半导体材料-硅-其他PPT课件

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半导体基础知识PPT培训课件

半导体基础知识ppt培训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高的电子迁移率等特点，使得化合物半导体在光电子器件和高速电子器件等领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器件性能至关重要，直接影响最终产品的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体在集成电路、微电子等领域应用广泛。随着技术的不断发展，硅基半导体的性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在一块硅片上，形成复杂的电路。

硅的性质及有关半导体基础理论PPT课件

性重复排列而成。相邻原子间距上有几个Å的数量级，例如硅单晶的晶格常数为5.43072Å ，可以算出硅每立方厘米体积内有5×1022个硅原子。原子间最短距离为2.351Å 。(埃米(Angstrom 或ANG或Å)是晶体学、原子物理、超显微结构等常用的长度单位，音译为"埃"，10的负10次方米，纳米的十分之一。)
3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶解而变成液体状态。
9
以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部结构排列很有秩序，构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。
24
• 由于半导体的Eg比较小，所以在一定温度下具有能量较大的电子就越过禁带进入导带。使原来空着的导带有了电子，而且在价带中也出现了一些电子的空位，这样导带中的电子和价带中的电子，在外电场的作用下，都可作定向运动。因此，半导体在一定的温度下具有导电性。
16
*对于绝缘体而言，价电子紧密地局限在其原子轨道，无法导电。 *对于具有金刚石结构的硅，每个原子与邻近四个原子构成键合。
Z
+4
X
金刚石晶格中四面体结构
+4
+4
+4
Y
+4
在金刚石二维空间结构的键合情况
17
上面已讲述硅原子的最外层轨道具有四个价电子。它可以与四个临近原子分享其价电子，所以这样的一对分享价电子即成为共价键。在室温下这些共价电子被局限在共价键上。在较高温度热振动可能打断共价键。当一个共价键被打断时，就释放出一个自由电子参与导电行为，因此，本征半导体在室温下的电性就如同绝缘体一样，但在高温下就如同导体一样具有高导电性。每当半导体释放出一个价电子时，便会在共价键上留下一个空穴（见图 2），这个空穴可能被邻近的价电子所填补，导致空穴的不断移动。因此我们可以把空穴看作为类似于电子的一粒子，空穴带着正电，且在施加电场之下，朝与电子相反的方向运动。

《硅半导体材料基础》课件

《硅半导体材料基础》ppt课件
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形成异质结构，实现优势互补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的硅基材料，探索其在光电器件和电子器件中的应用。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高硅半导体的导电性能和稳定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善硅半导体的表面质量和稳定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法

《半导体材料》PPT课件

• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev），代表一个电子从低电势处移动到高出1V的电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子层就是价电子层，对原子的化学和物理性质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面一样平整。
本征半导体：不含任何杂质和缺陷的纯净半导体，其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中，可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部分。介电常数K已经成为一个重要的半导体性能参数。

《半导体物理》PPT课件

。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向，则与上述六个<100>
方2向的方2 向余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面，重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能谷比<100>谷高的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带顶位于k=0。在价带顶附近有三个带，其中两个最高的带在k=0处简并，分别对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较大的为轻空穴带），下面还有一个带，是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics

《半导体材料》课件

解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其电阻率受温度、光照、电场等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要发展先进的制备技术。这包括化学气相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规模生产，同时保持材料的性能和均匀性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带，产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。

半导体材料的发展及应用(PPT33页)

半导体交通信号灯
路灯采LED与电源模块分离式设计易于往后维修保固。最佳化散热管理技术，有效将灯具光衰现象降至最低。灯具防尘防水保护等级IP66 。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
二.消费类
信息产业数字化、智能化、网络化的不断推进,新材料和新技术的不断涌现,都将对半导体未来的发展产生深远的影响, 将会从不同的侧面促进半导体高速、低噪声、大功率、大电流、高线性、大动态范围、高效率、高灵敏度、低功耗、低成本、高可靠、微小型等方面快速发展。
• 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。
4/4/2021 2:08:43 AM2021/4/421.4.4
• 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。
谢谢大家 4/4/2021 2:08 AM4/4/2021 2:08 AM2021/4/42021/4/4
• 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。4-Apr-21April 4, 20212021/4/4
半导体材料的发展及应用源自让我们来看两组半导体的图片
下面是具体形象的物品所应用到的半导体
苹果4代
苹果笔记本
石油馆
激光笔
半导体材料是半导体工业的基础，是信息技术和产业发展的“粮食”。
半导体材料应用已经成为衡量一个国家经济发展科技进步和国防实力的重要标志。
半导体材料
1 什么是半导体材料？ 2 发展历程 3 应用领域
半导体材料
电阻率在10^3~10^-9Ω.cm ,介于金属与绝缘体之间的材料。
材料
导半导绝缘体体体
电阻率（ ﹤1 10-3-- ﹥109 欧姆） 0-3 109
半导体材料的发展历程

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Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
钪钛钒铬锰铁钴镍铜锌镓锗砷硒溴氪
37 38
5 Rb Sr 铷锶
39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 钇锆铌钼锝钌铑钯银镉铟锡锑碲碘氙
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。
23
半导体与集成电路
“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。
2
远古时候的“硅器”
陶瓷，主要成分为硅酸盐
3
天然石英（SiO2）
4
生活中的硅
水晶欣赏
金丝水晶球
5
岱岳雄姿
观音
6
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。
8
1
1
H
氢
34
2 Li Be 锂铍
元素周期表
2
He 氦
5
6
7
8
9
10
B C N O F Ne
硼碳氮氧氟氖
11 12
3 Na Mg 钠镁
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar 铝硅磷硫氯氩
19 20
4
K Ca
钾钙
21 22 23 24 25 26 27 28
29
30
31
32
33
34
35
36
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10mm×20mm的芯片上集成了1.4亿个元件，集成密度达70万个/mm2。
27
半导体材料的制作工艺
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
117 118
Uus9 Uuo
常见半导体材料
锗硅
10
半导体材料的内部结构
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。
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
16
真空二极电子管的工作
原理
17
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。
• 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108～1020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10－8～107欧13 姆·米。
55 56 56-70 71
72 73 74 75 76 77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
6
Cs Ba 镧系 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
铯钡 *
镥铪钽钨铼锇铱铂金汞铊铅铋钋砹氡
7
87
Fr 钫
88
Ra 镭
89-102
24
集成电路
内存条计算机主板
25
微电子技术的发展
年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代
名称晶体管
集成度（单位体积中
的元件个数）100集成电路1000
大规模集成电路
1万～10万
超大规模集成电路
100万～1亿
更大规模集成电路
100亿～200亿
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
• 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
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
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 11
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。
12
晶体的能带
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。
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Ⅴ族元素)，以空穴导电为主的称为p (positive)型半导体(硅掺硼、镓等Ⅲ族元素) 。
19
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
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。 22