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北京大学课件(半导体材料)

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半导体材料导论描述课件

半导体材料导论描述课件

半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 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金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。

半导体材料总结ppt课件

半导体材料总结ppt课件

ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
4
按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
ppt课件.
5
5
3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
ppt课件.
11
11
(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
ppt课件.
12
12
硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb

关于半导体材料优秀课件

关于半导体材料优秀课件
电场E
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：

北大半导体物理课件-第4章1-MOSFET器

北大半导体物理课件-第4章1-MOSFET器

加一电压。使 Q0的电力线不伸入到半导体。这
个电压就是平带电压的第二个来源VFB2，显然
它也是负的。
VFB 2
=
−
Q0 Cox
Cox
=
ε ox
dox
• MOS结构的总平带电压可表示为
VFB
= ϕms
−
Q0 COX
半导体器件物理
三、表面势和表面载流子浓度
• 规定半导体内中性 区的电势为0，半导 体与氧化物界面处 的电势为表面势
ϕs，如图所示： • ϕs大小为能带弯曲
的变化量。
半导体器件物理
• 表面电子浓度
ns
=
ni
exp(
EF − Ei表 KT
)
=
ni
exp( EF
−（Ei体 KT
−
qϕ
） s)
=
n0
exp(Βιβλιοθήκη ϕs ϕt)• 表面空穴浓度
ϕt
=
KT q
ps
=
ni
exp(
Ei表 − EF KT
)
=
ni
e
x
（ p(
Ei体
− qϕ s）−
– 硅栅 CMOS 工艺、最小线宽 1.5µm – 134,000 transistors
• 1983 - 1st CMOS DRAM • 1989 - Intel 80486DXTM
– 硅栅 CMOS 工艺、最小线宽 1.0µm – 1.2 million transistors
半导体器件物理
MOSFET发展历史
n(x) = n0 exp(ϕ (x) φt ) p(x) = p0 exp(−ϕ (x) φt )

半导体材料导论(6)PPT课件

半导体材料导论(6)PPT课件
4
2.1.1 存在两种载流子的证明
H I
H I
—
++
—
d x
负电荷 d
○ 正电荷
x
（a）负电荷载流子
（b）正电荷载流子
图2.1 霍尔效应原理
早在1879年霍尔(E.H.Hall）就发现：将一块矩形样品在一个方向通过电流， 在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电 动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。
电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。
我们先看看室温下半导体和金属导电的差别原因： (2-1)式中的迁移率的差别：而半导体材料的迁移率一般都高于金属， 例如金属 铜的室温电子迁移率为30 cm2/V.s，而硅为1500(cm2/V.s)，锑化铟则为 78000cm2/V.s。
3
载流子浓度：金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（2-1）式看，只 能是载流子浓度的差别。
5
H I
H I
—
++
d x
负电荷 d
○ 正电荷
x
（a）负电荷载流子
（b）正电荷载流子
—
图2.1 霍尔效应原理
从这个电位差的正反，就可以知道载流子是带正电或负电。其原理是洛仑茨力作用 的结果，也就是当电流通过磁场时，不管载流子是正还是负，只要电流方向一定，那 么它的作用力的方向也就相同，这就使得载流子的分配偏在同一方向，如图2.1所示。 显然，载流子的电荷不同，它的霍尔电动势也不相同。可见，霍尔电动势的方向取 决于载流子带的电荷是正还是负。 用此法测量金属时，证明绝大多数的金属都是靠带负电荷的载流子--电子进行导电 的。
在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的金属铜的载流子浓度 为8.5×1022/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106~1020/cm3范围内，与金属相 差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。 而绝缘体因其载流子浓度接近于零，所以不导电。 既然金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加载流子，也无法束缚住载流 子，所以金属的导电率难以在大范围内进行调节，掺入杂质和升温会在一定程度上 能降低迁移率，使电导率降低一些。 而半导体的载流子浓度可通过升温、掺入杂质、幅照予以大幅度地增体的价电子只局部解离，而绝缘体又不解 离？这些将在能带结构等章节中加以说明。

《半导体材料》课件

《半导体材料》课件

N型半导体
通过向半导体中掺入五价杂质，可以形成具有负 电荷的N型半导体。
PN结
PN结是由P型和N型半导体材料结合而成的结构， 具有重要的电子器件应用。
二极管
二极管是一种基本的半导体器件。它具有只允许 单向电流通过的特性。
4. 高级半导体器件
M Oபைடு நூலகம்FET
MOSFET是一种基于半导体材料 的重要集成电路组件，广泛应用 于电子设备中。
光电二极管
光电二极管是一种半导体器件， 可以将光能转换为电能，广泛用 于通信和光电领域。
激光二极管
激光二极管是利用半导体材料产 生激光的器件，应用于激光打印 机、激光通信等领域。
5. 应用领域
计算机芯片
半导体材料是计算机 芯片制造的基础，推 动了电子产品的快速 发展。
通信设备
半导体器件在无线通 信、移动通信等领域 中发挥着重要的作用。
光电子器件
光电子器件利用半导 体材料的特性，实现 光信号的检测和处理。
新能源领域
半导体材料在太阳能 电池、燃料电池等新 能源领域有着广泛的 应用。
6. 总结
半导体材料具有独特的电性能和广泛的应用。通过了解半导体的基本概念和器件原理，我们可以更好地理解现 代电子技术的发展和应用。期待未来半导体材料的更多突破和创新！
2. 基本概念
1 价带和导带
半导体中的价带和导带决定了电子的能量状态和传导性质。
2 禁带宽度
禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，影响了半导体的导电性。
3 掺杂
通过掺杂杂质，可以改变半导体的导电性能，使其成为P型或N型半导体。
3. 掺杂与半导体器件
P型半导体
通过向半导体中掺入三价杂质，可以形成具有正 电荷的P型半导体。

半导体材料概述课件


夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
晶胞中质点的占有率
体心
面心
棱边 顶角
晶胞中各质点的占有率
立方晶胞
体心： 1 面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
金刚石结构
金刚石结构：由同一种元素的原子按正四面体结构构 成的立方点阵为金刚石结构 8个顶角原子，6个面心原子，4个体心原子
109º28´
闪锌矿结构
闪锌矿结构：由两种元素的原子按正四面体结构构成 的立方系晶体点阵称为闪锌矿结构 按ABCABC顺序堆垛
纤锌矿结构
纤锌矿结构：是闪锌矿加热到1020度时六角对称型 变体，具有六角对称性
5、 硅
硅的分布 氧化硅 化学性质 晶体结构 能带结构 电学性质 硅中的杂质 硅的优点 硅的用途
硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识， 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。
由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么 酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们 把它看成是不能再分的简单物质。
1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物 氯化物熔盐电解法制得晶体硅。
地壳中各元素的含量
硅的分布
硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3％， 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
硅的化学性质
原子序数14，相对原子质量28.09，有无 定形和晶体两种同素异形体，属于元素 周期表上IVA族的类金属元素。
氧原子
[SiO2]四面体
硅的能带结构

第四章半导体材料-PPT课件


h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米 结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器 件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本， 称为光电集成。
统称为半导体微结构材料（人工材料）
A B 异质结—两种不同半导体材料组成的结 量子阱—两个同样异质结背对背 ABA B ABA B 超晶格—两种或以上薄层周期性交替 生长。
半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维 电子气 理论上证明：二维运动电子发射光比 体材料三维运动电子发光更集中，更适合 做激光器，还有其他应用。 可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光 学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能 带裁剪工程。 二、超晶格种类 1、组分超晶格 不同半导体材料薄膜堆垛而成。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P
施主
P
P
n型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。

《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。

北京大学(半导体器件物理基础)


发
发
收
收
射
发射区 射 基区 集 收集区
集
极
结
结
极
基极
基区宽度远远小于少子扩散长度 分为：NPN和PNP两种形式
北京大学 微电子学研究所
双极晶体管的两种形式：NPN和PNP
c
c
b
e NPN
b
e PNP
北京大学 微电子学研究所
双极晶体管的结构 和版图示意图
北京大学 微电子学研究所
北京大学 微电子学研究所
P
P
N
+
Substrate
• MOS FET，1960
• Poly-Si Self-Aligned Gate,1966
• Ion Implant application, 1969 • Silicided Poly-Si Gate, 1978 • Sidewall for S/D implant,
1980
• Self-aligned LDD, 1981 • Salicide, S/D extension ,
1982
• Oxy-Nitride for gate dielectric, 1983
• CMP, 1989 • Damascene interconnect, 1992 • Cop北pe京r 大in学ter微c电on子ne学ct研,究1所993
2.3 NPN晶体管的电流输运机制 正常工作时的载流子输运
相应的载流子分布
北京大学 微电子学研究所
NPN晶体管的电流输运
NPN晶体管的电流转换
电子流
空穴流
I I I Ie Ip(X1) In(X2) Ic In ( X4 ) Icbo Ib I p(X1) Irb Icbo
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微电子技术发展对半导体材料的需求
集成电路材料分：2000ULSI
低功耗
高速度
举例说明
新材料
第一讲：微电子技术发展对新材料的需求
MOS中材料的发展
特征尺寸越来越小
Qi Xinag, ECS 2004, AMD
晶体管尺寸等比例缩小
9 yrs + 2 yrs delay*
9 yrs? + 2 yrs delay?
9 yrs + ?yrs delay
675mm/2021?
450mm/2012?
300mm/2001
200mm/1990
(125/150mm -1981)
happen?
速度越来越快功耗越来越大，因此如何进一步降低功耗是微电子技术发展努力的方向
Silicon Forever! Really?未来信息处理器件 CNT
•逻辑器件制备工艺的发展(OR,CA,VA)
超导材料
CNT等纳米材料新型化合物
半导体材料
自旋电子材料
存储器件发展趋势
高K栅介质高K栅介质或
其他介质材料
新型相变介质
材料如
高K栅介质或
其他介质材料
存储器件发展趋势
高K栅介质和
纳米晶材料
纳米晶材料
和制备技术
新型氧化物
阻变材料
新型分子记
忆材料
各种存储器件的性能特征和可能的单元结构
互连技术发展趋势
各种存储器件的性能特征和可能的单元结构
当集成电路技术发展到250nm技术节点以后，互连将成为影响集成电路性先进互连技术对低
淀积方法 在介电常数大于Spin-on 方法制备多孔薄膜(<65nm)
成熟技术机械强度增强•Done on track •机械强度减小尺寸缩小遇到的主要问题:
新材料研究可以为纳米CMOS开发提供多种选择性,对促进其未来发展非常重要新材料对纳米CMOS逻辑MOSFET和新型
存储器都非常重要!
NiSi salicide for USJ
Now
半导体技术创新
半导体技术创新
Fin FET for subthreshold leakage
存储器存储密度将继续增加在CMOS 逻辑晶体管达到尺寸减小限制后存储密度增加趋势
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
SiO 2
EOT<1.6nm 直接隧穿氧化层会达到传统泄露电流限制1A/cm 210
北京大学微电子所
Institute 10P oly S i/S iO 2 J g a t −1V +V (A /c m 2)
1st FET LSI
IC ¾材料是微电子技术发展的基础
北京大学微电子所
Institute of Microelectronics PKU
相变存储器
纳米管/纳米线晶体管
光电器件
射频微机械系统。