导电材料：半导体材料

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1、LED一般工艺流程图一般工艺流程图制作衬底管芯装架导电丝键合分裂成芯片接触电极形成PN结外延生长封装树脂反射框引线框架LED芯片二极管的封装及常见的外观二极管的封装及常见的外观 常见的几种二极管中有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等等。大功率二极管多采用金属封装，并且有个螺帽以便固定在散热器上。 二极管常见的外观有：发光二极管发光二极管1.3 半导体材料半导体材料 1 1）叶良修：）叶良修：（上册），高等（上册），高等教育出版社教育出版社; ;2 2）黄昆，谢希德：）黄昆，谢希德：，科学出，科学出版社版社; ;3) 3) 刘恩科，朱秉生，罗晋生等：刘恩科，朱秉生，罗晋生等：，电子工业出版社。

2、，电子工业出版社。4) 4) 施敏：施敏：，苏州大，苏州大学出版社。学出版社。教材与参考书教材与参考书半导体材料的发展历史半导体材料的发展历史1941年：多晶硅（Si)材料制成检波器1947年：锗（Ge)单晶制成晶体三极管1952年：单晶硅，砷化镓（GaAs）1952年：硅晶体管1958年：集成电路1970年代：微电子技术飞速发展n nMoores LawMoores Law: : 每每1818个月，集成度个月，集成度提高提高1 1倍，线宽降低倍，线宽降低1 1半半1970s: 101970s: 10m mmm2000: 0.12000: 0.1m mm (limit m (limit 0.0

3、80.08m mm) Transistors per chipm) Transistors per chip1970s:4004, 1,000 transistors1970s:4004, 1,000 transistors1990s: P4, 42,000,0001990s: P4, 42,000,000n nDRAMDRAM Price/bit : 1976/2000 10 Price/bit : 1976/2000 104 4 Bits/chip: 2000/1976 10 Bits/chip: 2000/1976 104 41990: 4M DRAM 1000RMB1990: 4M D

4、RAM 1000RMB2000: 64M DRAM 200RMB2000: 64M DRAM 3.5eV0Eg3.5eV金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带Eg0eV10-7 S/m 104 S/m105 S/m温度升高，温度升高， 下降下降 上升上升 上升上升2.2.2.2.半半导体材料体材料2.22.2.1 .1 种种类按成份按成份分分元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体本征半导体本征半导体 ( 10-9)合金合金化合物化合物陶瓷陶瓷有机高分子有机高分子本征半导体本征半导体 完全纯净的（杂质小于十亿分之一）、无缺陷、完全纯净的（杂质小于十亿分之一）、无缺陷、完全纯净的（杂质小于

5、十亿分之一）、无缺陷、完全纯净的（杂质小于十亿分之一）、无缺陷、具有晶体结构的具有晶体结构的具有晶体结构的具有晶体结构的鍺、硅、硒鍺、硅、硒鍺、硅、硒鍺、硅、硒，称为本征半导体。，称为本征半导体。，称为本征半导体。，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子。价电子。价电子。价电子。 Si Si Si Si价电子价电子半导体材料的分类半导体材料的分类

6、 I（按功能分类）按功能分类）按功能分类）按功能分类）n n电子材料电子材料电子材料电子材料检波检波/ /放大放大/ /整流整流/ /存储存储n n光电材料光电材料光电材料光电材料发光发光/ /探测探测/ /光伏光伏/ /成像成像n n热电材料热电材料热电材料热电材料 测温、发电测温、发电n n传感材料传感材料传感材料传感材料气敏气敏/ /湿敏湿敏/ /热敏热敏/ /光敏光敏/ /磁敏磁敏n n光子材料光子材料光子材料光子材料激光激光/ /光传输光传输/ /光放大光放大/ /光计算光计算/ /光存储光存储n n微波材料微波材料微波材料微波材料半导体材料的分类半导体材料的分类 III（按结构分类

7、）按结构分类）按结构分类）按结构分类）n n单单单单晶晶晶晶半半半半导导导导体体体体：整整块块半半导导体体材材料料中中的的原原子子周周期期性性地地有有序序排列。排列。n n多多多多晶晶晶晶半半半半导导导导体体体体：半半导导体体材材料料中中分分成成许许多多区区域域，各各区区域域内内的原子周期性地有序排列。的原子周期性地有序排列。n n非非非非晶晶晶晶态态态态半半半半导导导导体体体体：半半导导体体材材料料中中的的原原子子排排列列长长程程没没有有周周期性，但短程有序。期性，但短程有序。n n异异异异质质质质结结结结构构构构半半半半导导导导体体体体：指指外外延延层层与与衬衬底底材材料料不不同同的的半半

8、导导体体多层膜结构。多层膜结构。n n超晶格半导体超晶格半导体超晶格半导体超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。：利用外延技术制备的人工晶体结构。n n纳纳纳纳米米米米半半半半导导导导体体体体：结结构构尺尺度度为为纳纳米米的的半半导导体体材材料料，如如纳纳米米颗粒或纳米薄膜。颗粒或纳米薄膜。n n复复复复合合合合半半半半导导导导体体体体：两两种种或或两两种种以以上上半半导导体体材材料料的的复复合合，如如无机无机/ /无机，有机无机，有机/ /无机，有机无机，有机/ /有机复合。有机复合。导电机理？导电机理？ Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得价电子在获得价电子在获得价电子

9、在获得一定能量（温度升高或受一定能量（温度升高或受一定能量（温度升高或受一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子光照）后，即可挣脱原子光照）后，即可挣脱原子光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为核的束缚，成为核的束缚，成为核的束缚，成为自由电子自由电子自由电子自由电子（带负电），同时共价键（带负电），同时共价键（带负电），同时共价键（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为中留下一个空位，称为中留下一个空位，称为中留下一个空位，称为空空空空穴穴穴穴（带正电）（带正电）（带正电）（带正电）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征激发：本征激发：空穴

10、空穴 温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来来来来填补填补填补填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于于于于空穴的运动空穴的运动空穴的运动空穴的运动（相当于正电荷的移动）。（相当于

11、正电荷的移动）。（相当于正电荷的移动）。（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理l当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移漂移漂移漂移 运动运动运动运动），在半导体中将出现两部分电流），在半导体中将出现两部分电流），在半导体中将出现两部分电流），在半导体中将出现两部分电流 (1)(1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流 (2)(2

12、)价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流注意：注意：注意：注意： (1) (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差； (2) (2) 温度愈高，温度愈高，温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的导电性能半导体的导电性能半导体的导电性能半导体的导电性能也就愈好。所以，也就愈好。所以，也就愈好。所以，也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。温

13、度对半导体器件性能影响很大。温度对半导体器件性能影响很大。温度对半导体器件性能影响很大。l自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。空穴成对地产生的同时，又不断复合。空穴成对地产生的同时，又不断复合。空穴成对地产生的同时，又不断复合。 在一定温度下，载流子的产生和复合达到在一定温度下，载流子的产生和复合达到在一定温度下，载流子的产生和复合达到在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。l半导体有两种导电粒子（

14、载流子）：半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴自由电子、空穴电导现象n n当当物物体体两两端端通通上上电电后后，就就会会有有电电流流流流过过，这这种种现现象称为象称为电导现象电导现象电导现象电导现象。n n 电电导导就就是是物物体体导导电电的的能能力力，电电导导率率与与电电阻阻率率成成反反比。比。n n对对半半导导体体来来说说电电导导是是由由载载流流子子即即电电子子和和空空穴穴的的运运动动引引起起的的。载载流流子子在在运运动动中中所所受受到到的的散散射射越越少少，其其运运动动速速度度越越快快，电电导导率率越越大大（电电阻阻越越小小），反反之之载载流流子子在在运运动动中中受受到到的的散

15、散射射频频繁繁，其其定定向向运运动动速速度度不不断断被被散散射射破破坏坏，总总体体运运动动速速度度较较小小，相相应应的电导也较小，即电阻较大。的电导也较小，即电阻较大。 载流子在外场中的迁移率n n载流子在外场中的运动无规运动+定向运动迁移率n n迁迁迁迁移移移移率率率率: :单单位位外外场场作作用用下下载载流流子子的的平平均均运运动动速速度度，用用符符号号是是m m表表示示，它它反反应应了了载载流流子子在在半半导导体体中中作作定定向运动的难易程度。向运动的难易程度。n n按定义可得按定义可得 。以上几个公式对电。以上几个公式对电子及空穴完全相同，一般在对应电子的速度、质子及空穴完全相同，一般

16、在对应电子的速度、质量、迁移率符号下加下标量、迁移率符号下加下标n n，在空穴对应的各符号在空穴对应的各符号下加下标下加下标p p。 常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）材料电子迁移率空穴迁移率硅硅硅硅13501350480480锗3900500砷化镓8000100-3000 对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高。 2.2.1.1 2.2.1.1 元素半导体元素半导体由单一元素组成的半导体，广泛应用的典型元素半导体有硅、锗，近些年金刚石也得到发展。此外，硒在电子照相和光电领域已获得应用。硅

17、的半导体性质比锗优良，可使用温度广，可靠性更高，且资源丰富。硅有单晶、多晶和非晶物理性质:晶体硅为原子晶体，熔点高(1693K)，硬而脆，间接能隙，Eg=1.12eV,单晶硅的电子迁移率：1800cm2/Vs化学性质:非晶硅 多晶硅 单晶硅 R.T . 空气、水和酸等不反应 强碱和氟等强氧化剂及氢氟酸反应 腐蚀液(工业上)：强碱和HF-HNO3 高温 氧、水气和非金属均可作用 生成SiO2和Si3N4钝化膜地壳里所含各种元素的质量百分比地壳里所含各种元素的质量百分比Si:1s22s22p63s23p2,价电子为4元素半导体（Si，Ge，C）的晶体结构：金刚石结构，晶格常数a0.543nm（Si

18、）1个原子与邻近的4个原子（白色）构成正4面体，每一个原子与周围4个原子以共价键结合。单晶硅单晶硅 (Monocrystalline silicon) 单晶体的半导体硅材料。目前已能制备250 mm（1 inch 英寸英寸 =25.4 millimetres 毫米）毫米）以上大直径无位错单晶。制备方法有直拉法、区熔法、磁拉法等，世界上几乎所有集成电路都是硅单晶制成的，集成电路用硅占硅单晶整个用量的80%以上。此外，绝大多数的电力电子器件(可控硅、整流器等)、功率晶体管和大部分的各种类型的二极、三极晶体管和太阳电池也是用硅单晶制成的。单晶硅材料单晶硅材料 单晶硅材料制造过程：石英砂-粗硅-提纯和

19、精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割。 SiO2（石英和砂子）+ C Si (98-99) + CO2 Si3HCI(气) SiHCl3(液）H2 SiHCl3 Si (10-12)拉制单晶有直拉法和区熔法等单晶体硅单晶体硅多晶硅多晶硅(Polycrystalline silicon) 多晶体的半导体硅材料。根据形态可分为棒状、块状及颗粒状多晶硅；根据共用途及纯度可分为直拉单晶用、区熔单晶用、探测器级、太阳电池级多晶硅。主要用途是作用单晶硅的原料，也可用作多晶硅太阳电池。多晶硅材料多晶硅材料 多晶硅技术：定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以熔融，然后将坩埚从热场中逐渐下降或

20、从坩埚底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶锭。浇铸法是将熔化后的硅液从坩埚中倒入另一模具中凝固以形成晶锭。硅材料有待发展的领域发光领域（光通讯）如光发射二极管，激光二极管锗单质呈银灰色的金属光泽物理性质：质硬而脆，性质与硅相似，Eg=0.66eV, 间接能隙，电子迁移率：3800cm2/Vs化学性质:锗不与强碱溶液作用可溶于热浓硫酸、浓硝酸、王水和HF-HNO3、NaOH-H2O2（腐蚀液）Ge+2H2O2+2NaOH = Na2GeO3+3H2O高温下，锗相当活泼，可与氧直接化合生成粉末状的GeO2。 2. 2.2 2. .1.2.1.2. 本征半本征半导体

21、与体与掺杂半半导体体本征半导体（intrinsicsemiconductor） ： 未掺杂的半导体(掺杂低于10-9)，低温下电子处于束缚态，电导率低。在外界的光或热的作用下，产生自 由 电 子 （ free electron） 与 空 穴（hole）半导体中的掺杂n n 在实际所用的半导体材料中，特别是电子材料在实际所用的半导体材料中，特别是电子材料在实际所用的半导体材料中，特别是电子材料在实际所用的半导体材料中，特别是电子材料中，往往掺有一种或两种杂质以获得特定的电中，往往掺有一种或两种杂质以获得特定的电中，往往掺有一种或两种杂质以获得特定的电中，往往掺有一种或两种杂质以获得特定的电性能。

22、性能。性能。性能。n n常温下本征半导体导带中电子的浓度较小，例常温下本征半导体导带中电子的浓度较小，例如硅本征载流子浓度只有如硅本征载流子浓度只有101010101010cmcm-3-3的量的量级，因此极其微量施主或受主杂质的掺入即可级，因此极其微量施主或受主杂质的掺入即可大大改变它的导电性能。大大改变它的导电性能。n n只要在硅中掺入只要在硅中掺入亿分之一亿分之一亿分之一亿分之一（101010101414cmcm-3-3）的的施主杂质施主杂质, ,并假定这些杂质上的电子全部进入并假定这些杂质上的电子全部进入导带，则导电能力可增加几万倍。因此掺杂对导带，则导电能力可增加几万倍。因此掺杂对半导

23、体器件生产是很重要的一个步骤。半导体器件生产是很重要的一个步骤。 本征半本征半导体体单位体位体积内内载流子数目比流子数目比较小，小，需要在高温下工作需要在高温下工作对本征半本征半导体体进行行掺杂，可以改，可以改变其其电导率，率，得到得到掺杂半半导体体掺杂半导体掺杂半导体n形半导体（多数载流子：电子形半导体（多数载流子：电子negative ）p形半导体（多数载流子：空穴形半导体（多数载流子：空穴positive）N 型半导体型半导体 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电成

24、为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导电方式，称为电方式，称为电方式，称为电方式，称为电子电子电子电子半导体半导体半导体半导体或或或或N N型型型型半导体。半导体。半导体。半导体。掺入五价元素掺入五价元素掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, ,形成形成

25、形成形成杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体。多数载流子（多数载流子（多数载流子（多数载流子（多子多子多子多子）：）：）：）：自由电子自由电子自由电子自由电子少数载流子（少数载流子（少数载流子（少数载流子（少子少子少子少子）：）：）：）：空穴空穴空穴空穴n n形半形半导体体如如SiSi半半导体中添加体中添加5 5个价个价电子的子的P P， ，AsAs等等P 型半导体型半导体 掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方种半导体的主要导电方种半导

26、体的主要导电方式，称为式，称为式，称为式，称为空穴空穴空穴空穴半导体或半导体或半导体或半导体或 P P型型型型半导体。半导体。半导体。半导体。掺入三价元素掺入三价元素掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si多子：空穴多子：空穴多子：空穴多子：空穴少子：自由电子少子：自由电子少子：自由电子少子：自由电子B硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电子变为电子变为电子变为电子变为负离子负离子负离子负离子空穴空穴无论无论无论无论N N型或型或型或型或P P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。

27、p p形半形半导体体SiSi半半导体中添加体中添加3 3个价个价电子的元素如子的元素如B B, ,GaGa等等杂质半导体的能带结构杂质半导体的能带结构n n施主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。n n受主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。n n激子能级：束缚的电子-空穴对n n极化子能级：电子-晶格相互作用激 子n n导带电子与价带空穴导带电子与价带空穴束缚在一起，导致电束缚在一起，导致电子能量降低。子能量降低。n n可以用类氢原子进行可以用类氢原子进行讨论，但由于空穴质讨论，但由于空穴质量与电子质量相比不量与电子质量相比不可当作无穷大，因此可当作无

28、穷大，因此要用折合质量代替电要用折合质量代替电子的有效质量。子的有效质量。极化子n n导带电子在晶格中运动时，导带电子在晶格中运动时，在一定的条件下可以使周围在一定的条件下可以使周围的离子位置发生变化，引起的离子位置发生变化，引起晶格畸变，产生极化效应。晶格畸变，产生极化效应。n n晶格畸变消耗部分能量，使晶格畸变消耗部分能量，使得电子能量降低，电子被自得电子能量降低，电子被自身引起的晶格畸变束缚，即身引起的晶格畸变束缚，即自陷作用。自陷作用。n n把自陷的电子与周围畸变的把自陷的电子与周围畸变的晶格作为一个体系看待就是晶格作为一个体系看待就是极化子。好象电子在运动时极化子。好象电子在运动时带

29、着畸变晶格一起运动。带着畸变晶格一起运动。施主、受主杂质能级n n氢原子模型氢原子模型n n施主、受主上的电子施主、受主上的电子能级能级浅浅能级与深能级及复合中心能级与深能级及复合中心n n浅浅能级能级 离开导带底或价带顶距离较小的能级，离开导带底或价带顶距离较小的能级，例如施主和受主能级。例如施主和受主能级。n n深能级深能级 离开导带底或价带顶距离较大但离禁带离开导带底或价带顶距离较大但离禁带中心距离较大的能级，例如施主和受主能级。中心距离较大的能级，例如施主和受主能级。n n复合中心复合中心 离禁带中心距离较小的深能级。离禁带中心距离较小的深能级。半导体中载流子的来源半导体中载流子的来源

30、n n温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进入温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进入导带，成为本征激发。导带，成为本征激发。n n由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此很由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此很容易通过热激发进入导带；容易通过热激发进入导带；n n由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上的由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上的电子很容易通过热激发进入受主能级。电子很容易通过热激发进入受主能级。n n其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如光其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如光照等。照等。半导体中的载流子n n电子导电与空穴导电；电子导电与空穴导电；n n全满

31、或全空的带不导电，全满或全空的带不导电，因为因为T=0T=0时价带全满，时价带全满，导带全空，所以均对导导带全空，所以均对导电没有贡献；电没有贡献；n n不满的带对导电有贡献，不满的带对导电有贡献，例如通过热激发例如通过热激发进入导进入导带的电子带的电子失去一些电子失去一些电子形成的价带空穴形成的价带空穴。价带电子与空穴的关系 导带电子电荷 -e速度 受力方向 -E有效质量 0加速度方向真实粒子 空穴 +e与导带 电子电子相反与导带 电子电子相反 0与导带导带 电子电子相反假设粒子2.2.1.2. 化合物半导体化合物半导体由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能

32、带结构等半导体性质的化合物按组份分化合物半导体二元化合物半导体多元化合物半导体二元化合物二元化合物1.III-V族化合物族化合物2. Al, Ga, In与P, As, Sb3.2.II-VI族化合物族化合物4. Zn, Cd, Hg与S, Se, Te5.3. IV-VI族化合物族化合物6. Ge, Sn, Pb与S, Se, Te7.4. IV-IV族化合物族化合物8. SiCD=金刚石结构金刚石结构多元化合物半导体多元化合物半导体GaAlAs, GaAsP, InAlP, GaInAsP, InGaAsP典型化合物半导体1.砷化镓GaAs 闪锌矿结构(立方)，能隙1.43eV, 直接带隙

33、1.砷化镓的电子迁移率较硅快许多，因此适用于高频传输，应用于无线通讯如手机、无线区域网路、卫星通讯、卫星定位等领域；2.砷化镓具备高效率的光电转换特性，因此可运用在光电转换的领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳电池等产品。2. 磷化铟InP物理特性闪锌矿结构，能隙1.35eV, 直接带隙。银灰色，质地软脆。载流子迁移速率高，热导率大，可以制作低噪声和大功率器件。用途：光电器件，光电集成电路和高频高速电子器件，如长波长(1.3-1.6mm)激光器，激光二极管，光电集成电路等，用于长距离通信。抗辐射性能优于砷化镓，作为太阳能电池材料更理想。3. 磷化镓GaP物

34、理特性红色透明晶体。闪锌矿结构，能隙2.26eV, 间接带隙。用途：发光二极管（红，绿，黄绿，黄色）4. 碳化硅SiC物理特性无色透明，硬度高，莫氏硬度为9，低于金刚石（10），高于刚玉（8），较大的热导率，宽禁带2.996eV, 间接带隙。用途制作高功率、高频率、高温器件的优良衬底材料，蓝光LED。5. 氮化镓GaN第一代电子材料：Si, Ge第二代电子材料：III-V族化合物GaAs, GaP, InP第三代电子材料：SiC, BN, GaN, AlN, ZnSe, 金刚石等宽带半导体。物理特性纤锌矿结构(六方)，能隙3.4eV, 直接带隙。用途蓝色与紫外LEDLD1993 年开发了蓝色发

35、光二极管被称为世纪发明该项技术曾被认为20世纪不可能的任务并商品化1995 年开始研发蓝色激光二极管。1997年开发出紫外LED 6. 碲镉汞（HgCdTe)物理特性物理特性直接能隙，Hg1-xCdxTe, x=0.17 Eg=0 x=1 Eg=1.6eV用途红外探测器材料（空间遥感和军事探测等） ，波长1-25mm参考： 窄禁带半导体物理学，上海技术物理研究所 褚君浩 著非晶态半导体原子排列短程有序，长程无序如非晶硅有机半导体电阻率10-14- 1m如聚乙烯咔唑 PVK高温半导体n n 不难看出，材料的禁带宽度越大，相应器件的工不难看出，材料的禁带宽度越大，相应器件的工作温度越高。这也是硅比

36、锗优越的地方之一。当作温度越高。这也是硅比锗优越的地方之一。当然硅比锗还有其他优点，例如二氧化硅有钝化及然硅比锗还有其他优点，例如二氧化硅有钝化及保护器件工作区作用、硅中氧沉淀可以用来进行保护器件工作区作用、硅中氧沉淀可以用来进行内吸杂等。因此目前大多数器件都用硅制备。可内吸杂等。因此目前大多数器件都用硅制备。可以想象，禁带宽度比硅更大的化合物半导体的工以想象，禁带宽度比硅更大的化合物半导体的工作温度更高。作温度更高。 所以高温电子材料需要宽禁带半导所以高温电子材料需要宽禁带半导体材料，如体材料，如GaNGaN、ZnOZnO、SiCSiC、金刚石等。金刚石等。图显示集成电路从晶图显示集成电路从

37、晶图显示集成电路从晶图显示集成电路从晶圆的圆的圆的圆的（a a a a）拉晶；拉晶；拉晶；拉晶；（b b b b）制造；制造；制造；制造；（c c c c）切割；切割；切割；切割；（d d d d）封装；封装；封装；封装；完成的简易流程；完成的简易流程；完成的简易流程；完成的简易流程；图（图（图（图（e e e e）为单一晶粒为单一晶粒为单一晶粒为单一晶粒的集成电路放大图标的集成电路放大图标的集成电路放大图标的集成电路放大图标 集成电路生产的集成电路生产的3 3个阶段个阶段习惯以线路制造的最小线宽、晶片直径及习惯以线路制造的最小线宽、晶片直径及习惯以线路制造的最小线宽、晶片直径及习惯以线路制造

38、的最小线宽、晶片直径及DRAMDRAMDRAMDRAM（动动动动态随机存储器）所储存的容量来评断集成电路的发态随机存储器）所储存的容量来评断集成电路的发态随机存储器）所储存的容量来评断集成电路的发态随机存储器）所储存的容量来评断集成电路的发展状况。展状况。展状况。展状况。集成电路生产的集成电路生产的3 3个阶段个阶段硅晶片（wafer）的制造集成电路的制作集成电路的封装（Package）集成电路制造工艺，包括：集成电路制造工艺，包括：集成电路制造工艺，包括：集成电路制造工艺，包括：氧化工艺氧化工艺氧化工艺氧化工艺掺杂工艺掺杂工艺掺杂工艺掺杂工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺P P P P阱阱

39、阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺 电连接时电连接时电连接时电连接时，P P P P阱接最负电位，阱接最负电位，阱接最负电位，阱接最负电位，N N N N衬底接最正电衬底接最正电衬底接最正电衬底接最正电位，通过反向偏置位，通过反向偏置位，通过反向偏置位，通过反向偏置的的的的PNPNPNPN结实现结实现结实现结实现PMOSPMOSPMOSPMOS器件和器件和器件和器件和NMOSNMOSNMOSNMOS器件之间的器件之间的器件之间的器件之间的相互隔离相互隔离相互隔离相互隔离。P P P P阱阱阱阱CMOSCMOSCMOSCMOS芯片剖面芯片剖面芯片剖面芯片剖面示意图示意图示意图示

40、意图见下图。见下图。见下图。见下图。 代代客户加工（代工）方式客户加工（代工）方式n n芯片设计单位和工艺制造单位的分离芯片设计单位和工艺制造单位的分离芯片设计单位和工艺制造单位的分离芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设，即芯片设，即芯片设，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即制造单位致力于工艺实现，即制造单位致力于工艺实现，即制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代客户加工（简称代客户加工（简称代客户加工（简称代工）方

41、式代工）方式代工）方式代工）方式。n n代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。征。征。征。无生产线设计与代工方式的关系图（无生产线设计与代工方式的关系图（S S图）图）掩模与流掩模与流片片n n代工单位根据设计单位提供代工单位根据设计单位提供代工单位根据设计单位提供代工单位根据设计单位提供的的的的GDS-GDS-GDS-GDS-格式的版图格式的版图格式的版图格式的版图数据，首先制作掩模（数据，首先制作掩模（数据，首先制作掩模（数据，首先制作掩模（MaskMask

42、MaskMask），），），），将版图数据定义将版图数据定义将版图数据定义将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。n n一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。n n在一张张掩模

43、的参与下，工艺工程师完成芯片的在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为固化到芯片上。这一过程通常简称为固化到芯片上。这一过程通常简称为固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片流片流片流片”理解版图的层理解版图的层理解版图的层理解版图的层 版图版图版图版图metalmetalmetalmetal层，刻画出金属连线层，

44、刻画出金属连线层，刻画出金属连线层，刻画出金属连线 代工工艺代工工艺 晶圆代工（晶圆代工（晶圆代工（晶圆代工（FoundryFoundryFoundryFoundry）厂家很多，如：厂家很多，如：厂家很多，如：厂家很多，如：无锡上华（无锡上华（无锡上华（无锡上华（0.6/0.5 0.6/0.5 0.6/0.5 0.6/0.5 m CMOSm CMOSm CMOSm CMOS和和和和4 4 4 4 m m m m BiCMOSBiCMOSBiCMOSBiCMOS工艺工艺工艺工艺) ) ) )上海先进半导体公司上海先进半导体公司上海先进半导体公司上海先进半导体公司(1 (1 (1 (1 m CMO

45、Sm CMOSm CMOSm CMOS工艺工艺工艺工艺) ) ) )NEC(1.2/0.18 NEC(1.2/0.18 NEC(1.2/0.18 NEC(1.2/0.18 m CMOSm CMOSm CMOSm CMOS工艺工艺工艺工艺) ) ) )上海华虹上海华虹上海华虹上海华虹NEC(0.35 NEC(0.35 NEC(0.35 NEC(0.35 m CMOSm CMOSm CMOSm CMOS工艺工艺工艺工艺) ) ) )上海中芯国际上海中芯国际上海中芯国际上海中芯国际(8(8(8(8英寸晶圆英寸晶圆英寸晶圆英寸晶圆0.25/0.18 0.25/0.18 0.25/0.18 0.25/0.18 m CMOSm CMOSm CMOSm CMOS工艺工艺工艺工艺) ) ) )其它还有海士力、宏力、日月光、台积电等。其它还有海士力、宏力、日月光、台积电等。其它还有海士力、宏力、日月光、台积电等。其它还有海士力、宏力、日月光、台积电等。