半导体SiC 材料研究进展及其应用
－B08010113 张朝飞
引言
作为第三代的半导体材料, S i C 具有带隙宽、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低、化学稳定性好等特点, 在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件及紫外探测器等方面具有广泛的应用前景。
在半导体材料的发展中,一般将Si 和Ge称为第一代电子材料,上世纪60 年代,发展了第二代电子材料,包括GaAs、InP、GaP InAs、AlAs 及其合金等。随着微电子技术、光电子技术的飞速发展,常规半导体如Si、GaAs 等已面临严峻挑战,人们对能在极端条件(高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件的需求越来越迫切。因而继第一代第二代半导体材料以后发展第三代宽带隙(Eg＞2.3eV)高温半导体材料,即SiC、GaN、AlN、金刚石等已成当务之急。
SiC 是第三代半导体材料的核心之一,与SiGaAs 相比,SiC 具有带隙宽、热导率高、电子饱和漂移率大、化学稳定性好等优点,因而被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器件。利用它宽禁带(2.3eV～3.3eV)的特点还可以制作蓝、绿光
和紫外光的发光器件和光电探测器件。另外,与其他化合物半导体材料如GaN、AlN 等相比,SiC 有一个独特的性质就是可以形成自然氧化层SiO2,这对制作各种以MOS 为基础的器件是非常有利的。
SiC材料发展历史
自1824 年瑞典科学家Berzelius(1779 —1848) 在人工合成金刚石的过程中观察到了SiC 以来,人们开始了对SiC 的研究。1885 年Acheson(1856-1931)第一次生长出SiC 晶体,他发现该晶体具有硬度大、熔点高等特性,并希望用它代替金刚石和其他研磨材料。当时这一材料在切割和研磨方面产生了极大的影响力。但由于晶体的尺寸较小, 并且其中存在大量的缺陷,SiC 材料还不能用于制备电子器件。SiC 在电子学中的正式应用是1907 年,英国电子工程师Round(1881 — 1966)制造出了第一支SiC 的电致发光二极管。1920 年,SiC 单晶作为探测器应用于早期的无线电接收机上。直到1959 年,Lely 发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法,由此奠定了SiC 的发展基础,也开辟了SiC 材料和器件研究的新纪元。
但是,由于当时SiC单晶生长难度比较大,因而使得SiC 的研究滞后了。这一时期的研究工作,即60 年代中期到70 年代中期,主要在前苏联进行,在西方一些国家,SiC 的研究工作仅处于维持状态。1 9 7 8 年, 俄罗斯科学家Tairov 和Tsvetkov 发明了改良的Lely 法,获得较大晶体的SiC 生长技术,又激起了人们的兴趣。1979 年,成功地制造出了SiC 蓝色发光二极管[2]。1981 年,Matsunami 发明了Si 衬底上生长单晶SiC 的工艺技术,并在SiC 领域引发了技术的高速发展1991 年,Cree ResearchInc 用改进的Lely法生产出6H-SiC晶片,1994 年获得4H-SiC 晶片。人们逐步增强了对SiC 的研究兴趣,且目前这一领域由于SiC 衬底的商品化而迅猛发展起来。
SiC材料的结构与特性
SiC 是IV-IV 族二元化合物半导体,也是元素周期表中IV 族元素中唯一的一种固态化合物。SiC 具有250 多种同素异构类型,其中最为重要的有两种:一种为立方密堆积的闪锌矿结构叫作3C-SiC,即β -SiC;另一种为六角密堆积的纤维锌矿结构, 其中典型的有6 H 、4H、15R(数字和字母分别表示密堆积方向上晶胞中(Si ＋C)双层的数目及晶体结构种类)等, 统称为α -SiC。SiC 与Si、GaAs 性能参数的比较如下图：
从表中可以看出,SiC 宽的带隙、高的热导率、快的电子饱和漂移速率、好的化学稳定性等特性,使它成为目前发展最快的高温宽禁带半导体器件之一。
(1)SiC 是一种宽带隙半导体,不同的结晶状态有不同的带隙,可以用作不同颜色的发光材料。如六角晶体SiC 的带隙约为3eV,可以用作蓝光LED 的发光材料;立方晶体SiC 的带隙为2.2eV,可以用作绿色LED 的发光材料。由于带隙不同,它们呈现出不同的体色,立方晶系透射和反射出黄色,六角晶系呈无色;
(2)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同,但均大于Si 和GaAs 的禁带宽度,大大降低了SiC 器件的泄漏电流,加上SiC 的耐高温特性,使得SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势;
(3)SiC 三倍于Si 的热导率使它具有优良的散热性,有助于提高器件的功率密度和集成度; SiC 具有很高的临界击穿电场,它大约是Si材料的十倍,用它作成的器件可以很大的提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件的导通损耗;
(4)SiC 两倍于Si 的电子饱和漂移速度使SiC 器件具有优良的微波特性,可以很大的改善通信、雷达系统的性能,而且SiC 器件的高温高功率特性使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要
(5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性,可以在很恶劣的环境下工作。由于碳化硅具有以上特性,因此SiC 比一些常规半导体材料更适合应用于特性优越的器件,很快成为第三代电子材料的核心之一。
SiC薄膜的制备方法
目前,常用的SiC薄膜的制备方法有: 溅射法、C V D 法和液相外延法
在用溅射法制备薄膜时,薄膜的形成过程大致都可分为四个阶段：
(1)外来原子在基底表面相遇结合在一起成为原子团,只有当原子团达到一定数量形成“核”后, 才能不断吸收新加入的原子而稳定地长大形岛。
(2)随着外来原子的增加,岛不断长大,进一步发生岛的接合;
(3)很多岛接合起来形成通道网络结构
(4)后续的原子将填补网络通道间的空洞,成为连续薄膜。
在薄膜的生长过程中,基片的温度对沉积原子在基片上的附着以及在其上移动等都有很大影响, 是决定薄膜结构的重要条件。一般来说, 基片温度越高, 则吸附原子的动能也越大,跨越表面势垒的几率增多,则需要形成核的临界尺寸增大,越易引起薄膜内部的凝聚,每个小岛的形状就越接近球形,容易结晶化,高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。而在低温时,形成核的数目增加,这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织,而且还增强了薄膜的附着力,所以寻求实现薄膜的低温成型一直是研究的方向。
C V
D 法由于生长温度低、反应条件易于控制、成膜均匀等优点成为目前制备结晶态SiC 薄膜材料及器件的主要方法,通常采用含Si 和C 的气体作为反应源,H2 或Ar 作为稀释和输送气体,衬底用射频感应电炉加热,通常选单晶硅片作为衬底, 因为它成本低、纯度高、生长重复性好。但是SiC 与Si 晶格失配与热膨胀失配比较大,分别为20％和8％左右，因此在SiC
／Si 界面上会出现高密度的失配位错和堆垛位错等,这些缺陷会引起杂质的重新分配,杂质散射的增大,降低载流子迁移率。近年来,为了获得高质量的SiC膜,人们一方面努力改进以Si 为衬底的外延生长技术,另一方面也发展了SiC取代Si作为衬底的外延生长技术。
LPE 是一种比较早且比较成熟的生长SiC薄膜的技术。因为SiC 不熔融于Si 体中,故可用LPE 工艺生长SiC,这一工艺的生长温度较低,且生长状态几乎维持在平衡态。
以往的研究发现,在一定条件下,不同晶型的SiC 之间可以转换。例如,在大于1600℃温度下燃烧,3C-SiC 可变为6H-SiC;利用此现象已在3C-SiC(100)籽晶上生长出6H-SiC(0114)单晶,同时还对4H-SiC 的变型生长进行了研究。研究发现, 在生长初期掺入某种杂质有利于4H-SiC 单晶生长,当生长温度高于通常6H-SiC 生长所需要的温度时,在6HSiC(0001)面上容易生长4H-SiC 单晶。
SiC半导体材料的应用
SiC 优越的半导体特性将为众多的器件所采用。SiC 作为高温结构材料已经广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域。利用其高热导、高绝缘性目前在电子工业中用作大规模集成电路的基片和封装材料。在冶金工业中作为高温热交换材料和脱氧剂, 同时作为一种理想的高温半导体材料。随着SiC 半导体技术的进一步发展,SiC 器件的应用领域越来越广阔,如表2 所示。
表2 SiC 材料的特性及在器件上的应用展望
SiC 材料以其宽禁带, 高击穿临界电场、饱和速度和热导率,小的介电常数和较高的电子迁移率,以及抗辐射能力强,结实耐磨等特性成为制作高频、大功率、耐高温、和抗辐射器件的理想材料。在器件研制方面,SiC 蓝光LED 已经商业化,高温高压二极管已经逐渐走向成熟。在高温半导体器件方面,利用SiC材料制作的SiCJFET 和SiC 器件可以在无任何领却散热系统下的600℃高温下正常工作,在航空航天、高温辐射环境、石油勘探等方面发挥重要作用。
项目名称：高可靠性氮化镓基半导体发光二极管材料技术及应用 主要完成人：陆卫，张涛，张波，陈效双，王少伟，冯雅清完成单位：中国科学院上海技术物理研究所、上海蓝宝光电材料有限公司 奖种与等级：国家技术发明二等奖 本项目属于材料科学领域，所涉及的材料是近10 年来发展起来用于照明的新型发光材料，即氮化镓基发光二极管（LED）半导体材料，它在如空天和海上等特殊环境应用中面临的关键问题是材料的可靠性，包括来自材料缺陷影响问题、注入电流利用效率问题和应用中材料内部结温准确获取问题等。 本项目主要是通过一系列的技术发明解决这类材料在达到高可靠性特性方面的核心工艺与技术问题，特别是决定其发光效率的量子结构工艺优化途径提出，在特殊图形衬底上低缺陷外延材料制备工艺的实现，量子点结构模型提出及其对载流子注入效率量子结构改性工艺的实现，工艺评价的高精度材料特性检测方法突破等方面的系列性专利的有效实施，获得了高可靠性的氮化镓基发光二极管半导体材料及其应用。本项目的主要发明点是： 发明点1：发明了一种基于量子点效应进行氮化镓基半导体照明材料量子结构优化设计和离子注入热退火氮化镓基量子结构材料改性的新方法，与其他材料制备工艺方法的结合有效提升了这类材料的可靠性，解决了材料结构优化中模型准确性不足的普遍性难题，被国
际Crosslight 公司采纳后"在美国、欧洲、日本、中国等国家和地区获得了广泛应用"。 发明点2：发明了基于图形衬底外延生长的特定生长工艺，有效地降低了材料刃型位错、螺旋型位错等各种缺陷密度，提升了LED 器件量子效率，适用于非良好散热环境下高可靠性工程应用，使得"该发光材料已经在可靠性上满足了恶劣环境中建筑照明工程应用需求"。 发明点3：发明了非接触式发光波长移动法实现的高精度结温测量方法，在国际上解决了材料封装在工程应用的灯具内结温高精度测量的难题，为获得高可靠性氮化镓基半导体照明材料提供了材料优化和筛选的必要手段。 上述发明点形成授权国家发明专利17 项，发表SCI 论文10 篇，他引30 次。 发明点的实际应用效果表明这些材料所具有的高可靠性使得我国成为在国际上首次成功实现氮化镓基LED 白光照明的空间应用，在实践卫星上成功完成白光照明的空间飞行任务，比美国公布的半导体照明空天应用研究状态在时间上至少提前了4 年，被认为"在可靠性上满足了航天应用需求，在国际上先行了一步"。 同时鉴于材料体系高可靠性技术突破，实现了中高端发光二极管年产量达1950KK 粒规模的生产能力，近3 年达到产值4.795 亿元人民币，推动了产能扩建投资项目总额约14.9 亿人民币。这些材料还成功地应用于多个市政工程，包括上海东海大桥照明、世博会新闻发
GaN基半导体材料发展历史和现状 20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力突破了制造蓝光LED的关键技术。GaN基蓝色LED的出现，大大扩展了LED的应用领域，从此掀开了第三代半导体材料GaN基半导体照明的革命。 GaN材料具有许多Si基半导体材料所不具备的优异性能，具有禁带宽度大、高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高等优点,比较适合用于雷达、导弹、通信、潜艇、航空航天及石油、化工、钻探、核电站等领域的电子设备,对于抗辐射、耐高温、高频、微波、大功率器件,尤其是利用其大的禁带宽度制作的蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件,具有极大地发展空间和广阔的应用市场GaN半导体材料。 衬底材料的选择 [1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小； [2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强； [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀； [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小； [5]导电性好，能制成上下结构； [6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等； [8]价格低廉； [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。 GaN器件目前存在的问题 GaN材料折射率（2.5），高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5） Snell定律è临界角23度 有源区产生的光子在GaN 上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。 大量不能出射的光转化为热能，提高节温，加剧晶格振动，影响内部量子效率，降低寿命。 提高外量子效率的方法 在p 型GaN材料或铟锡氧化物（ITO）层表面制作二维结构来提高器件的光提取效率； 在蓝宝石衬底的底面制作类似透镜阵列的结构来提高底面的光提取效率； 在蓝宝石衬底制作二维结构，然后生长GaN材料制作成器件。patterned sapphire substrates 研究表明，第三种方法同时具有提高内量子效率和提取效率的效果。 相对于普通蓝宝石衬底，在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，外延层晶体质量明显提高。另外，当光从外延层进入图形衬底时，会形成反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。
新型垂直结构氮化镓基半导体LED生产工艺 大功率半导体发光二极管具有取代白炽灯的巨大前途，但是，首先要解决技术上的问题。半导体发光二极管的几何结构包括两类：横向结构和垂直结构。以蓝宝石为生长衬底的横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的主要问题包括散热效率低，电流拥塞，电流密度低，和生产成本高。为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的散热问题，倒装焊技术被提出。但是，倒装焊技术工艺复杂，生产成本高，以碳化硅晶片为原始生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的两个电极分别在生长衬底的两侧，具备优良的散热效率，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大，充分利用发光层的材料等优点。但是，碳化硅晶片成本极高。以蓝宝石为原始生长衬底的传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的两个电极分别在支持衬底的两侧，该发光二极管具备散热效率高，电流分布均匀，电流拥塞改善，电流密度增大充分利用发光层的材料，光取出效率提高等优点。蓝宝石是电绝缘材料，因此需要剥离生长衬底。但是，剥离技术尚不成熟，有待进一步完善。因此，需要新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管及其低成本的批量生产的工艺方法，同时避免上面提到的缺点。 新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极分别层叠在氮化镓基外延层的两侧，因此具有传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的优点。 新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极层叠在生长衬底的同一侧，因此，不需要剥离生长衬底。 新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的低成本的批量生产的主要工艺步骤如下：在生长衬底上，层叠中间媒介层，生长氮化镓基外延层，在氮化
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. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 。 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 。 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 。 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 mi 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。
GaN基材料特性、所制器件、器件研究及其研究发展 1.引言： （1）GaN是极稳定、坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个无胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。因其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。下面我们来了解下GaN的化学特性、电学特性和光学特性。 （2）氮化镓（GaN）基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能。氮化镓基激光器的波长可以覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽的频谱范围，氮化镓基激光器在光信息存储、光显示、激光打印、激光全色显示、大气环境检测等领域有着重要的应用前景和巨大的市场需求。 （3）以GaN基半导体低维电子体系和光子体系为主要对象, 通过GaN基大失配异质结构的外延和精细微加工，探索和研究GaN基半导体中电子和光子的行为及其相互作用，解决国家经济建设和国防建设有重大需求的 GaN基光电子器件（包括短波长发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和紫外光探测器）和微电子器件(主要为高温、高功率微波晶体管)研制与应用中的关键科学与技术问题，推动宽禁带半导体光电子学和微电子学的发展。 （4）GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，成为半导体领域的研究热点，国内外很多科研机构和企业先后开展了GaN基材料、器件的相关研究，在材料质量、器件指标等方面取得了重要进展。同时对GaN基LED的可靠性也进行了比较深入的研究。 2.正文： 一．GaN的材料特性 1、GaN的化学特性 在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。 2、GaN的电学特性 GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。据有关研究人员报告GaN最高迁移率资料在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v?s和μn=1500cm2/v?s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年报导的MOCVD沉积GaN层的电子浓度数值为4×1016/cm3、<1016/cm3；等离子启动MBE的结果为8×103/cm3、<1017/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围。另外，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，已能将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。 3、GaN的光学特性
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光
第一章题解－1 第一章 常用半导体器件 习 题 1.1 选择合适答案填入空内。 （1）在本征半导体中加入 元素可形成N 型半导体，加入 元素可形成P 型半导体。 A. 五价 B. 四价 C. 三价 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小 （3）工作在放大区的某三极管，如果当I B 从12μA 增大到22μA 时，I C 从1m A 变为2m A ，那么它的β约为 。 A. 83 B. 91 C. 100 （4）当场效应管的漏极直流电流I D 从2m A 变为4m A 时，它的低频跨导g m 将 。 A.增大 B.不变 C.减小 解：（1）A ，C （2）A （3）C （4）A 1.2 能否将1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。 1.3 电路如图P1.3所示，已知u i ＝10s in ωt (v)，试画出u i 与u O 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。 图P1.3
第一章题解－2 解图P1.3 解：u i 和u o 的波形如解图P1.3所示。 1.4 电路如图P1.4所示，已知u i ＝5s in ωt (V)，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出u i 与u O 的波形，并标出幅值。 图P1.4 解图P1.4 解：波形如解图P1.4所示。 1.5 电路如图P1.5（a ）所示，其输入电压u I1和u I2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值。 图P1.5 解：u O 的波形如解图P1.5所示。
1.绪论 20世纪90年代以来，由于异质外延缓冲层技术的采用和GaN的P型掺杂技术的突破，从而开辟了GaN通向实际应用的光辉大道，引发了全世界GaN研究的热潮，并已取得了辉煌的成绩。GaN超高亮度蓝、绿光LED已实现商品化。目前研发竞争的焦点主要集中在蓝光LD方面，以及大功率高温半导体器件和微波器件用的材料研制和器件制备技术方面。以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。它最重要的物理特点是具有比第一、二代半导体材料更宽的禁带，可以发射波长更短的蓝光和紫光，因此，GaN器件可以广泛地应用于光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域。因此，近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司都纷纷加大了对GaN基半导体材料及器件的研发投入。 1.1氮化镓材料的发展历程 自从1928年GaN首次合成，到1969年成功制备出了GaN单晶晶体薄膜，都一度给这种材料带来了新的希望。很长的一段时间以来，人们一直在寻求和研究GaN体单晶材料和其外延薄膜晶体的生长方法。由于氮化镓体单晶生长极其困难，且单晶直径太小，不能达到实用化的目的，而其薄膜晶体又因缺陷密度和本体施主浓度过高等原因，使Ⅲ族氮化物半导体材料和器件的进展缓慢，一直落后于SiC和ZnSe带隙半导体材料和器件的发展。进入20世纪90年代以后，随着异质外延技术的不断进步，采用缓冲层技术，现在已经可以在一些特定的衬底材料上外延生长得到质量较好的GaN外延层。另外，制备P型GaN的技术难题，也通过对搀入P型杂质的GaN进行低能电子束辐射或进行热处理得以解决。目前，对GaN及其相关Ⅲ族氮化物半导体研究的焦点已集中在蓝光LD及大功率高温半导体器件和微波用材料的研制和器件的制备方面。 1.2氮化镓材料的优势和应用 GaN材料具有许多硅基材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。由于具有优越性的特性，GaN材料以及基于GaN材料的各种器件在近十年中得到了系统和深入的研究。GaN材料主要应用于光学器件如发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、光探测器(PD)；电子器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、肖特基势垒场效应晶体管(MESFET)。
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
GaN基磁性半导体材料研究 摘要：磁性半导体材料与器件研究是自旋电子学研究中的一个重要方向，Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN材料是磁性半导体材料研究领域的两个重要分支，本文中我们对这两个研究方向做了简要的分析与综述，同时我们用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长出Mn掺杂GaN材料以及Fe掺杂GaN材料，并对其结构以及磁学性能等进行了分析和讨论。 关键词：氮化镓室温铁磁性MOCVD 电荷是电子最基本的一个内禀属性，以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。然而除了电荷，电子还具有另外一个内禀属性——自旋。在传统的电子学技术当中，电子的自旋特性并没有被充分利用。随着科学技术的进步，怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注，同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学（Spintronics）的发展。作为自旋电子学材料的一个重要组成分类，磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。相对于传统的磁性材料而言，其磁性元素的含量比较少，所以又称之为稀释磁性半导体。稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势，在晶体结构上，稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术，在材料生长过程中进行同质外延，生长出高质量的薄膜，足以满足器件要求；另一方面，晶格中磁性离子介入后，能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂，从而产生自旋极化电流，所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。 目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。第一类理论立足于平均场近似的前提之上。该理论认为，磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中，并通过某种均匀场的形式相互耦合，从而对外显现出宏观铁磁性。第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇，主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。而对于不同方法制备的稀释磁性半导体材料，其结构相对有所不同，也就导致了其磁学、光学以及输运性质的不同。在第一类理论之中，由Dietl等人提出的基于Zerner模型的平均场理论[1，2]被普遍接受用以解释稀释磁性半导体的磁性来源。Zerner模型最初被用来解释稀土金属的磁性起源问题，该模型认为磁性的产生来源于巡游电子与局域自旋之间的交换作用。Dietl等人发现基于该模型并结合考虑等效平均场、以及极化载流子诱导的离子间交换耦合作用的各向异性之后，可以很好的解释GaMnAs、InMnAs等DMS材料的磁学行为，并能相对准确的验证此类DMS材料的居里温度。尤为重要的是，该理论结果指出，当材料中Mn离子浓度达到5%、空穴浓度达到1020cm-3之后，ZnO、GaN以及其他一些半导体材料可以表现出室温铁磁性。虽然相对于目前的实验技术，这些条件比较难以达到，但该理论仍然掀起了ZnO、GaN基等稀磁半导体的研究热潮。N化物半导体材料具有比较小的晶格常数，从而使得价带轨道与磁性离子之间产生很强的杂化效应。所以，在N 化物稀磁半导体材料内部，价带空穴和局域磁性离子间的自旋相关耦合相对比较大，而这种自旋相关的耦合效应正是载流子诱导的铁磁耦合的关键。 目前，GaN薄膜的制备方法主要有分子束外延技术（MBE，Molecular Beam Epitaxy），金属有机物化学气相外延技术（MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor
半导体的发展历程 半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。材料的导电性是由“传导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带”（valence band）获得能量而跳跃至“导电带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。基本简介 半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。 无线-潜力大 由于智能型手机消费者需求的增加，无线市场目前是半导体应用中，成长扩大速度最快的一个领域。随着智能型手机需求的增加，而朝向无线基地台的普及及网路基本设备的扩展发展。Databeans在该报告中指出，通讯应用的各部门均分成无线市场与有线市场两大类。分类为「无线」的产品包含行动电话(功能型手机，智能型手机)、无线基本设备(行动电话基地台等)、短距离无线(802.11、蓝牙，ZigBee，NFC)、及其他无线(无线电芯片等)部门。将无线市场视为单一部门来看，则该市场规模在半导体领域上，是仅次于计算机市场的第二大市场。2012年预计全球市场的销售额将比前一年增加6%，达到约755亿美金。这是约占半导体全球市场的25%市占率的水准。更进一步来看，无线市场是半导体消费整体市场中成长率最高的部门，预计接下来的五年间，成长率将大于整体市场的成长率。 主要特点 半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。 ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 电子-模型图自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。 载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴
电子电路基础习题册参考答案（第三版）全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。 2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。 5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。
7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。 10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。 11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为 无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V. 13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、 流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。
氮化镓半导体研究 一．物理背景 自20世纪60年代，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的发展非常迅速，它具有体积小、耐冲击、寿命长、可靠度高与低电压低电流操作等优良的特性，适用于在各种环境的使用，而且符合未来环保节能的社会发展趋势。初期的以砷化镓(GaAs)、铝铟磷镓(AIGalnP)材料为基础之发光二极管，实现了红光至黄绿光波段的电激发光。 近年来，以氮化镓(GaN)为代表的新一代半导体材料技术上氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等独特的特性，在光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景，其中最引人瞩目的是作为发光材料的应用，由于氮化镓能与氮化铟(INN)和氮化铝(AIN)形成三元或四元化合物，如此借着改变IlI族元素的比例，便能使发光波长涵盖红外光到紫外光的范围，另外将发蓝光的氮化镓基发光二极管配以可激发出黄绿光的荧光粉，从而混合发出白光，应用前景非常广泛，除了应用于指示灯、灯饰、手电筒等普通市场，氮化镓基发光二极管还应用于手机及手提电脑背光源、交通灯、户外全彩显示屏等市场，但氮化镓基发光二极管最有前景的应用还是在普通照明市场。二．GaN的应用 高效节能、长寿命的半导体照明产品正在引领照明业的绿色变革。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿发光二极管的问世，世界各国纷纷投入巨资推出国家级半导体照明计划。 GaN属宽禁带半导体，直接带隙3．4eV，在长寿命、低能耗、短长半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高温微电子器件等方面有广阔的应用前景,GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临，因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为信息产业新的发动机。GaN基半导体材料，包括GaN、A1N和InN，都是直隙半导体材料，因而有很高的量子效率。用GaN、A1N和InN这三种材料按不同组份生成的固溶体，其禁带宽度可在O．7eV到6．2eV之间变化。这样，用这些固溶体制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的方向，其主要应用领域包括： (1)当前在国内外非常受人瞩目的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管(LED)的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。以LED为代表的半导体光源，
姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日
半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在10-3～ 109欧·厘米范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]
半导体材料的发展及应用 摘要 众所周知，半导体材料应用是非常广泛的。从电子管到晶体管再到大规模和超大规模集成电路的应用中全部有半导体材料。而半导体材料从十八世纪以来也是飞速的发展着。因此，此篇论文是简介一下半导体的发展及应用。 关键词：半导体材料；应用；发展
Development and application of semiconductor materials Abstract As we all know, the semiconductor material application is very extensive. From tubes to transistors and then to large-scale and ultra large scale integrated circuit applications, all with a semiconductor material. The semiconductor material since the eighteenth century is rapidly developing. So, this post is a brief look at the paper the development and application of semiconductors. Keywords: Semiconductor Material; Application; Development
目录 摘要......................................................................................................I Abstract....................................................................................................II 第一章绪论 (1) 第二章半导体材料 (2) 2.1什么是半导体材料 (2) 2.2半导体材料的种类 (2) 2.3半导体材料的基本特征 (3) 第三章半导体材料的发展及应用 (4) 3.1半导体在微电子领域的发展及应用 (4) 3.2半导体在太阳能电池方面的发展及应用 (5) 结论 (6) 参考文献 (7)
第三代半导体氮化镓材料在5G终端设备核心能源管理技术 一：第三代半导体： 第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev）,也称为高温半导体材料 从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟、且最具有发展前景的主要是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体材料这两种材料。 随着技术的发展，终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高。特别是随着5G的即将到来，也进一步推动了以氮化镓( GaN)第三代半导体材料的快速发展。 一、什么是GaN？ GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
2、GaN 器件逐步步入成熟阶段 氮化镓技术可以追溯到 1970 年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。自上世纪90年代开始，基于GaN的LED大放异彩，目前已是LED的主流。现在市场上销售的很多 LED 就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。 除了 LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC（碳化硅）上生长GaN器件。
3、GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势 ①、GaN 在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率 高转换效率：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。 低导通损耗：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。 ▲Si 功率器件开关速度慢，能量损耗大（来源：太平洋证券）
电子电路基础习题册参考答案(第三版)全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力得强弱可分为导体、绝缘体与半导体三大类,最常用得半导体材料就是硅与锗。 2、根据在纯净得半导体中掺入得杂质元素不同,可形成N 型半导体与P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体,其内部空穴与自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体,其内部少数载流子就是空穴;P型半导体又称空穴型半导体,其内部少数载流子就是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性,即加正向电压时,二极管导通,加反向电压时,二极管截止。一般硅二极管得开启电压约为0、5 V,锗二极管得开启电压约为0、1 V;二极管导通后,一般硅二极管得正向压降约为0、7 V,锗二极管得正向压降约为 0、3 V。 5、锗二极管开启电压小,通常用于检波电路,硅二极管反向电流小,在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6、稳压二极管工作于反向击穿区,稳压二极管得动态电阻越小,其稳压性能好。
7在稳压电路中,必须串接限流电阻,防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同,分为点接触型、面接触型与平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光与光电二极管等二极管。 10、二极管得主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱与电流与最高工作频率。 11、稳压二极管得主要参数有稳定电压、稳定电流与动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中,二极管V1、V2均为硅管,当开关S与M相接时,A点得电位为 无法确定V,当开关S与N相接时,A点得电位为0 V、 13图1-1-2所示电路中,二极管均为理想二极管,当开关S打开时,A点得电位为10V 、 流过电阻得电流就是4mA ;当开关S闭合时,A点得电位为0 V,流过电阻得电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中,二极管就是理想器件,则流过二极管V1得电流为0、25mA ,流过V2得电流为0、25mA ,输出电压U0为+5V。