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1、半导体历史(lsh)1n半导体的发现实际上可以追溯到很久以前：n1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属。一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。n不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们(rn men)熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。第1页/共38页第一页，共39页。半导体历史(lsh)2n半导体的发现实际上可以追溯到很久以前： n在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，
2、即它的导电有方向性。在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流(zhngli)效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流(zhngli)效应。 n1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。n而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。第2页/共38页第二页，共39页。半导体材料(cilio)3p半导体材料很多，按化学成分可分为元素
3、半导体和化合物半导体两大类。p锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物)，以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。p除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃(b l)半导体、有机半导体等。第3页/共38页第三页，共39页。半导体材料(cilio)分类4第4页/共38页第四页，共39页。重要(zhngyo)半导体晶体结构5第5页/共38页第五页，共39页。半导体材料(cilio)的制造6n为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括(boku)掺杂物的纯度以
4、及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。n常见的品质问题包括(boku)晶格的位错（dislocation）、孪晶面（twins），或是堆垛层错 （stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。第6页/共38页第六页，共39页。半导体材料(cilio)的制造7n目前用来(yn li)成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为丘克拉斯基法（Czochralski method）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入熔化的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让
5、溶质的温度均匀。多晶硅生产设备第7页/共38页第七页，共39页。丘克拉斯基法8第8页/共38页第八页，共39页。2010全球(qunqi)十大半导体公司排名920092009年排名年排名 20102010年排名年排名公司公司20092009收入收入20102010收入收入2009-20102009-2010增长率增长率20102010市场市场份额份额11英特尔332534143024.6%13.8%22三星电子176862825659.8%9.4%33东芝96041237628.9%4.1%44德州电器91421235635.2%4.1%115瑞萨电子454210368128.3%3.5%76
6、Hynix半导体60351035071.5%3.4%57意法半导体85101029020.9%3.4%138美光科技41708884113.0%3.0%69高通6409716711.8%2.4%1010英飞凌4682668042.7%2.2%其他12433815215622.4%50.7%总计22837130031331.5%100.0%第9页/共38页第九页，共39页。全球(qunqi)半导体发展现状10十亿美元第10页/共38页第十页，共39页。中国(zhnu)半导体市场发展趋势11 2008-2014年中国(zhn u)半导体市场规模增长情况 第11页/共38页第十一页，共39页。能带结
7、构(jigu)12第12页/共38页第十二页，共39页。导体(dot)、绝缘体、半导体(dot)13材料的导电性能不同，是因为它们(t men)的能带结构不同。导体导体(dot)半导体半导体绝缘体绝缘体 Eg Eg第13页/共38页第十三页，共39页。元素半导体材料(cilio)的特性14第14页/共38页第十四页，共39页。半导体的导电(dodin)机制15满 带空 带h Eg半导体的载流子：电子(dinz)和空穴电子和空穴(kn xu)总是成对出现的在电场作用下，电子和空穴均可导电，它们称作本征载流子。它们的导电形成半导体的本征导电性。第15页/共38页第十五页，共39页。半导体的导电(d
8、odin)机制16空带满带空穴下面(xi mian)能级上的电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴向下跃迁。满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流(dinli)，这称为空穴导电。 Eg在外电场作用下,第16页/共38页第十六页，共39页。半导体的导电(dodin)机制17半导体中导电过程的简单“停车站”模拟(mn)（a）不可能移动（b）上下两层都可能移动第17页/共38页第十七页，共39页。半导体的导电(dodin)特性温度特性温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数，而金属的电阻率具有正当温度系数，且其随温度的变化很
9、慢。环境特性半导体的导电能力还会随光照而发生变化,称为光电导现象。此外半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场(cchng)、压力和气氛的作用等而变化。18第18页/共38页第十八页，共39页。半导体的掺杂(chnz)19本征型纯-SiN -型施主杂质 P +P -型受主杂质 B 掺杂(chn z)工艺： 主要为热扩散和离子注入多子(du z)与少子第19页/共38页第十九页，共39页。热扩散20第20页/共38页第二十页，共39页。离子注入21第21页/共38页第二十一页，共39页。PN结的形成(xngchng)22 P区 N区内电场 P区 N区空间电荷区p当N型半导体和P型半导体结合在一
10、起时，由于P型半导体中空穴浓度高、电子(dinz)浓度低，而N型半导体中电子(dinz)浓度高、空穴浓度低；p在交界面附近电子(dinz)和空穴都要从浓度高的地方浓度低的地方扩散。P区的空穴要扩散到N区，且与N区的电子(dinz)复合，在P区一侧就留下了不能移动的负离子空间电荷区。p同样，N区的电子(dinz)要扩散到P 区，且与P区的空穴负荷在N区一侧就留下了不能移动的正离子空间电荷区。第22页/共38页第二十二页，共39页。PN结的形成(xngchng)23 P区 N区内电场 P区 N区空间电荷区p对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。p在空间电荷区，由于缺
11、少多子(du z)，所以也称耗尽层。p由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。PN结第23页/共38页第二十三页，共39页。PN结的导电性24p如果电源的正极接P区，负极接N区，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于正向偏置。p电流从P型一边流向(li xin)N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。p于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大，PN结呈现低阻性。正向导(xingdo)通第24页/共38页第二十四页，共39页。PN结的导电性25p如果电源的正极接N区，负极接P区，外加的反向电压有一部分降落在P
12、N结区，PN结处于反向偏置。p空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。p内电场对多子(du z)扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小，PN结呈现高阻性。反向(fn xin)截止第25页/共38页第二十五页，共39页。PN结的伏安(fn)特性PN结的伏安特性最主要特点就是(jish)单向导电性。26正向导通，反向(fn xin)截止PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。第26页/共38页第二十六页，共39页。半导体电学性能(xngnng)的应用1、热敏电阻根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件，称为热敏电
13、阻(thermosensitiveresistance)。热敏电阻有体积小，热惯性小，寿命长等优点，已广泛应用于自动控制技术。2、光敏电阻半导体硒，在照射光的频率(pnl)大于其红限频率(pnl)时，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。利用这种特性制成的半导体器件称为光敏电阻(photosensitiveresistance)。光敏电阻是自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。27第27页/共38页第二十七页，共39页。半导体电学性能(xngnng)的应用3、温差热电偶把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势，称为半导体温差热电偶。温度每差一度
14、，温差电动势能够达到、甚至超过(chogu)1毫伏。利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。28第28页/共38页第二十八页，共39页。光生伏特(ft)效应-Photovoltaic用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为(chnwi)自建电场）的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。29这种由内建电场(din chng)引起的光-电效应，称为光生伏特效应。利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。第29页/共38页第二十九页，共39页。光伏
15、效应(xioyng)应用30第30页/共38页第三十页，共39页。半导体的应用(yngyng)31第31页/共38页第三十一页，共39页。半导体材料(cilio)主要发展趋势32vSi单晶作为主要半导体材料，其大直径化的进程仍将继续。直径450mm单晶已列入发展规划，直径680mm（27in）的单晶研制也已列入议事日程，微电子器件用GaAs、InP等也不断使用大直径晶片。v对大尺寸（Si）晶片的几何尺寸精度和晶片表面质量要求越来越高，从而促进超精细(jngx)晶片加工技术的发展。1、晶片尺寸(ch cun)更大 第32页/共38页第三十二页，共39页。半导体材料(cilio)主要发展趋势33v
16、1989年推出的英特尔486处理器采用1微米工艺技术，当前国际主流生产技术为0.250.35m，先进生产技术为0.130.10m，90nm技术已开始投入小批量生产，并研究成功65 nm技术。2010年采用45nm 技术，按照国际半导体产业发展路线图（ITRS）预测2016年和2018年将分别发展到22nm和18nm，预计(yj)在2020年有望达到16nm 。2、 线宽更小 第33页/共38页第三十三页，共39页。半导体材料(cilio)主要发展趋势34v传统(chuntng)半导体材料中大部分采用的是硅，新型半导体材料如氮化镓、碳化硅、硒化锌的发展将极大丰富半导体材料的应用领域。3、新材料(
17、cilio) v量子（阱、线、点）结构半导体材料的研制向实用化发展，使“能带工程”用于生产实践。通过对半导体材料和相应器件设计的人工“裁剪”，必将研制出更多、更高性能的新颖（电子、光电子等）功能器件。第34页/共38页第三十四页，共39页。半导体材料(cilio)主要发展趋势35v封装技术对于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通过封装技术创新使产品微型化。v封装的关键新能要求包括(boku)插脚数目、电板空间密度的最大化及散热效果。有些技术如芯片比例封装（CSP）提供的封装仅为芯片尺寸的120%。由于提高速度通常意味着更容易散热，因此散热效果很重要 。4、新的封装技术(jsh)第35页/共38
18、页第三十五页，共39页。先进半导体材料(cilio)主要发展趋势36v随着通信的发展，半导体工业涉及范围越来越广，包括信号处理、模拟、功率管理和集成(j chn)。混合信号技术和混合工艺技术的实力也越来越重要。5、技术要求(yoqi)范围扩大 第36页/共38页第三十六页，共39页。结束( jish)37第37页/共38页第三十七页，共39页。西南(xnn)大学材料科学与工程学院38感谢您的观赏(gunshng)！第38页/共38页第三十八页，共39页。内容(nirng)总结半导体历史。在它两端加一个正向电压，它是导通的。空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴向下跃迁。满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流，这称为空穴导电。（a）不可能移动（b）上下两层都可能移动。温度(wnd)也能显著改变半导体材料的导电性能。这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。对大尺寸（Si）晶片的几何尺寸精度和晶片表面质量要求越来越高，从而促进超精细晶片加工技术的发展。第37页/共38页第三十九页，共39页。
