半导体材料-硅分析

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,*,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”,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。,远古时候的“硅器”,陶瓷，主要成分为硅酸盐,自然石英SiO2,生活中的硅,金丝水晶球,水晶欣赏,岱岳雄姿,观音,电脑中的硅芯片,主板,什么是“半导体材料”,材料依据导电的力量来划分可以分为：,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，导电力量一般的导体。它的显著特点是对温度、杂质和光照等外界作用特别的敏感。,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,锗,常见半导体材料,硅,半导体材料的内部构造,金刚石构造,半导体材料之所以具有介于导体与绝缘体之间的性质，一局部缘由是由于它的特殊的构造。,科学分析说明，硅原子是依据金刚石构造的形式占据空间位置晶格。,金刚石构造的排列特点是：,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,金刚石构造和常见CO2分子构造比较图。,从不同方向观看硅晶体,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108106欧姆米；,绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大36 eV，故不能导电。绝缘体的电阻率约为1081020欧姆米；,半导体只有满带和空带，但禁带很小0.12eV，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108107欧姆米。,本征半导体和杂质半导体,纯洁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。,假设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力量，这种半导体称为杂质半导体。,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,),。,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,光照可以转变半导体的电阻率,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,。,npn,三极管示意图,三极管的重要特性是具有放大作用,半导体材料制作晶体管,晶体管原理图,晶体管构造,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 试验室诞生，制造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。这一制造引起现代电子学的革命，微电子学诞生了，并获得快速进展。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进展的号角。微电子技术正是电子计算机和当今信息技术进展的根底。,集成电路,集成电路就是将电子线路中所承受的电阻、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、集中掺杂和封装。,其芯片的耗能及单位本钱很低，并能供给较高的工作速度和牢靠性。,半导体与集成电路,内存条,计算机主板,集成电路,微电子技术的进展,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,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外形都是光刻技术完成,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/mm2。,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,半导体的生产,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“四大制造制造”。激光和计算机是以半导体材料为根底的，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。,半导体材料运用的树状图,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,光生伏特效应,当入射光子的能量大于禁带宽度时，光照射在距外表很近的pn结，就会在pn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,太阳能电池,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(比方P层),做得特别薄，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。,最简洁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。,半导体材料在显示器件中的运用,夏普公布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,小芯片转变大世界,集成电路的普及和进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。,网延长了人们的听力“铱星”系统；,电视网延长了人们的视力；,计算机网延长了人们的大脑。,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供给 通信效劳，而且不必担忧与其他蜂窝 系统不相容。,目前，太空已有250多颗通信播送卫星运行，担负着80的洲际通信业务和全部洲际电视传播。,计算机网的诞生,用于削减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;,快速电池充电掌握芯片;,路由器芯片等,芯片进展到肯定程度，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。,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，所以承受砷化镓晶体管的计算机的响应速度和运算速度都更快。,砷化镓晶体构造,超晶格材料,超晶格就是用两种或两种以上不同半导体或半导体的,n,型或,p,型极薄膜层交替排列组成的周期阵列，即在原来的周期性的晶格势场上再加上一个人为的周期势。,超晶体周期交替构造,超晶格材料的应用,由于在与界面平行的方向电子可以自由运动，迁移率极高，故可制成世界上最快的晶体管。,转变砷化镓薄层和镓铝砷薄层的厚度，可以放射不同的光波长。从而制造出所需要的光导纤维。,可以制造很灵敏的红外探测器,非晶态薄膜材料,材料制备便利，本钱较低,具有大的光吸取系数，适宜制作太阳能电池,具有高的光电导性，可制作特别灵敏的光电器件,非晶硅,又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。,非晶硅的优点,可以自由裁剪，因而可以充分利用合成的产品，不像晶体硅不能自由裁剪，制作成器件时材料磨下好多碎末，铺张很大；,它的制作过程是气相沉积化氢热分解，制作工艺条件简洁进展自动化掌握；,它还可以制成很薄很薄的薄膜，而晶体硅却至少要到达几百微米的厚度。,缺点,一是寿命短，在光的不断照射下会发生效应，光电转化效率会下降到原来的25%，这本质上正是非晶硅中有太多的以悬键为代表的缺陷，致使构造不稳定；,二是它的光电转化效率远比晶体硅低。现今市场上的晶体硅的光电转化效率为12%，最近面世的晶体硅的光电转化效率已经提高到18%，在试验室里，甚至可以到达29%比照：绿色植物的叶绿体的光电转化效率小于1%！，然而非晶硅的光电转化效率始终没有超过10%。,硅材料在我们的日常生活中无处不在。,半导体有哪些性质？硅的构造怎样保证了它的半导体性质。,半导体材料的进展带来了人类信息时代的到来。,半导体的进展将具有更宽阔的市场前景，将带来人类在信息时代的其次次飞跃。,小 结,