半导体材料以及其应用

1、 半导体材料培训测试部 胡晨2016年1月13日Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉目 录半导体材料半导体材料半导体特性及应用半导体特性及应用半导体的发展趋势半导体的发展趋势半导体材料半导体材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉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。半导体材料半导体材料Leading Physical Property A

2、nalysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉 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。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉2. 什么是半导体半导体材料半导体材料 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：109cm；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：半导体材料半导体材料Leading Physical P

3、roperty Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体材料半导体材料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。

4、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：Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体材料半导体材料+-在外电场作用下，在外电场作用下，电子的定向移动电子的定向移动形成电流。形成电流。(1) 半导体中电子导电Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体材料半导体材料(2) 半导体中空穴导电+-在外电场作用下，在外电场作用下，空穴的定向移动空

5、穴的定向移动形成电流。形成电流。半导体材料半导体材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉5. 杂质半导体磷（磷（P）多数载流子多数载流子 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。半导体材料半导体材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨

6、 勤勉勤勉多数载流子多数载流子 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（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。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体材料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

7、，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半导体材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉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。扩散运动扩散运动P区空穴浓区空穴浓度远高于度远高于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。(1) PN结的形成半导体材料半导体材料Leading Physical Property Anal

8、ysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉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）。内建电场内建电场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。半导体材料半导体材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉 (2) PN结的单向导电特性 正向特性正向特性反

9、向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为)1(TUuSeIiLeading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉目 录半导体材料半导体材料半导体特性及应用半导体特性及应用半导体的发展趋势半导体的发展趋势Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉掺入微量的杂质掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著地改变半导体的导（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

10、流子浓度变化，电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，实现半实现半导体导电性能的可控性。导体导电性能的可控性。1. 掺杂特性半导体特性及应用半导体特性及应用 制成制成P P型或型或N N型半导体型半导体Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体特性及应用半导体特性及应用温度特性：温度特性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，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。不同于金属的正的电阻温度系数。2. 温度特性热敏电阻热敏电阻(thermosensit

11、ive resistance) 。用途：电子线路。用途：电子线路元件的温度补偿或专用检测元件。元件的温度补偿或专用检测元件。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体特性及应用半导体特性及应用3. 光电导特性光电导现象：光电导现象：半导体导电能力随光照而发生变化。半导体导电能力随光照而发生变化。例如：例如：半导体硒，它的电阻值有随半导体硒，它的电阻值有随光光强的增加而急剧减小的现强的增加而急剧减小的现象。象。光敏电阻光敏电阻(photosensitive resistance)。

12、用途：光控开关，用途：光控开关，自动控制。自动控制。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体特性及应用半导体特性及应用4. 光生伏特效应光生伏特：光生伏特：光照在光照在PNPN结上，产生电子结上，产生电子- -空穴对，在内建电空穴对，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。场作用下，产生光生电势。可用于太阳能电池的制造。pn+_光光太阳能电池及原理太阳能电池及原理Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Ma

13、terials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体特性及应用半导体特性及应用5. 整流特性整流：整流：半导体电阻率与所加电场方向有关。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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉目 录半导体材料半导体材料半导体特性及应用半导体特性及应用半导体的

14、发展趋势半导体的发展趋势Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体的发展趋势半导体的发展趋势1. 半导体的发展历程第一代半导体：元素半导体，代表是第一代半导体：元素半导体，代表是硅基硅基和锗基半导体；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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情

15、严谨严谨 勤勉勤勉半导体的发展趋势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（第二代半导体：化合物半导体，代表是砷化镓（GaAsGaAs）、）、磷化铟（磷化铟（InPInP）和氮化镓）和氮化镓(GaN)(GaN)等。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。GaAsGaAs半导体激光器发明使人半导体激光器发明使人类进入光纤通信和高速、宽类进入光纤通信和高速、宽带信息网的时代带信息网的时代。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专注 激情激情 严谨严谨 勤勉勤勉半导体的发展趋势半导体的发展趋势汽车防撞雷达汽车防撞雷达系统系统 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。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials专注专