11章-氧化物半导体材料PPT课件

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半导体物理第十一章半导体的热电性质part

开耳芬关系式
ab
Tdab dT
abT
dab bT aT
dT
T
4.半导体的温差电动势率
❖ 一种载流子 p型半导体 n型半导体
p
k0 q
(3 2
p)
n
k0 q
(3 2
n)
p
EFEV k0T
p In
NV
n
ECEF k0T
In n NC
两种载流子两种材料
s
pp nn
ab 半-金
5.半导体的热导率
载流子的贡献
e p
(11-62)
11.5.1 载流子对热导率的贡献
❖ 当半导体具有温度梯度而载流子由高温端向低温端运动的过程中便将热能从高温端传向了低温端，形成热传导。
2 cm n n *T
1 2m n *2gE22 1 2m n *22 (2)2
E 2
EEch2k2 2mn *1 2mn *2
对于长声学波散射，γ=-1/2，则
以一维情况为例在晶体中设想一个很小的面积dsdtdx为沿x方向的温度梯度则dtdsdtdx称为晶体的热导率wmk以e代表载流子对热传导的贡献p代表声子对热传导率的贡献则半导体的热导率可以写成金属导体的热传导主要通过电子的运动而绝缘体的热传导主要依靠格波的传播即声子的运动
第11章半导体的热电性质
1 2 3 4 5 66
半导体的热电性质
热电效应的一般描述温差电动势率珀尔帖效应汤姆孙效应半导体的热导率
半导体热电效应的应用
11.3 半导体的珀尔帖效应
当两种不同的半导体或者半导体与金属接触通以电流时，接触面处除产生焦耳热以外，还要吸热或者放热，称为珀尔帖效应，而且这个效应是可逆的。

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

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
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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
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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
∶ ∶
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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
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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
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11
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(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
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12
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb

金属—氧化物—半导体场效应晶体管PPT课件

（6-22）的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
1 dVG dV0 d s
C dQM dQM dQM
（6-23）
若令
C0
d QM d V0
CS
dQM
d S
dQS
d S
（6-24）（6-25）
第15页/共76页
6.2 理想MOS电容器
则
1 1 1 C C0 CS
C0 =绝缘层单位面积上的电容，
半导体表面就存在表面势 S >0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影
响，就必须在金属电极上加一负电压。
VG1
' ms
m'
s'
（6-56）
S
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，
使
第31页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
第32页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
6.4实际MOS的电容－电压特性
• 功函数差的影响
第30页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小，前者的费米能级比后者的高
。接q触m 前，q功S 函数差EFM EFS
由于功－函数的不＝同，－铝( —二氧化硅—P型)<硅0 MOS系统在没有外加偏压的时候，在
qNa
4kS 0 f
qNa
QB qNa xdm
总表面空间电荷
QS QI QB QI qNa xdm
QI
为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：
QI
xI 0
qnI
x dx
（6-19）（6-20）（6-21）

第第11章章常用半导体器件常用半...

模
拟电
ＰＮ结正偏 ⇒ 内电场削弱 ⇒
耗尽层变窄⇒
子
技
术
基础
多子扩散 > 少子漂移 ⇒ 正向电流大，反向电流小
外加正向电场：促使扩散，阻止漂移。
第1章常用半导体器件
(2)、PN结加反向电压时的导电情况
1.1 概述
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电
模拟
场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
3、本征半导体导电能力较弱。
空穴：
a: 空穴带正电量； b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，
与电子电量相等，符号相反； c：在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，两
者对电流的贡献是迭加的。
第1章常用半导体器件
1.1 概述
1.1.2 杂质半导体
为什么要掺
模杂质半导体：人为掺入杂质的半导体。
子
扩散电容远小于势垒电容
技
术基
• 低频工作时，PN结的结电容的容抗大，可视为开路。
础
低频可不考虑结电容的影响；
图二极管高频等效道路
• 高频工作时，因容抗变小，结电容将旁路PN结的等效电阻，使PN结的单向导电性变差。
高频时必须考虑结电容的影响；
频率越高，结电容效应越明显。
高频电路中应使用结电容小的二极管。
第1章常用半导体器件
2、电子空穴对
1.1 概述
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
模拟
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的
电价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由
子技
电子。
术基
这一现象称为本征激发，也称热激发。

《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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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。

半导体基本知识PPT课件

N型半导体和P型半导体
➢ 掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用，使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也叫做P型杂质。
（l）杂质影响半导体导电性能在室温下，半导体的电阻率在 10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类
半导体材料的特征
2）有两种载流子参加导电在半导体中，参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时材料的特征
➢ 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在10–4 欧姆·厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有如下的主要特征。
N型半导体和P型半导体
❖一般说，施主和受主杂质均为替位式杂质。它们掺入晶体后，要取代晶格中硅原子的位置。见图 4- 2。

氧化物半导体材料ppt课件

1/2 O2(g) + CO(g)
22
23
第三代半导体材料禁带宽度：3.37eV 纯氧化锌是 N型半导体 ZnO的激子束缚能为60meV
又称宽禁带半导体或高温半导体 SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石很多优异的性能晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷，锌是浅能级缺陷氧空位是深能级缺陷
12
II. MO3型：WO3、MoO3、ReO3。
13
B、半导体分类： n-型半导体 ZnO ；施主能级 ―提供电子的附加能级 (靠近空带 ) p-型半导体 NiO ；受主能级 ―空穴产生的附加能级 (靠近价带 )。
14
5.2.2. n型和p型半导体生成
A. n型半导体的生成 a. 含有过量金属原子的非化学计量化合物如：氧化锌中含过量锌 ZnO → Zn + 0.5O2，ZnO + H2 → Zn + H2O
6
b. 过渡金属氧(硫)化物催化物的电子特性 I. 过渡金属氧化物中金属阳离子的d电子层容易得到或失去，具有较强氧化还原性
II. 过渡金属氧化物具有半导体特性。
III. 其中金属氧化物中的金属离子内层轨道保留原子轨道特性，与外来轨道相遇时，可重新组合成新轨道，利于化学吸附 IV. 与过渡金属催化剂相比，金属氧化物催化剂耐热、抗毒、光敏、热敏、杂质敏感，适于调变。
21
CO在NiO上氧化反应机理
Ni2+ + 1/2 O2(g) Ni3+ + O-(吸 ) + CO(g) CO2(吸
)
Ni3+ + O-(吸
)
q吸 =41.8kJ/mol
Ni2+ + CO2(吸 ) q吸 =293kJ/mol

半导体材料绪论通用课件

半导体材料的分类
总结词
半导体材料可根据其元素组成、能带结构、载流子类型等不同特征进行分类。
详细描述
根据元素组成，半导体材料可分为元素半导体和化合物半导体两大类。元素半导体是由单一元素组成的，如硅、锗等；化合物半导体则是由两种或两种以上元素组成的化合物，如砷化镓、磷化铟等。根据能带结构，半导体材料可分为直接跃迁型和间接跃迁型半导体。根据载流子类型，半导体材料可分为n型和p型半导体，分别指电子导电和空穴导电的半态的化学原料在衬底上沉积成膜。
具体技术
包括热丝化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积等。
溶胶-凝胶法
定义
将固体材料溶解在有机溶剂中，形成溶胶，再通过凝胶化过程形成凝胶，最后经过热处理得到所需材料。
优点
可制备高纯度、高均匀性的薄膜材料，适用于制备多种类型的半导体材料。
半导体材料的应用领域
总结词
半导体材料广泛应用于电子、通信、能源、医疗等领域。
详细描述
在电子领域，半导体材料被用于制造集成电路、微电子器件等，实现电子产品的微型化、高效化和智能化。在通信领域，半导体材料被用于制造光电子器件、激光器、探测器等，实现高速、大容量信息传输和处理。在能源领域，半导体材料被用于制造太阳能电池、风力发电设备等，实现可再生能源的转换和利用。在医疗领域，半导体材料被用于制造医疗设备、生物传感器等，实现疾病的早期诊断和治疗。
自组装与生物功能化半导体材料
自组装技术
自组装技术是一种利用分子间的相互作用力，将分子自发地聚集在一起形成有序结构的技术。在半导体领域，自组装技术可用于制备具有特定功能的纳米结构。
VS
生物功能化
将生物分子或生物活性物质与半导体材料结合，实现半导体的生物功能化是当前研究的热点。这种生物功能化的半导体材料在生物传感器、生物成像和药物输送等领域具有广泛的应用前景。

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(1) n型半导体 O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果是氧在表面吸附是有限的。
(2) p型半导体
O2相当于受主杂质，可接受满带的电子增加满带空穴量，随氧压的增加导电率增大，由于满
带中有大量电子，因此吸附可一直进行，表面
金属硫化物：半导体型化合物。单、复合组分系。
应用：加氢、异构和氢- 解等。
2
过渡金属氧(硫)化物的应用及类型
A. 过渡金属氧(硫)化物的应用及其特点 a. 过渡金属氧(硫)化物的应用
-
3
-
4
-
5
I. 金属氧化物催化剂主要是VB－VIII族和IB， IIB族元素氧化物 II. 催化剂多由两种或多种氧化物组成
M3+配位数是6，O2-配位数是4。
典型例子：Fe2O3、V2O3、Cr2O3、Rh2O3、Ti2O3
C-M2O3型：与萤石结构(CaF2)类似,取走其中1/4的O2-。
M3+配位数是6。
典型例子：Mn2O3、Sc2O3、
Y2O3、-Bi2O3(右图). -
10
c. MO2型：萤石型：r(M4+)/r(O2-) 较大，例子：ZrO2、HFO2、CeO2、ThO2、VO2。
-
15
b. 用高价离子取代晶格中的正离子
c. 通过向氧化物晶格间隙掺入颠覆性较小的杂质如：ZnO中掺入Li，以生成Zn+，Li+
-
16
B. p型半导体的生成 a.氧化物中正离子缺位的非化学计量化合物
b.用低价正离子取代晶格中的正离子
c.向晶格中掺入电负性- 较大的间隙原子
17
n型半导体生成条件
Ni3++O-(吸)
q吸 =41.8kJ/mol
Ni2++CO2(吸)q吸=293kJ/mol
CO2(吸)
CO2(g)
q吸 =-62.8kJ/mol
1/2O2(g)+CO(g)
CO2(g)
H=272kJ/mol
-
22
各种ZnO纳米结构
-
23
第三代半导体材料禁带宽度：3.37eV
纯氧化锌是 N型半导体
吸附氧浓度较高
-
19
B. 施电子气体吸附（以H2为例）
对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主作用。
-
20
例：CO在NiO上氧化反应
CO+1/2O2=CO2
△H=272KJ/mol
(1) O2在NiO上发生吸附时，电导率由10-11-1cm-1 上升为10-7 -1cm-1 。
典型例子：TiLeabharlann 、VO、MnO、FeO、CoO。属立方晶系，低温下偏离理想结构变为三方或四方。
纤维锌矿型：金属离子与氧为四面体型结构，四个M2+-O2-不一定等价。
典型例子：ZnO、PdO、PtO、CuO、AgO、NbO。
-
9
b. M2O3型：
刚玉型：氧原子为六方密堆积，2/3八面体间隙被金属原子填充。
-
13
B、半导体分类： n-型半导体 ZnO ；施主能级 ―提供电子的附加能级 (靠近空带 )
p-型半导体 NiO ；受主能级 ―空穴产生的附加能级 (靠近价带 )。
-
14
5.2.2. n型和p型半导体生成
A. n型半导体的生成 a. 含有过量金属原子的非化学计量化合物
如：氧化锌中含过量锌 ZnO → Zn + 0.5O2，ZnO + H2 → Zn + H2O
金红石型： r(M4+)/r(O2-) 其次，例子：TiO2、VO2、CrO2、MoO2、WO2、 MnO2等。
硅石型： r(M4+)/r(O2-) 最小，
-
11
d. M2O5型和MO3型： I. M2O5型：V2O5，层状结构，V5+被六个O2-包围但实际只有5
个，成扭曲三角双锥
-
12
II. MO3型：WO3、MoO3、ReO3。
(421).8测k得J/mOo2转l，为O-吸时量热法测得微分吸附热为
(3)测得CO在NiO上微分吸附热是33.5kJ/mol，而在kJ已/m经ol。吸附了O2的催化剂表面微分吸附热是293
这表明CO与NiO吸附不是一般的化学吸附而是化学反应。
-
21
CO在NiO上氧化反应机理
Ni2++1/2O2(g) Ni3++O-(吸)+CO(g)
A）非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体。 B）氧缺位 C）高价离子取代晶格中的正离子 D）引入电负性小的原子。
P型半导体生成条件
A）非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。
B）用低价正电离子取代晶格中正离子。
C）向晶格掺入电负性在的间隙原子。
-
18
化学吸附
A. 受电子气体吸附（以O2为例）
III. 氧化物具有半导体特性故为半导体催化剂
IV. 这些氧化物应用与氧化还原反应与过渡金属电子特性有关。
-
6
b. 过渡金属氧(硫)化物催化物的电子特性
I. 过渡金属氧化物中金属阳离子的d电子层容易得到或失去，具有较强氧化还原性
II. 过渡金属氧化物具有半导体特性。
III. 其中金属氧化物中的金属离子内层轨道保留原子轨道特性，与外来轨道相遇时，可重新组合成新轨道，利于化学吸附
第11章氧化物半导体材料
-
1
金属氧(族)化物和硫化物概述
金属氧化物复合氧化物；固溶体、杂多酸、混晶等
金属氧化物在催化中的作用和功能主催化剂、助催化剂、载体等
金属氧化物催化剂的应用：催化烃类选择氧化（降解等）
所用催化剂主要分三类：
1）过渡金属氧化物，2）金属氧化物，3）原态
为金属，但其表面吸附氧形成氧化层。
ZnO的激子束缚能为60meV
➢ 又称宽禁带半导体或高温半导体 ➢ SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石 ➢ 很多优异的性能
➢ 晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷，锌是浅能级缺陷氧空位是深能级缺陷
-
24
a.岩盐矿结构
b.闪锌矿结构
c.六方纤锌矿结构
-
25
体积效应表面效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应界面相关效应介电限域效应
IV. 与过渡金属催化剂相比，金属氧化物催化剂耐热、抗毒、光敏、热敏、杂质敏感，适于调变。
-
7
B. 过渡金属氧(硫)化物催化物的结构类型 a. M2O型和MO型氧化物
I. M2O型：
Cu2O，CO加H2制甲醛
Ag2O
-
8
II. MO型：
NaCl型：以离子键为主，金属与氧原子配位数均是6，为正八面体结构。