搜索
半导体简介微电子学与固体电子学2014021042蒋联娇2015-05-11内容丰富多彩的半导体材料精彩纷呈的半导体器件揭秘半导体第一章揭秘半导体1.1何谓半导体半导体是人们将物质按电学性质进行分类时所赋予的一个名称。我们通常把导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体如下：硅晶圆片锗石砷化镓晶圆片磷化铟棒及晶圆片碳化硅块1.2半导体中的载流子半导体的性质为什么不同于导体与绝缘体呢?拥有的载流子的数目不同，它决定了半导体的导电性能。可以改变载流子数目的物质就是半导体。载流子就是电荷的运输者（载体），即能够移动的荷电粒子。电子和空穴都是载流子，它们运动会产生电流，在半导体中存在两种载流子，即导带中的电子和价带中的空穴。所谓空穴即价带中由于电子的移动而留下的空位。在电场的作用下，电子移动填充空穴，相当于电子与空穴相互交换位置，而正是因为它们不断地交换位置而产生电流。掺杂、加热及光照产生的热激发、光激发都可以增加载流子的数目，从而使半导体的导电性大大增强。两种载流子1.3半导体的秘密半导体的导电性介于导体绝缘体之间，其秘密在于半导体能带的带隙。能带中电子按能量从高到低的顺序依次占据能级。与最外层价电子对应的能带称为价带。价带上方是未被电子占据的空能带。价电子到达该空带后将参与导电，因此该空带又称为导带。价带和导带之间不存在能级的能量范围叫禁带。禁带的能量宽度即为带隙。带隙反映了固体原子中最外层电子被束缚电子变为自由电子所需的能量，因此带隙决定了固体的导电性能。绝缘体的带隙宽，电子几乎不能从价带跃迁到导带，表现出很高的电阻率，几乎不导电。金属的带隙为零，价带电子全为自由电子，导电性很强。对半导体而言，带隙较窄，当温度升高，或者受光照，或者经过掺杂后，其价带中电子很容易从价带跃迁到导带，载流子数目大大增加，其导电性能也大大增加了。1.4半导体的特性及分类半导体的特性主要有三大特性：（1）我们称纯净的半导体为本征半导体，它的电阻率通常很高，但适当的掺入极微量的“杂质”元素后，其导电性就显著地增加，这是半导体最显著、最突出的特性----“掺杂特性”，也是半导体极具有非凡能力之源。人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件。。（2）半导体导电能力与温度也有密切关系。当环境温度升高时，半导体导电能力就会显著增加；当环境温度下降时，半导体的导电能力就会显著下降，这种特性称为半导体的热敏性。热敏电阻就是利用半导体这种特性制成的。（3）半导体对光十分敏感，当有光照射在这些半导体上时，它们就像导体一样，导电能力很强；当没有光照射时，它们就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏性”，光电二级管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻光敏二极管光敏电阻按照构成半导体物质的元素来分类：半导体可分为元素半导体（由一种元素构成）和化合物半导体（由多种元素构成）。元素半导体有Si和Ge等第IV主族元素半导体，化合物半导体中通常的有GaAs、InP、GaN、SiC等半导体。按照原子结构的排列规则分类：可分为单晶半导体、多晶半导体及非晶态半导体。按照掺杂类型分类：半导体可分为本征半导体、P型半导体、N型半导体。当在本征半导体中掺入少量的第III主族原子或第V主族原子，使之取代晶格中原子的位置，便形成P型半导体或N型半导体。SiN单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池第二章丰富多彩的半导体材料2.1第一代半导体材料主要以硅、锗半导体材料为主。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅器件所取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。此外，硅由于其含量极其丰富，提纯与结晶方便，二氧化硅薄膜的纯度很高，绝缘性能很好，这使器件的稳定性和可靠性大为提高。因此，硅已经成为应用最多的一种半导体材料，半导体95%以上，集成电路的99%都是都是用硅半导体材料制造的。现在，我们所用的电子产品几乎都是基于硅材料，以硅为基础的半导体工业，创造了一个全新的信息时代，我们已经生活在“硅时代”。制造硅晶圆片的材料--沙子由硅原料提炼成多晶硅块由多晶硅进一步提炼成单晶硅单晶硅太阳能电板2.2第二代半导体材料砷化镓（GaAs）半导体材料，与传统的硅材料相比，具有很高的电子迁移率，及宽禁带材料，能更快地传导电流。由于它具有直接带隙及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高。广泛应用于光通信、卫星通讯等领域。GaAs霍尔元件GaAs红外发光二极管磷化铟（InP）半导体材料，具有宽禁带结构，能够使通信卫星在太空具有极高速率传输数据的能力，具有电子极限漂移速度极高，耐辐射性能好，导热好的优点。与GaAs相比，它具有击穿电场、热导率、电子平均速度均高的特点。目前光通信器件主要采用磷化铟基材料，数码率很高、波长单色性好的磷化铟激光器和调制器、探测器极其模块已广泛应用于光网络，从而推动互联网数据信息传输量的高速发展，不断满足网络向更高速度和更宽带宽方向发展的要求。在磷化铟衬底上集成光器件磷化铟混合硅激光器芯片2.3第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，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，因而更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常宽称为禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV），也称为高温半导体材料。第三代半导体材料由于具有发光效率高、频率高等特点，从而在一些蓝、绿、紫光的发光二级管、半导体激光器等方面有着广泛的应用。目前较为成熟的是SiC和GaAs半导体材料，其中SiC技术最为成熟，而ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究尚起步阶段，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。GaN晶圆片SiC晶圆片利用GaN制成的蓝光LEDLED炫彩屏2.4有机半导体材料利用有机发光材料制造的显示器，不仅变得既软又薄，还可以随意折叠、卷曲和放置，给人们的生活带来极大方便，且与当今时尚的液晶显示器（LCD）相比，它具有亮度高、节能、无视角问题、制造成本低等诸多优点。从发光机理上说，由于液晶自身不能发光，需要利用背光，而有机发光二级管（OLED）自身可以发光，这就注定它要比液晶显示器节省能源。与LED相比，OLED具有很多优势。例如，有机发光材料不需要制备成晶体，其生产和制造相对简单。它们可以制成极薄的单层，不同材料可以产生不同的颜色，只要把他们组合到基板上。就可以获得完美画质。也许在不久的将来，大型彩电、电脑显示器都可以卷起来塞在房间的某个角落。在军事应用上，当军用地图打开后，不再是一张静态的图纸，而是活生生的战场实况。可弯曲的OLEDOLED显示屏（可视化很大）OLED照明OLED光电传感器2.5陶瓷半导体材料它是一种重要的电子功能陶瓷材料，简称“半导瓷”。是由一种或多种金属氧化物采用陶瓷制备工艺制成的多晶材料。这种多晶材料往往对外界环境的变化（如温度、电压等）非常敏感。利用陶瓷半导体的热敏性质，人们可以制作各种各样的半导体元器件，例如利用陶瓷半导体材料制作的正温度系数（PTC）热敏电阻随温度上升而电阻提高，而负温度系数（NTC）热敏电阻随温度的上升而电阻降低。主要应用于温度传感、过热保护、彩电中的自动消磁、测温仪、控温仪、稳压器等。陶瓷PTC热敏电阻陶瓷NTC热敏电阻第三章精彩纷呈的半导体器件3.1半导体敏感器件是指利用半导体对外界物理或化学的因素变化有所反应的效应制成的器件。能够把光、磁、力、气等物理的、化学的、以至生物的非电量转换成电信号。它们具有体积小、精度高、灵敏、便宜等优点。最大的优势在于：它能与集成电路技术结合，将敏感器件与信号处理电路如放大、数模转换、检测电路等集成于同一块半导体芯片上。半导体敏感器件主要有：半导体温敏器件、半导体力敏器件、半导体磁敏器件、半导体气敏器件等。半导体温敏器件半导体热敏电阻半导体气敏器件磁敏器件3.2半导体光电子器件它是指光子起着重要作用的半导体器件。可分为两大类：一类是利用半导体内光电效应将光能转换成电能的半导体光电器件。一类是将电能转换成光能的半导体电致发光器件。其用途大致分为：1.换能器件：如太阳能电池，用作光伏电源；2.探测器件：如光敏电阻、光敏二级管、光电探测器等；3.控制器件：如光敏晶体管、光敏场效应管等；4.摄像器件：如CCD摄像器件等。3.3微波半导体器件由Ge、Si、III-V化合物半导体等材料制作成的工作微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m--1nm之间的电磁波，相应频率在300MHz--300GHz之间。利用微波器件可以设计微波振荡器，功率放大器，混频器，检波器、微波传输线等，然后将它们组合成各种有特定功能的微波电路，例如发射机、接收机、显示器等，用于雷达、电子战系统和微波通信系统等电子装备。微波半导体器件微波雷达太阳能电池的运动手机Iphone中应用光电探测器CCD摄像传感器件发光二极管ThankYou!