讯如手机、无线区域网络、卫星通讯等皆有应用；具有直接带隙，适用发光领域，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、太阳能电池等产品。•GaAs半导体激光器发明使人类进入光纤通信和高速、宽带信息网的时代。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体的发展趋势•汽车防撞雷达系统第二代半导体砷化镓还不会取代硅成为主流的半导体材料。其原因：(1)大多数的电子产品还不需要砷化镓电路那么快的速度；(2)砷化镓生产工艺时间更长和产量也更低。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉半导体的发展趋势2.半导体的发展方向半导体材料结构：三维材料--薄膜--量子线、量子点。半导体材料体系：硅基材料作为微电子器件的基础在21世纪中叶之前不会改变；化合物半导体在光电子器件，光电集成等领域作用会越来越大。基于量子力学原理的新一代半导体微电子器件，将彻底改变人类经济生活方式。专注激情严谨勤勉LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials