半导体材料-硅-其他课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,“硅器”时代,“硅器”时代,1,“硅器”,硅是一种常见的物质，它广泛的存在于我们的日常生活中，从你手中的手机，到家中的电视，陶瓷餐具，水晶工艺品，无不包含着硅的身影。可以说，硅在我们的生活中无处不在。,“硅器”硅是一种常见的物质，它广泛的存在于我们的日,2,远古时候的“硅器”,陶瓷，主要成分为硅酸盐,远古时候的“硅器”陶瓷，主要成分为硅酸盐,3,天然石英（,SiO,2,）,天然石英（SiO2）,4,生活中的硅,金丝水晶球,水晶欣赏,生活中的硅金丝水晶球 水晶欣赏,5,岱岳雄姿,观音,岱岳雄姿 观音,6,电脑中的硅芯片,主板,电脑中的硅芯片主板,7,什么是“半导体材料”,材料按照导电的能力来划分可以分为：,导体,金属等,绝缘体,橡胶，塑料等,半导体,硅，锗等等,半导体材料是介于导体与绝缘体之间的，导电能力一般的导体。它的显著特点是对温度、杂质和光照等外界作用十分的敏感。,什么是“半导体材料”材料按照导电的能力来划分可以分为：,8,元素周期表,Group,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,周期,1,1,H,氢,2,He,氦,2,3,Li,锂,4,Be,铍,5,B,硼,6,C,碳,7,N,氮,8,O,氧,9,F,氟,10,Ne,氖,3,11,Na,钠,12,Mg,镁,13,Al,铝,14,Si,硅,15,P,磷,16,S,硫,17,Cl,氯,18,Ar,氩,4,19,K,钾,20,Ca,钙,21,Sc,钪,22,Ti,钛,23,V,钒,24,Cr,铬,25,Mn,锰,26,Fe,铁,27,Co,钴,28,Ni,镍,29,Cu,铜,30,Zn,锌,31,Ga,镓,32,Ge,锗,33,As,砷,34,Se,硒,35,Br,溴,36,Kr,氪,5,37,Rb,铷,38,Sr,锶,39,Y,钇,40,Zr,锆,41,Nb,铌,42,Mo,钼,43,Tc,锝,44,Ru,钌,45,Rh,铑,46,Pd,钯,47,Ag,银,48,Cd,镉,49,In,铟,50,Sn,锡,51,Sb,锑,52,Te,碲,53,I,碘,54,Xe,氙,6,55,Cs,铯,56,Ba,钡,56-70,镧系,*,71,Lu,镥,72,Hf,铪,73,Ta,钽,74,W,钨,75,Re,铼,76,Os,锇,77,Ir,铱,78,Pt,铂,79,Au,金,80,Hg,汞,81,Tl,铊,82,Pb,铅,83,Bi,铋,84,Po,钋,85,At,砹,86,Rn,氡,7,87,Fr,钫,88,Ra,镭,89-102,锕系,*,103,Lr,铹,*,104,Rf,105,Db,106,Sg,107,Bh,108,Hs,109,Mt,110,Uun,111,Uuu,112,Uub,113,Uut,114,Uuq,115,Uup,116,Uuh,117,Uus,118,Uuo,元素周期表Group1234567891011121314,9,锗,常见半导体材料,硅,锗常见半导体材料硅,10,半导体材料的内部结构,金刚石结构,半导体材料之所以具有介于导体与绝缘体之间的性质，一部分原因是因为它的特殊的结构。,科学分析表明，硅原子是按照金刚石结构的形式占据空间位置（晶格）。,金刚石结构的排列特点是：,晶格立方格子的,8,个顶点有一个原子,晶格,6,个面的中心各有一个原子,晶格的,4,个对角线离顶点的,1/4,处各有一个原子,半导体材料的内部结构金刚石结构 半导体材,11,金刚石结构和常见,CO,2,分子结构比较图,。,从不同方向观察硅晶体,金刚石结构和常见CO2分子结构比较图。从不同方向观察硅晶体,12,晶体的能带,导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体的电阻率约为,10,8,10,6,欧姆,米；,绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（,3,6 eV,），故不能导电。绝缘体的电阻率约为,10,8,10,20,欧姆,米；,半导体只有满带和空带，但禁带很小（,0.1,2eV,），满带中的电子可以在光、热、电作用下进入空带，形成导带。电阻率约为,10,8,10,7,欧姆,米。,晶体的能带导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体,13,本征半导体和杂质半导体,纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶体中除了本身原子外，没有其他杂质原子存在。,假如在本征半导体中掺入杂质，使其产生载流子以增加半导体的导电能力，这种半导体称为杂质半导体。,本征半导体和杂质半导体 纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶体,14,n,型和,p,型半导体,杂质半导体中以电子导电为主的称为,n(negative),型半导体,(,硅掺磷、砷等,族元素,),，以空穴导电为主的称为,p(positive),型半导体,(,硅掺硼、镓等,族元素,),。,n型和p型半导体 杂质半导体中以电子导电为主的称为n(ne,15,半导体的性质,电阻率随温度的增加而减小（称为负温度系数）,微量的杂质对半导体的导电性能有很大的影响,光照可以改变半导体的电阻率,半导体的性质 电阻率随温度的增加而减小（称为负温度系数）,16,真空二极电子管的工作原理,真空二极电子管的工作原理,17,晶体管的接触面工作原理,晶体管的接触面工作原理,18,半导体在开关和整流器中的运用,原理：一个,P-N,结，它的作用是只让电流向一个方向流通，是电的“单向阀”，可以用作开关，也可作为整流器。开关时间可短到几十几百,ns,，超高速集成电路开关已达十几几个,ns,。,半导体在开关和整流器中的运用原理：一个P-N结，它的作用是只,19,npn,三极管示意图,三极管的重要特性是具有放大作用,npn三极管示意图三极管的重要特性是具有放大作用,20,半导体材料制作晶体管,晶体管原理图,晶体管结构,半导体材料制作晶体管晶体管原理图晶体管结构,21,1947,年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管在美国新泽西州贝尔电话实验室诞生，发明人是三位美国科学家（从左至右）,巴丁、肖克利,和,布拉顿,。他们三人获得,1956,年诺贝尔物理学奖。这一发明引起现代电子学的革命，,微电子学,诞生了，并获得迅速发展。,1958,年半导体硅,集成电路,的诞生，吹响了以集成电路为核心的微电子技术发展的号角。微电子技术正是电子计算机和当今信息技术发展的基础。,1947年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管在美国新泽,22,集成电路,集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电容、二极管、三极管等元件及互联线制作在单个的半导体硅芯片上，具有和单个分开的分立器件制作的电子线路同等或更好的功能。,制造工艺：主要是,氧化、光刻、扩散掺杂和封装,。,其芯片的耗能及单位成本很低，并能提供较高的工作速度和可靠性。,集成电路 集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电容、二极管,23,半导体与集成电路,半导体与集成电路,24,内存条,计算机主板,集成电路,内存条计算机主板集成电路,25,微电子技术的发展,年代,名称,集成度,（单位体积中的元件个数）,50年代,晶体管,100,60年代,集成电路,1000,70年代,大规模集成电路,1万10万,80年代,超大规模集成电路,100万1亿,90年代,更大规模集成电路,100亿200亿,微电子技术的发展年代名称集成度（单位体积中的元件个数）50年,26,芯片换代的标志,1 密集程度高,2 同等功能的元件和整机的价格下降,3 尺寸减小,4 信息容量增大,5 运算速度提高,由于各元件及各元件间的隔离区的形状都是光刻技术完成,的，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小。,激光光刻线宽的极限约为,0.2,微米，用,X,射线光刻甚至可小于,0.1,微米。目前利用,0.3,微米线宽工艺已在,10mm20mm,的芯片,上集成了,1.4,亿个元件，集成密度达,70,万个,/mm,2,。,芯片换代的标志 1 密集程度高 由于各元件及,27,常用的半导体材料制备工艺有,提纯,、,单晶的制备,和,薄膜外延生长,。提纯主要有物理提纯和化学提纯。单晶的制备主要是利用熔体生长法，其中提拉法在工业中最为常用。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。,半导体材料的制作工艺,硅晶片生产,常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。提,28,半导体的生产,半导体的生产,29,半导体材料的运用和意义,20,世纪是科学技术突飞猛进的,100,年，原子能、半导体、激光和电子计算机成为,20,世纪的“四大发明创造”。激光和计算机是以半导体材料为基础的，而激光和计算机都是信息技术的重要支撑技术。因此，半导体材料技术在信息技术，以至于整个高科技领域有着举足轻重的作用。,半导体材料的运用和意义 20世纪是科学,30,半导体材料运用的树状图,半导体材料运用的树状图,31,半导体材料最常见的用途就是发光二极管，它主要用在仪器上做数字显示。,半导体材料最常见的用途就是发光二极管，它主要用在仪器上做,32,半导体材料在照明中的运用,手机、电脑、数码相机、汽车中，都有半导体照明的身影,用半导体照明的上海东方明珠电视塔,半导体材料在照明中的运用手机、电脑、数码相机、汽车中，都有半,33,光生伏特效应,当入射光子的能量大于禁带宽度时，光照射在距表面很近的,p,n,结，就会在,p,n,结产生电动势，接通外电路就可形成电流。这称为光生伏特效应。,太阳能电池就是利用光生伏特效应制成的。,光生伏特效应,光生伏特效应 光生伏特效应,34,太阳能电池,太阳能电池,35,光电效应和光电传感器,光电二极管是一个固态,PN,结器件，器件的一边,(,比如,P,层,),做得非常薄，使光可以穿透到结中，形成一个与入射的光子通量成正比的电流。这称为光电效应。,最简单的光电传感器是由一块芯片上的光电二极管传感器件和开关的阵列。,光电效应和光电传感器,36,半导体材料在显示器件中的运用,夏普发布,1/1.8,英寸大小,800,万象素,CCD,数码产品上常用的液晶显示屏,半导体材料在显示器件中的运用夏普发布1/1.8英寸大小800,37,小芯片改变大世界,集成电路的普及和发展给人类带来了小无止境的产品，也为人类带来了大无边际的网络。,电话网延伸了人们的听力,“,铱星”系统；,电视网延伸了人们的视力；,计算机网延伸了人们的大脑。,小芯片改变大世界 集成电路的普及和发展给,38,铱星系统,“铱星”系统的设计是由,77,颗卫星组成，运行在七条高度为,765,千米的太空中低轨道上，每条轨道上均匀分布着,11,颗卫星。实际运行的“铱星”系统由,66,颗通信卫星组成。,由于卫星众多，所以通信效率极高，可以随时为世界上的任何地方的用户提供电话通信服务，而且不必担心与其他蜂窝电话系统不相容。,目前，太空已有,250,多颗通信广播卫星运行，担负着,80,的洲际通信业务和全部洲际电视传播。,铱星系统 “铱星”系统的设计是由77颗卫星组成，,39,计算机网的诞生,用于减少信息传输量的视频压缩,/,解压缩芯片,;,用于数码录放音及影像存储的记忆体元件芯片,;,媒体处理芯片,;,快速电池充电控制芯片,;,路由器芯片等,芯片发展到一定程度，直接导致了计算机网的,诞生。各种各样的芯片大大支持了计算机的网络化。,芯片把数字的快速处理和快速传递融合在一,起，形成了当今的信息网络。,计算机网的诞生 芯片发展到一定程度，直接导致了计算机网,40,温差效应,当半导体材料两端的温度不同时，载流子就会从高温端流向低温端，结果半导体的两端就会产生电势差，这种现象成为温差效应。利用这种效应可以做成温差发电堆。,温差效应,41,砷化镓半导体,计算机的运算速度受到芯片材料中电子运动速度的限制,在砷化镓单晶材料中电子的迁移率（电子在电场作用下的迁移速度）比在单晶硅材料中电子的迁移率大67倍，所以采用砷化镓晶体管的计算机的响应速度和运算速度都更快。,砷化镓半导体 计算机的运算速度受到芯片材料中电子运动速度的限,42,砷化镓晶体结构,