1、 半導體材料培訓測試部 胡晨2016年1月13日Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉目 錄半導體材料半導體材料半導體特性及應用半導體特性及應用半導體的發展趨勢半導體的發展趨勢半導體材料半導體材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉1. 半導體材料現代信息社會的基礎 人們的生活離不開半導體材料。半導體材料半導體材料Leading Physical Property A

2、nalysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉 半導體材料生產總值很大，應用領域非常廣泛。 半導體材料的發展使國民經濟和及科技等領域出現了巨大的進步，改變了我們的生活。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉2. 什么是半導體半導體材料半導體材料 根據物體導電能力的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。導 體：109cm；半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間。 三者的能帶結構不同：半導體材料半導體材料Leading Physical P

3、roperty Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體按化學成分：(1) 無機半導體材料: (2) 有機半導體材料: 元素半導體：Si、Ge、Se等；化合物半導體：GaAs、InSb、SiC、InGaAs等；有機物、聚合物、給體-受體絡合物。3. 半導體材料的分類Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體材料半導體材料4. 本征半導體單晶硅受熱激發 本征半導體：純凈的單晶半導體。 半導體中載流子：自由電子和空穴。

4、一定溫度下， 自由電子和空穴的濃度達到一定，形成動態平衡。以單晶硅為例：Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體材料半導體材料+-在外電場作用下，在外電場作用下，電子的定向移動電子的定向移動形成電流。形成電流。(1) 半導體中電子導電Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體材料半導體材料(2) 半導體中空穴導電+-在外電場作用下，在外電場作用下，空穴的定向移動空

5、穴的定向移動形成電流。形成電流。半導體材料半導體材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉5. 雜質半導體磷（磷（P）多數載流子多數載流子 N型半導體中，自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。(1) N型半導體 雜質半導體：摻入雜質的本征半導體。 N型半導體主要靠自由電子導電，摻入雜質越多，自由電子濃度越高，導電性越強。半導體材料半導體材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹

6、 勤勉勤勉多數載流子多數載流子 P型半導體中，空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。(2) P型半導體 硼（硼（B） 雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體材料半導體材料幾個基本概念：（1）本征半導體、雜質半導體；（2）兩種載流子“ 自由電子、空穴”；（3）N型半導體、P型半導體；（4）多數載流子、少數載流子。為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成導電性能極差的本征半導體，又將其摻雜

7、，改善導電性能？既然P型半導體的多數載流子是空穴，少數載流子是自由電子，所以，P型半導體帶正電。此說法是否正確？6. 問題小結半導體材料半導體材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉7. PN結及其單向導電性 物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區空穴濃區空穴濃度遠高于度遠高于N區。區。N區自由電區自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區。區。(1) PN結的形成半導體材料半導體材料Leading Physical Property Anal

8、ysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉內電場使空穴從N區向P區、自由電子從P區向N 區運動。因電場作用所產生的運動稱為漂移運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了PN結（空間電荷區、耗盡層）。內建電場內建電場E由于擴散運動使P區與N區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。半導體材料半導體材料Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉 (2) PN結的單向導電特性 正向特性正向特性反

9、向特性反向特性反向擊穿反向擊穿PN結的電流方程為結的電流方程為)1(TUuSeIiLeading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉目 錄半導體材料半導體材料半導體特性及應用半導體特性及應用半導體的發展趨勢半導體的發展趨勢Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉摻入微量的雜質摻入微量的雜質（簡稱摻雜）能顯著地改變半導體的導（簡稱摻雜）能顯著地改變半導體的導電能力。雜質含量改變能引起載

10、流子濃度變化，電能力。雜質含量改變能引起載流子濃度變化，實現半實現半導體導電性能的可控性。導體導電性能的可控性。1. 摻雜特性半導體特性及應用半導體特性及應用 制成制成P P型或型或N N型半導體型半導體Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體特性及應用半導體特性及應用溫度特性：溫度特性：半導體的導電能力隨溫度升高而迅速增加，半導體的導電能力隨溫度升高而迅速增加，不同于金屬的正的電阻溫度系數。不同于金屬的正的電阻溫度系數。2. 溫度特性熱敏電阻熱敏電阻(thermosensit

11、ive resistance) 。用途：電子線路。用途：電子線路元件的溫度補償或專用檢測元件。元件的溫度補償或專用檢測元件。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體特性及應用半導體特性及應用3. 光電導特性光電導現象：光電導現象：半導體導電能力隨光照而發生變化。半導體導電能力隨光照而發生變化。例如：例如：半導體硒，它的電阻值有隨半導體硒，它的電阻值有隨光光強的增加而急劇減小的現強的增加而急劇減小的現象。象。光敏電阻光敏電阻(photosensitive resistance)。

12、用途：光控開關，用途：光控開關，自動控制。自動控制。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體特性及應用半導體特性及應用4. 光生伏特效應光生伏特：光生伏特：光照在光照在PNPN結上，產生電子結上，產生電子- -空穴對，在內建電空穴對，在內建電場作用下，產生光生電勢。可用于太陽能電池的制造。場作用下，產生光生電勢。可用于太陽能電池的制造。pn+_光光太陽能電池及原理太陽能電池及原理Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Ma

13、terials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體特性及應用半導體特性及應用5. 整流特性整流：整流：半導體電阻率與所加電場方向有關。半導體電阻率與所加電場方向有關。硅單晶材料和晶體管的發明，硅集成電路硅單晶材料和晶體管的發明，硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命的研制成功，導致了電子工業革命。三級管dY8087大規模集成電路信息時代晶體二級管三級管信息時代晶體二級管Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉目 錄半導體材料半導體材料半導體特性及應用半導體特性及應用半導體的

14、發展趨勢半導體的發展趨勢Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體的發展趨勢半導體的發展趨勢1. 半導體的發展歷程第一代半導體：元素半導體，代表是第一代半導體：元素半導體，代表是硅基硅基和鍺基半導體；和鍺基半導體； 硅和硅基材料是當代微電子技術的基礎，其半導體器件的頻率較低，只能做到10GHz，但預計到21世紀中葉之前都不會被淘汰。硅質圓晶集成芯片Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情

15、嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體的發展趨勢半導體的發展趨勢第二代半導體：化合物半導體，代表是砷化鎵（第二代半導體：化合物半導體，代表是砷化鎵（GaAsGaAs）、）、磷化銦（磷化銦（InPInP）和氮化鎵）和氮化鎵(GaN)(GaN)等。等。 電子遷移率較硅半導體快許多，適用于高頻傳輸，在無線電通訊如手機、無線區域網絡、衛星通訊等皆有應用；具有直接帶隙，適用發光領域，如發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、太陽能電池等產品。GaAsGaAs半導體激光器發明使人半導體激光器發明使人類進入光纖通信和高速、寬類進入光纖通信和高速、寬帶信息網的時代帶信息網的時代。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專注 激情激情 嚴謹嚴謹 勤勉勤勉半導體的發展趨勢半導體的發展趨勢汽車防撞雷達汽車防撞雷達系統系統 第二代半導體砷化鎵還不會取代硅成為主流的半導體材料。其原因：(1)大多數的電子產品還不需要砷化鎵電路那么快的速度；(2)砷化鎵生產工藝時間更長和產量也更低。Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials專注專