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npn三极管示意图
三极管的重要特性是具有放大作用
20
半导体材料制作晶体管
晶体管原理图
晶体管结构
21
• 1947年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管在美国新 泽西州贝尔电话实验室诞生，发明人是三位美国科学家（从 左至右）巴丁、肖克利和布拉顿。他们三人获得1956年诺贝 尔物理学奖。这一发明引起现代电子学的革命，微电子学诞 生了，并获得迅速发展。1958年半导体硅集成电路的诞生， 吹响了以集成电路为核心的微电子技术发展的号角。微电子 技术正是电子计算机和当今信息技术发展的基础。 22
集成电路
• 集成电路就是将电子线路中所采用的电阻、电
容、二极管、三极管等元件及互联线制作在单 个的半导体硅芯片上，具有和单个分开的分立 器件制作的电子线路同等或更好的功能。
• 制造工艺：主要是氧化、光刻、扩散掺杂和封
装。
• 其芯片的耗能及单位成本很低，并能提供较高
的工作速度和可靠性。
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半导体与集成电路
• 常用的半导体材料
制备工艺有提纯、 单晶的制备和薄膜 外延生长。提纯主 要有物理提纯和化 学提纯。单晶的制 备主要是利用熔体 生长法 ，其中提拉
法在工业中最为常 用。外延的方法有 气相、液相、固相、 分子束外延等。
硅晶片生产
29
半导体的生产
30
半导体材料的运用和意义
20世纪是科学技术突飞 猛进的100年，原子能、半 导体、激光和电子计算机成 为20世纪的“四大发明创 造”。激光和计算机是以半 导体材料为基础的，而激光 和计算机都是信息技术的重 要支撑技术。因此，半导体 材料技术在信息技术，以至 于整个高科技领域有着举足 轻重的作用。
芯片把数字的快速处理和快速传递融合在一
起，形成了当今的信息网络。
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温差效应
当半导体材料两端的温 度不同时，载流子就 会从高温端流向低温 端，结果半导体的两 端就会产生电势差， 这种现象成为温差效 应。利用这种效应可 以做成温差发电堆。
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砷化镓半导体
• 计算机的运算速度受到芯片材料中电子
运动速度的限制
本征半导体和杂质半导体
• 纯净半导体又叫本征半导体，就是指晶
体中除了本身原子外，没有其他杂质原 子存在。
• 假如在本征半导体中掺入杂质，使其产
生载流子以增加半导体的导电能力，这 种半导体称为杂质半导体。
14
n型和p型半导体
• 杂质半导体中以电子导电为主的称为n (negative)型半导体
(硅掺磷、砷等Ⅴ族元素)，以空穴导电为主的称为p (positive)型半导体(硅掺硼、镓等Ⅲ族元素) 。
太阳能电池就是利 用光生伏特效应制成 的。
35
太阳能电池
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光电效应和光电传感器
光电二极管是一个固态PN结器件，器 件的一边(比如P层),做得非常薄，使光可以 穿透到结中，形成一个与入射的光子通量 成正比的电流。这称为光电效应。
最简单的光电传感器是由一块芯片上 的光电二极管传感器件和开关的阵列。
2 Li Be 锂铍
元素周期表
2
He 氦
5
6
7
8
9
10
B C N O F Ne
硼碳氮氧氟氖
11 12
3 Na Mg 钠镁
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar 铝硅磷硫氯氩
19 20
4
K Ca
钾钙
21 22 23 24 25 26 27 28
29
30
31
32
33
34
35
36
• 导体存在一个电子不能填满的导带，故能导电。金属导体的电阻率约为
10－8～10－6欧姆·米 ；
• 绝缘体只有满带和空带，没有导带，且禁带很大（3－6 eV） ，故不能
导电。绝缘体的电阻率约为108～1020欧姆·米 ；
• 半导体只有满带和空带，但禁带很小（0.1－2eV），满带中的电子可以
在光、热、电作用下进入空带，形成导带。电阻率约为10－8～107欧13 姆·米。
• 在砷化镓单晶材料中电子的迁移率（电
子在电场作用下的迁移速度）比在单晶 硅材料中电子的迁移率大6～7倍，所以 采用砷化镓晶体管的计算机的响应速度 和运算速度都更快。
43
砷化镓晶体结构
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超晶格材料
• 超晶格就是用两种或两种以上不同半导
体或半导体的n型或p型极薄膜层交替排 列组成的周期阵列，即在原来的周期性 的晶格势场上再加上一个人为的周期势。
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1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
科学分析表明，硅原子是按照金 刚石结构的形式占据空间位置（晶 格）。
金刚石结构
金刚石结构的排列特点是：
晶格立方格子的8个顶点有一个原子 晶格6个面的中心各有一个原子 晶格的4个对角线离顶点的1/4处各有一个原子 11
从不同方向观察硅晶体
金刚石结构 和常见CO2 分子结构比 较图。
12
晶体的能带
55 56 56-70 71
72 73 74 75 76 77
78
ห้องสมุดไป่ตู้
79
80
81
82
83
84
85
86
6
Cs Ba 镧系 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
铯钡 *
镥 铪钽钨铼锇铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡
7
87
Fr 钫
88
Ra 镭
89-102
信广播卫星运行，担负着80％的
洲际通信业务和全部洲际电视传
播。
40
计算机网的诞生
芯片发展到一定程度，直接导致了计算机网的 诞生。各种各样的芯片大大支持了计算机的网络化。
• 用于减少信息传输量的视频压缩/解压缩芯片; • 用于数码录放音及影像存储的记忆体元件芯片; • 媒体处理芯片; • 快速电池充电控制芯片; • 路由器芯片等
5
岱岳雄姿
观音
6
电脑中的 硅芯片
主板 7
什么是“半导体材料”
材料按照导电的能力来划分可以分为：
•导体 ——金属等 •绝缘体——橡胶，塑料等 •半导体——硅，锗等等
半导体材料是介于导体与绝缘体 之间的，导电能力一般的导体。它 的显著特点是对温度、杂质和光照 等外界作用十分的敏感。
8
1
1
H
氢
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由于各元件及各元件间的隔离区的形状都是光刻技术完成 的，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小。 激光光刻线宽的极限约为0.2微米，用X射线光刻甚至可小于 0.1微米。目前利用0.3微米线宽工艺已在10mm×20mm的芯片 上集成了1.4亿个元件，集成密度达70万个/mm2。
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半导体材料的制作工艺
阳能电池
• 具有高的光电导性，可制作十分灵
敏的光电器件
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小结
• 硅材料在我们的日常生活中无处不在。 • 半导体有哪些性质？硅的结构怎样保证
了它的半导体性质。
• 半导体材料的发展带来了人类信息时代
的到来。
• 半导体的发展将具有更广阔的市场前景，
将带来人类在信息时代的第二次飞跃。
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15
半导体的性质
• 电阻率随温度的增加而减小（称为负温
度系数）
• 微量的杂质对半导体的导电性能有很大
的影响
• 光照可以改变半导体的电阻率
16
真空二极电 子管的工作
原理
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晶体管的接触面工 作原理
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半导体在开关和整流器中的运用
原理：一个P-N结，它的作用是只让电 流向一个方向流通，是电的“单向阀”， 可以用作开关，也可作为整流器 。开 关时间可短到几十～几百ns，超高速集 成电路开关已达十几～几个ns。
集成电路
内存条 计算机主板
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微电子技术的发展
年代 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代
名称 晶体管
集成度（单位体积中
的元件个数）
100
集成电路
1000
大规模集成电路
1万～10万
超大规模集成电路
100万～1亿
更大规模集成电路
100亿～200亿
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芯片换代的标志
• 1 密集程度高 • 2 同等功能的元件和整机的价格下降 • 3 尺寸减小 • 4 信息容量增大 • 5 运算速度提高
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半导体材料运用的树状图
32
半导体材料最常见的用途就是发光二极管， 它主要用在仪器上做数字显示 。
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半导体材料在照明中的运用
手机、电脑、数码相机、汽车 中，都有半导体照明的身影
用半导体照明的上
海东方明珠电视塔
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光生伏特效应
当入射光子的能量大 于禁带宽度时，光照 射在距表面很近的p－ n结，就会在p－n结产 生电动势，接通外电 路就可形成电流。这 称为光生伏特效应。
超晶体周期交替结构
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超晶格材料的应用
• 由于在与界面平行的方向电子可以自由
运动，迁移率极高，故可制成世界上最 快的晶体管。
• 改变砷化镓薄层和镓铝砷薄层的厚度，
可以发射不同的光波长 。从而制造出所 需要的光导纤维。