第三代半导体面-SiC(碳化硅)器件及其应用
作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用．
从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面．
1 SiC分立器件的研究现状
目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在Si C上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S
iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC M OSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC 材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比．
为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能．1．1 SiC肖特基二极管
肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平．
通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和K ansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有4.9 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多.
1.2 SiC功率器件
由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制闸流管等．为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使用．表1给出了
已报道的最好的SiC功率MOSFET器件的性能数据Si功率MOSFET的功率优值的理论极限大约为5MW／㎡．除了横向DM0SFET因为特征导通电阻较高而使得优值较小外，其他Si C功率器件的功率优值均大于Si功率MOSFET器件的理论极限，特别是普渡大学制造的U MOS累积型FET的大功率优值是Si极限值的25倍．
1．3 SiC开关器件
到目前为止，SzC开关器件，无论是MOSFETs还是半导体闸流管，通常都是采用纵向器件结构，用衬底作为阴极．关态时，电压被一个反偏的pn结阻断．为了获得更高阻断电压，该pn的一边即“漂移区”很厚，而且掺杂浓度要低，所以纵向SiC功率开关器件的阻断电压主要依赖于漂移区的掺杂浓度和厚度．漂移区厚度一定时，不管掺杂浓度如何，总存在一个最大可能的阻断电压．然而至今，所能获得的SiC外延层的厚度最大只有10μm这就决定了最大可能的阻断电压大约为1600V．有效克服这一限制的方法就是改变器件的结构，即采用横向器件结构．普渡大学已经采用横向器件结构制造出了横向DMOSFETs．首先在绝缘4H —SiC讨底上外延n型SiC，然后在外延层上制造器件．显然，横向器件结构的最大阻断电压不受外延层厚度的限制，采用这种结构已经制造出了阻断电压高达2．6kV的LDMOSFET s．然而目前的横向LDMOSFET的特征导通电阻还比较高，这主要是因为当用横向结构代替纵向结构时．所需的器件面积将会增大．如果能够把减小表面电场概念和器件设计结合起来，那么导通电阻能够做得比相应的纵向器件还低．
1．4 SiC微波S件
SiC的高饱和漂移速度、高击穿场强和高热导率特性使得SiC成为1--10GHz范围的大功率微波放大器的理想材料．短沟道SiC MESFETs的特征频率已经达到22GHz．最高指荡频率f可以达到50GHz．静电感应晶体管(SITs)在600MHz时功率可以达到470W(功率密度为1．3 6W／mm)，3GHz时功率为38W(1．2W／mm)．由于SiC的热导率很高(GaAs的]0倍，G aN的3倍)，工作产生的热量可以很快地从衬底散发．通过改进器件结构，SiC SITs的特征频率目前可以达到7GHz．最近普渡大学在半绝缘4H—SiC上制造出了一种亚微米T型栅M ESFETs，饱和漏电流为350mA／mm，跨导为20m5／mm，漏击穿电压为120V，最大可获得的射频功率密度为3．2W／mm．
1. 5 SiC器件的高温特性
SiC器件在300°C以上高温条件下的工作特性也被大量研究，NASA制造的6H—SiC掩埋栅JE2T在600°C高温下表现出很好的低泄漏开关特性．然而，该器件在此高温下只工作了3 0个小时，器件发生了很小的退化，退化原因是接触金屑的氧化．但是当SiC器件在惰性气体环境中工作，在600°C高温下寿命要长得多．只要改善工艺控制的精确性并解决好接触金属和封装问题，SiC器件的高温寿命就会大大提高.
2 SiC集成电路的研究现状
与S1C分立器件追求高电压、大功率、高频以及高温特性不同，SiC集成电路的研究目标主要是获得高温数字电路，用于智能功率ICs的控制电路．由于SiC集成电路工作对内部电场很低，所以微管缺陷的影响将大大减弱，这可以从第一片单片SiC集成运算放大器芯片得到验证，实际成品宰远远高于微管缺陷所决定的成品率，因此，基于SiC的成品率模型与Si 和CaAs材料是明显不同的．该芯片是基于耗尽型NMOSFET技术．主要是因为反型沟道Si C MOSFETs的有效载流子迁移率太低．为了提高Sic的表面迁移率，就需要对SiC的热氧化工艺进行改进与优化．
美国普渡大学在SiC集成电路方面做了大量工作．1992年研制成功厂基于反型沟道6H—Si C NMOSFETs单片数字集成电路．该芯片包含与非门、或非门、同或门、二进制计数器和半加器电路，在25°C到300°C的温度范围内均可正常工作．1995年采用钒注入隔离技术制造出第一个SiC平面MESFET Ics通过精确控制钒的注入量，可以获得绝缘SiC．
在数字逻辑电路中，CMOS电路比NMOS电路具有更大的吸引力．1996年9月制造出第一片6H—SiC CMOS数字集成电路．该器件使用了注入n阶和淀积氧化层，但是由于其他的工艺问题，该芯片中PMOSFETs的阂值电压太高．在1997年3月制造第二代SiC CMOS电路时．采用了注入p阱和热生长氧化层工艺．通过工艺改进得到的PMOSEFTs的阂值电压大约为-4．5v．该芯片上所有的电路都能在室温到300°C范围内很好地工作，采用单一电源供电，电源电压可以为5--15V之间的任意电压．
随着衬底圆片质量的提高，将能制造出功能更强和成品率更高的集成电路．然而，当SiC材料和工艺问题基本解决以后，器件和封装的可靠性问题将上升为影响高温SiC集成电路性能的主要因素.
3 SiC器件的应用现状
SiC器件在高温、高频、大功率、高电压光电子及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力．3．1 SiC器件在高温环境中的应用
在航空航天和汽车设备中，电子器件经常要在高温下工作，如飞机发动机、汽车发动机、在太阳附近执行任务的航天器以及卫星中的高温设备等．使用通常的Si或者GaAs器件，因为它们不能在很高的温度下工作，所以必须把这些器件放在低温环境中，这里有两种处理方法：一种是把这些器件放在远离高温的地方，然后通过引线和连接器将它们和所需控制的设备连接起来；另一种是把这些器件放在冷却盒中，然后放在高温环境下．很明显，这两种方法都会增加额外的设备，增加了系统的质量，减小了系统可用的空间，使得系统的可靠性变差．如果直接使用可以在高温下工作的器件，将可以消除这些问题．SIC器件可以直接工作在3M —枷Y，而不用对高温环境进行冷却处理．
SiC电子产品和传感器能够被安装在炽热的飞机发动机内部和其表面上，在这种极端工作条件下它们仍然能够正常发挥功能，大大减轻了系统总质量并提高可靠性．基于SiC器件的分布控制系统可以消除在传统的电子屏蔽控制系统中所用引线和连接器的90％．这一点极为重要，因为在当今的商用飞机中、引线和连接器问题是在停工检修时最经常遇到的问题．根据美国空军的评估，在F—16战斗机中使用先进的SiC电子产品，将使该飞机的质量减轻几百公斤，工作性能和燃料效率得到提高，工作可靠性更高，维护费用和停工检修期大大减少．同样，SiC电子器件和传感器也可以提高商用喷气客机的性能，据报测对每架客机附加的经济利润可以达到数百万美元．
同样，SiC高温电子传感器和电子设备在汽车发动机上的使用将能做到更好的燃烧监控与控制，可以使汽车的燃烧更清洁、效率更高．而且，SiC发动机电子控制系统在125°C以上也能很好地工作，这就减少了发动机隔箱内的引线和连接器的数量，提高汽车控制系统的长期可靠性．
现在的商用卫星需要散热器去驱散航天器电子器件所产生的热量，并且需要防护罩来保护航天器电子器件免受空间辐射的影响．由于SiC电子器件不但可以在高温下工作，而且具有很强的抗幅照特性，所以SiC电子器件在航天器上的使用能够减少引线和连接器的数量以及辐射防护罩的大小和质量．如果发射卫星到地球轨道的成本是以质量计，那么使用SiC电子器件减轻的质量可以提高卫星工业的经济性和竞争力．
使用高温抗辐照SiC器件的航天器可以用来执行太阳系周围的更具挑战性的任务．将来，当人们在太阳周围和太阳系内行星的表面执行任务时，具有优良高温和抗辐射特性的SiC电子器件将发挥关键性的作用、对于在太阳附近工作的航天器来讲，SiC电子器件的使用可以减少航天器的防护和散热设备，于是在每一个运载工具中可以安装更多的科学仪器．
3．2 SiC器件的微波应用
SiC器件除了可以在高温下工作以外，还具有很多优良的微波特性。
关键的航空无线电设备依赖于前端射频接收器探测和放大有用信号以及过滤干扰信号的能力．随着无线电波频谱越来越拥挤，由射频干涉引起的导航和定位航空设备发生故障对飞行安全的威胁越来越大．使用SiC半导体器件将会大大增强射频接收器电路的抗干扰能力．与Si混频器相比，SiC混频器成功地将Si接收器电路中的射频干扰减弱到原来的十分之一．比较Si混频器电路接收到的信号频谱和SiC混频器电路的信号频谱，能够很明显地得到上述结论．频语中央的两个最大值就是所要接收的无线电信号，它包含与航空控制有关的信息．在图中有用信号两边的那些信号峰值代表不需要的互调失真信号，会对所需信号的正确探测与编码产生干扰．SiC二极管混频器电路降低了这些不需要的干涉峰值点，使得它们不能被观察到．这些电路很明显地提高厂无线电设备的可靠性，甚至在飞机起飞和降落期间乘客仍然可以便用便携式电子通讯工具．
SiC微波电子器件能够工作在高功率密度和高温条件下，这将大大提高无线通信设备和雷达的功能勺性能．目前大多数固态微被通信和雷达电子器件是通过CaAs半导体技术制造的，然而，军用飞机所需微被电子器件要在比她的理论极限还高的功率和温度下工作，SiC微波电子器件正在被研制用于填补这一空白．除此之外，SLC微波电子器件的许多性能优势可以应用于“全球通”无线通信．
目前，雷达普通采用全固态器件和组件，P，L，S，X波段相控阵雷达固态器件，尤其是T ／R组件开始采用SiC器件．在X波段以下，S6C器件无论在功率、体积、性能等方面都具有明显的优越性，同时，SiC射频电路有望在雷达系统、蜂窝电话基站和高清晰度电视(HD TV)发射机中被使用.
3．3 SiC智能功率器件在电力系统中的应用
先进的SiC功率电子器件能够提高公用电力系统的效率和可靠性．当前，任一时刻所需提供的电能应该比实际消耗的电能多大约20％．这些过剩的电力储存为的是确保电力服务能够稳定和可靠．以免受到日常负载变化和局部故障的影响．将智能功率器件和电源阵列结合起来能大大地降低所必需的电能存储余量，因为这些电路能够探测并立即补偿局部电脉冲．电能存储余量至少可以减少5％，这将大大节约能源．相同的智能功率技术也可以把现有辐电线所能传送的电能提高大约50％．
功率半导体器件是“智能”功率电子技术的关键元件，与S1功率器件相比，5iC功率器件能够阻挡更高的电压，具有更低的寄生电阻和小得多的物理尺寸，所以响应时间更短．更快的开关速度不但提高了功率系统的转换效率，而且能够使用更小的变压器和电容器，大大减小了系统的整体尺寸和质量．而且，SiC的耐高温特性大大地降低厂冷却需要，而这些冷却设备也是功率转换和传送系统中的很大一部分．因此，在21世纪，SiC器件有望从本质上提高电力传送效率和使用效率．
4 结束语
由于SiC半导体技术在过去]0年得到了飞速的发展，目前SiC因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片生产技术也不断研制成熬．不管是SiC分立器件还是集成电路，都已经有了许多实验室产品，而且部分产品已经进入市场，然而要进入SiC产品的大规模应用阶段还需做大量的工作．一方面在器件制造过程中很多工艺步骤还要进行改进与提高，如小区域刻蚀、表面清洁以及在极端条件下工作的SiC器件的绝缘和互连技术还需要进行深入研究，除此之外，还有一个迫切需要解决的问题，即如何通过改进和优化器件与电路的设计去发挥SiC材料的超强性能，随着SiC材料生长、器件制造技术的不断成熟，会有越来越多的SiC电子产品进入应用领域
第1章常用半导体器件 一、判断题（正确打“√”，错误打“×”，每题1分） 1．在N型半导体中，如果掺入足够量的三价元素，可将其改型成为P型半导体。（）2．在N型半导体中，由于多数载流子是自由电子，所以N型半导体带负电。（）3．本征半导体就是纯净的晶体结构的半导体。（） 4．PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） 5．使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正偏，且集电结也是正偏。（）6．晶体三极管的β值，在任何电路中都是越大越好。( ) 7．模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。( ) 8．稳压二极管正常工作时,应为正向导体状态。( ) 9．发光二极管不论外加正向电压或反向电压均可发光。( ) 10．光电二极管外加合适的正向电压时，可以正常发光。( ) 一、判断题答案：（每题1分） 1．√； 2．×； 3．√； 4．√； 5．×； 6．×； 7．√； 8．×； 9．×； 10．×。
二、填空题（每题1分） 1．N型半导体中的多数载流子是电子，P型半导体中的多数载流子是。2．由于浓度不同而产生的电荷运动称为。 3．晶体二极管的核心部件是一个，它具有单向导电性。 4．二极管的单向导电性表现为：外加正向电压时，外加反向电压时截止。5．三极管具有放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结偏置。6．场效应管与晶体三极管各电极的对应关系是：场效应管的栅极G对应晶体三极管的基极b，源极S对应晶体三极管，漏极D对应晶体三极管的集电极c。7．PN结加正向电压时，空间电荷区将。 8．稳压二极管正常工作时，在稳压管两端加上一定的电压，并且在其电路中串联一支限流电阻，在一定电流围表现出稳压特性，且能保证其正常可靠地工作。 9．晶体三极管三个电极的电流I E 、I B 、I C 的关系为：。 10．发光二极管的发光颜色决定于所用的，目前有红、绿、蓝、黄、橙等颜色。 二、填空题答案：（每题1分） 1．空穴 2．扩散运动 3．PN结 4．导通 5．反向 6．发射机e 7．变薄 8．反向 9．I E ＝I B ＋I C 10．材料 三、单项选择题（将正确的答案题号及容一起填入横线上，每题1分）
学生毕业论文（设计） 课题名称：铝碳化硅锆质铁水罐不烧砖 的研制与使用 专业班级：材料工程0501 姓名：利鹏 系部：冶金学院 实习单位：莱芜钢铁集团 指导老师：田华孙华云 2008年05月06日 摘要：随着钢铁企业市场竟争的激烈，“优质、高效、低耗、环保”
的发展战略，是企业生存和发展的必经之路。在这种形势下，莱芜市耐火材料厂，本着“优质、高效、低耗、环保”的八字方针，开发研制出了一种新型的铁水罐砖，铝碳化硅锆质铁水罐不烧砖。这种材质的不烧砖，解决了传统的粘土砖粘铁挂渣现象，使用寿命在进行脱硫、脱硅、脱磷的处理时，仍大于1000次，同时它又是一种不烧砖，既节约了能源，又降低了排污污染，是目前较为理想的耐火材料。 关键词：铝碳化硅锆不烧砖铁水罐冷铁抗渗透 铝碳化硅锆质铁水罐不烧砖的研制与使用 1、铁水罐的构造 根据铁水罐内衬大致可分为3个区域，即上部、渣线部和罐底部。
各部位使用条件差异较大，砖的损毁特点也各有不同： 1．1铁水罐上部 在服役期间与铁水的熔渣接触较少，大部分时间暴露在高温氧化气氛中，由于砖中的石墨易被氧化，往往会导致砖体结构疏松，强度下降。对于上部用罐砖，既要提高其抗氧化性，又要提高对铁水，熔渣抗冲刷性。 1.2渣线部位 铁水罐渣线部位的砖在服役期浸泡在熔渣和铁水中，经受熔渣的长期的化学侵蚀，这是渣线部位铁水罐砖损毁的主要原因。 1.3罐底部及冲击区 罐底首先要承受高温铁水的强烈机械冲击，（高炉铁水口到铁水罐底的高度落差一般都在3-5米）。铁水罐罐底部在服役期间被高温铁水反复浸泡，受到铁水的熔损和热冲刷。在进行“三脱”处理时，在铁水底部喷吹强碱性造渣粉状材料，铁水的强烈搅动，加剧了对罐底的侵蚀，高温铁水的熔损、热冲击和机械冲刷是此部位耐火材料损毁的主要原因。 2、铁水罐的主要技术 2.1由烧成砖改为树脂C链结合不烧砖 制品中虽然含有碳、但不烧工艺使产品的热导率比烧成显著降低，保温性能好，铁水在单位时间内温降小，杜绝了罐内冷铁现象。 2.2材质配方的创新使用 原来铁水罐多是以铝Al2O3、SiC为主成分，根据我们研究和罐衬侵蚀机理，在配方中引入了具有熔态渣铁难以浸润的高温材料C成分，增加了ZrO2质增韧材料，提高制品的韧性。 2.3砖型设计的创新 该铁水罐砖型分为两部分设计：桶形罐衬由原来的万能旋转弧衬衬砖改为以圆扇面按角度分割出每个砖型，罐底球面部分利用球体分割法设计每个砖型，砖与砖之间严丝合缝，最大限度的降低了熔态渣铁渗漏机会，提高其全罐的安全性和耐用性。 3、采用的实验方法和技术路线
半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。
9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化
件)器及其应用i三第代半导体面-SC(碳化硅以其优良的物理化学特性和电特性成为制SiC作为一种新型的半导体材料，造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重器件的特性要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件和各类传感器已逐步成为SiCGaAs器件．因此，远远超过了Si器件和关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC 上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，
均为SiO2，这意味上制造出来．尽管只是简SiC帕型器件都能够在M 器件特别是Si着大多数． 单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV 的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边
第三代半导体面-SiC(碳化硅)器件及其应用 作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在Si C上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC M OSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC 材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能．1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和K ansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有4.9 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多. 1.2 SiC功率器件 由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制闸流管等．为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使用．表1给出了
碳化硅主要用途__碳化硅用于耐火材料时特性 碳化硅主要用途是什么呢？碳化硅用于耐火材料时有哪些特性呢？碳化硅又名金刚砂,包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂,石油焦和硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。那么碳化硅的主要用途有哪些? 【碳化硅主要用途】 一、磨料--主要是因为碳化硅具有很高的硬度，化学稳定性和一定的韧性，所以碳化硅能用于制造固结磨具、涂附磨具和自 由研磨，从而来加工玻 璃、陶瓷、石材、铸铁 及某些非铁金属、硬质 合金、钛合金、高速钢 刀具和砂轮等。 二、耐火材料和耐腐蚀 材料---主要是因为碳 化硅具有高熔点(分解 度)、化学惰性和抗热振性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品烧成窑炉中用的棚板和匣钵、炼锌工业竖缸蒸馏炉用的碳化硅砖、铝电解槽衬、坩锅、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。 三、化工--因为碳化硅可在溶融钢水中分解并和钢水中的离氧、金属氧化物反应生成一氧化碳和含硅炉渣。所以它可作为冶炼钢铁的净化剂，即用作炼钢的脱氧剂和铸铁组织改良剂。这一般使用低纯度的碳化硅，以降低成本。同时还可以作为制造四氯化硅的原料。 四、电工--用作加热元件、非线性电阻元件和高半导体材料。加热元件如硅碳棒(适用于1100～1500℃工作的各种电炉)，非线性电阻元件，各式的避雷阀片。
五、其它--配制成远红外辐射涂料或制成碳化硅硅板用远红外辐射干燥器中。【碳化硅用于耐火材料时特性】 1、还原气氛下使用温度一般可达1760℃; 2、抗热震性能好，能承受温度急剧变化，防止炉衬出现裂纹或断裂 3、因热态强度高，中高温条件时可承受一定应力，可作为结构材料 4、耐磨性能好，在一定温度下，可作为耐磨衬体 5、能耐受一定熔渣或热态金属，包括碱金属熔液的侵蚀和渗透 6、可承受一些炉气的作用，能用于气氛炉。 其中，碳化硅应用于耐火材料的关键技术有以下四种方式： 1、氧化物结合：以硅酸铝、二氧化硅等为结合剂; 2、氮化物结合：氮化硅、氧氮化硅和赛隆结合; 3、自结合：按碳化硅的当量比例加入石墨和金属硅，高温下反应生成;
第4章常用半导体器件 本章要求了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。 本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。 本章学时6学时 4.1 PN结和半导体二极管 本节学时2学时 本节重点1、PN结的单向导电性； 2、半导体二极管的伏安特性； 3、半导体二极管的应用。 教学方法结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。 4.1.1 PN结的单向导电性 1. N型半导体和Ｐ型半导体 在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 2.PN结的单向导电性 当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,视为截止(不导通)。 4.1.2 半导体二极管 1.结构 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。 2. 二极管的种类 按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。
?平时成绩30% + 考试成绩70% ?名词解释（2x5=10）+ 简答与画图（8x10=80）+ 计算（1x10=10） 名词解释 p型和n型半导体 漂移和扩散 简并半导体 异质结 量子隧穿 耗尽区 阈值电压 CMOS 欧姆接触 肖特基势垒接触 简答与画图 1.从能带的角度分析金属、半导体和绝缘体之间的区别。 2.分析pn结电流及耗尽区宽度与偏压的关系。 3.什么是pn结的整流（单向导电）特性？画出理想pn结电流-电压曲线示意图。 4.BJT各区的结构有何特点？为什么？ 5.BJT有哪几种工作模式，各模式的偏置情况怎样？ 6.画出p-n-p BJT工作在放大模式下的空穴电流分布。 7.MOS二极管的金属偏压对半导体的影响有哪些？ 8.MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型？强反型的判据是什么？ 9.当VG大于VT且保持不变时，画出MOSFET的I-V曲线，并画出在线性区、非线 性区和饱和区时的沟道形状。 10.MOSFET的阈值电压与哪些因素有关？ 11.半导体存储器的详细分类是怎样的？日常使用的U盘属于哪种类型的存储器，画出 其基本单元的结构示意图，并简要说明其工作原理。 12.画出不同偏压下，金属与n型半导体接触的能带图。 13.金属与半导体可以形成哪两种类型的接触？MESFET中的三个金属-半导体接触分 别是哪种类型？ 14.对于一耗尽型MESFET，画出VG=0, -0.5, -1V（均大于阈值电压）时的I-V曲线示 意图。 15.画出隧道二极管的I-V曲线，并画出电流为谷值时对应的能带图。 16.两能级间的基本跃迁过程有哪些，发光二极管及激光器的主要跃迁机制分别是哪 种？ 计算 Pn结的内建电势及耗尽区宽度
第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm，求零偏压下的总耗尽层宽度、建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp＝τn＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 + = I S =A*J S =1.0*10-16A 。 ＋0.7V 时，I ＝49.3μA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区存
《模拟电子技术基础》 （教案与讲稿） 任课教师：谭华 院系：桂林电子科技大学信息科技学院电子工程系 授课班级：2008电子信息专业本科1、2班 授课时间：2009年9月21日------2009年12月23日每周学时：4学时 授课教材：《模拟电子技术基础》（第4版） 清华大学电子学教研组童诗白华成英主编 高教出版社 2009
第一章常用半导体器件 本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节——PN 结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。 （一）主要内容: ?半导体的基本知识 ?PN结的形成及特点，半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电 路 （二）基本要求: ?了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 ?掌握PN结的单向导电工作原理 ?了解二极管（包括稳压管）的V-I特性及主要性能指标 （三）教学要点： ?从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手，重点介绍PN结的单向导 电工作原理、 ?二极管的V-I特性及主要性能指标 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。 半导体有以下特点： 1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。
碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器、矿斗内衬的理想材料，具耐磨性能是铸铁，橡胶使用寿命的5-20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供应，不能算高新技术产品，而技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。 （碳化硅-图片） 1、作为磨料，可用来做磨具，如油石、磨头、砂瓦类等。 2、作为冶金脱氧剂和耐高温材料。 3、高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。 主要用途:用于3-12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。 用于半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。 折叠磨料磨具
主要用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。 折叠化工 折叠"三耐"材料 利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。 另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等;用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等碳化硅陶瓷材料;还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、##飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。 （碳化硅-图片） 折叠有色金属 利用碳化硅具有耐高温，强度大，导热性能良好，抗冲击，作高温间接加热材料，如坚罐蒸馏炉，精
第一章 常用半导体器件 自 测 题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。（ √ ） （2）因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ × ） （3）PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ √ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 （ ×） （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S 大的特点。（ ） （6）若耗尽型N 沟道MOS 管的U G S 大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 解：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN 结加正向电压时，空间电荷区将 A 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽（加上正向电压时，内电场被削弱，空间电荷区变窄） （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 C 。 A. I S e U B. T U U I e S C. )1e (S －T U U I （3）稳压管的稳压区是其工作在 C 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 B 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 （5）U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MOS 管 C. 耗尽型MOS 管 解：（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C
三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。 图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z m i n＝5mA。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。
碳化硅 碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830℃。导热系数(500℃)22. 5 , (1000℃)23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100℃：5.2×10-6/ ℃，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料 由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5~20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。 其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。 由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见《碳化硅在选矿工艺中的应用》。 二、耐火材料和耐腐蚀材料 这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅
电子封装中的铝碳化硅及其应用 1 引言 铝碳化硅AlSiC（有的文献英文所略语写为SiCp/Al或Al/SiC、SiC/Al）是一种颗粒增强金属基复合材料，采用Al合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。AlSiC研发较早，理论描述较为完善，有品种率先实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的"轻薄微小"的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装分析作用极为凸现，成为封装材料应用开发的重要趋势。 2 封装AlSiC特性 封装金属材料用作支撑和保护半导体芯片的金属底座与外壳，混合集成电路HIC的基片、底板、外壳，构成导热性能最好，总耗散功率提高到数十瓦，全气密封性，坚固牢靠的封装结构，为芯片、HIC提供一个高可靠稳定的工作环境，具体材料性能是个首选关键问题。 在长期使用中，许多封装尺寸、外形都已经标准化、系统化，存在的主要缺陷是无法适应高性能芯片封装要求。例如，Kovar（一种Fe-Co-Vi合金）和Invar（一种Fe-Ni合金）的CTE低，与芯片材料相近，但其K值差、密度高、刚度低，无法全面满足电子封装小型化、高密度、热量易散发的应用需求合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素所组成的金属材料，具有其综合的优势性能。随之发展的Mo80 Cu20、Cu/Invar/Cu、Cu/Mo/Cu等合金在热传导方面优于Kovar，但期比重大于Kovar，仍不适合用作航空航天所需轻质的器件封装材料。 常用金属封装材料与CaAs的微波器件封装需求存在性能上的差距，使得研发一种新型轻质金属封装材料，满足航空航天用器件封装成为急需，引发相关部门调试重视。经过近些年来的深入研究，AlSiC取得产业化进展，相继推动高硅铝合金Si/Al实用化进程，表2示出其主要性能与常用封装材料的对比。将SiC与Al合金按一定比例和工艺结合成AlSiC后，可克服目前金属封装材料的不足，
项目六 常用半导体器件及应用 班级 姓名 成绩 一、填空题：（35分） 1.制作半导体器件时，使用最多的半导体材料是 硅 和 锗 。 2.根据载流子数目的不同，可以将半导体分为 本征半导体 、 P 型半导体 和 N 型半导体 三种。 3.PN 结的单向导电性是指：加正向电压 导通 ，加反向电压 截止 。PN 结正偏是指P 区接电源 正 极，N 区接电源 负 极。 4.半导体二极管由一个 PN 结构成，它具有 单向导电 特性。 5.硅二极管的门坎电压是 0.5V ，正向导通压降是 0.7V ；锗二极管的门坎电压是 0.2V ，正向导通压降是 0.3V 。 6.半导体稳压二极管都是 硅 材料制成的。它工作在 反向击穿 状态时，才呈现稳压状态。 7.晶体三极管是由三层半导体、两个PN 结构成的一种半导体器件，两个PN 结分别为 发射结 和 集电结 ；对应的三个极分别是 发射极e 、 基极b 、 集电极c 。 8.半导体三极管中，PNP 的符号是 ，NPN 的符号是 。9.若晶体三极管集电极输出电流I C =9 mA ，该管的电流放大系数为β=50，则其输入电流I B =_0.18_mA 。10.三极管具有电流放大作用的实际是：利用 基极 电流实现对 集电极 电流的控制。因此三极管是 电流 控制型器件。11.三极管的输出特性曲线可分为三个区域，即_放大_区，__饱和_区和_截止_区。12.放大电路静态工作点随 温度 变化而变化， 分压式 偏置电路可较好解决此问题。13.对于一个晶体管放大器来说，一般希望其输入电阻要 大 些，以减轻信号源的负担，提高抗干扰能力；输出电阻要 小 些，以增大带动负载的能力。二、判断题：（10分，将答案填在下面的表格内） 题号12345678910答案××√××√√×√× 1.P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。（ ） 2.半导体器件一经击穿便即失效，因为击穿是不可逆的。（ ） 3.桥式整流电路中，若有一只二极管开路，则输出电压为原先的一半。（ ） 4.用两个PN 结就能构成三极管，它就具有放大作用。（ ） 5.β越大的三极管，放大电流的能力越强，管子的性能越好。 6.三极管和二极管都是非线性器件。（ ） 7.三极管每一个基极电流都有一条输出特性曲线与之对应。（ ）等多项对全系统启备高中免不
第三代半导体面-S i C(碳化硅)器件及其应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC 材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC 材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在SiC上制造出来．尽管只是简
单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、Si C射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以 提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的 电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和Kansai联合研制
第7章 常用半导体器件 习题参考答案 7-1 计算图所示电路的电位U Y （设D 为理想二极管）。 （1）U A ＝U B ＝0时； （2）U A ＝E ，U B ＝0时； （3）U A ＝U B ＝E 时。 解：此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。从图中可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。 当A 、B 两点的电位同时为0时，D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极（U Y ）两端电位同时为0，因此均不能导通；当U A ＝E ，U B ＝0时，D A 的阳极电位为E ，阴极电位为0（接地），根据二极管的导通条件，D A 此时承受正压而导通，一旦D A 导通，则U Y ＞0，从而使D B 承受反压（U B ＝0）而截止；当U A ＝U B ＝E 时，即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位，所以两管同时导通，两个1k Ω的电阻为并联关系。本题解答如下： （1）由于U A ＝U B ＝0，D A 和D B 均处于截止状态，所以U Y ＝0； （2）由U A ＝E ，U B ＝0可知，D A 导通，D B 截止，所以U Y ＝E ? +9 19＝109E ； （3）由于U A ＝U B ＝E ，D A 和D B 同时导通，因此U Y ＝E ?+5.099＝1918E 。 7-2 在图所示电路中，设D 为理想二极管，已知输入电压u i 的波形。试画出输出电压u o 的波形图。 解：此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。 首先从（b ）图可以看出，当二极管D 导通时，电阻为零，所以u o ＝u i ；当D 截止时，电阻为无穷大，相当 于断路，因此u o ＝5V ，即是说，只要判断出D 导通与否， 就可以判断出输出电压的波形。要判断D 是否导通，可 以以接地为参考点（电位零点），判断出D 两端电位的高 低，从而得知是否导通。 u o 与u i 的波形对比如右图所示： 7-3 试比较硅稳压管与普通二极管在结构和运用上有 何异同 （参考答案：见教材） 7-4 某人检修电子设备时，用测电位的办法，测出管脚①对地电位为－；管脚②对地电位
铝碳化硅（Al/SiCp）系第三代电子封装材料，这种SiC颗粒增强铝基复合材料具有的高比强度、高比模量、耐磨损及抗腐蚀性等优良的性能使得其在航空、航天、医疗、汽车等领域获得了广泛的应用前景，也使得其制备、加工以及应用成为当今世界科技发展的一个研究热点。 增强体颗粒SiC比常用的刀具如高速钢刀具和硬质合金钢刀具的硬度高, 在机械加工过程中能引起剧烈的刀具磨损, 因此,复合材料的难加工性和昂贵的加工成本限制了铝基碳化硅复合材料的广泛应用。目前, 在进一步扩大铝基碳化硅复合材料的应用方面, 材料的切削加工是最重要的研究课题之一。随着SiCp/Al复合材料在航空、航天等领域应用的不断增加，出现了越来越多的带有直线、曲线形状的深窄沟槽、小尺寸孔、螺纹且需要对它们进行精密加工的零件。如何突破这种难加工材料的加工工艺方法，有效的降低其加工成本，使其得到广泛的应用，对我国国防事业有着重要意义。 基于当前世界的机械制造水平，我国有部分科研院所针对这个课题作了部分研究，人们尝试了多种加工方法：有金刚石刀具高速加工、金刚石砂轮进行高效磨削、电火花加工、激光加工、超声振动切削加工等等。这么多的方法总而言之，各有利弊，铝碳化硅材料的加工工艺方法还处于摸索总结阶段。 我公司于2009年启动该项目，经过不断地摸索实验与总结，已经取得了一系列研究成果，促进了SiCp/Al复合材料加工技术的发展和应用。我们认为采用金刚石刀具高速切削和采用金刚石砂轮进行高效磨削以及结合电火花加工能有效的保证设计尺寸精度要求。但是，要有效的降低其加工成本还有很多的路要走。其加工制造的瓶颈主要有三点： 1.高精度、高转速、高效率的切削机床。这是实现铝碳化硅复合材料高效加工的根 本，是金刚石刀具高速加工及金刚石砂轮高效磨削的前提条件。 2.金刚石刀具及金刚石砂轮的制造。如何提高金刚石刀具及金刚石砂轮的使用寿 命，降低其制造成本，实际上也就决定了铝碳化硅复合材料的加工成本。 3.切削参数。合理的切削参数能有效的保护机床和刀具，提高加工效率。 针对以上三点，在十二五期间，我们计划再用2年时间解决。首先机床在资金允许的前提下，购买国内外满足使用性能的机床；进一步加大对金刚石刀具的制造和再次刃磨研究；进一步改进电镀金刚石砂轮和钎焊金刚石砂轮的研究；加强对切削参数的优化与总结。同时也进一步展开对其他工艺方法的研究。