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半导体材料的基本特性


半导体的趋势

提高芯片性能

提高芯片的可靠性
降低芯片的成本

提高芯片的性能
关键尺寸 芯片上的最小物理尺寸 芯片上器件尺寸的相应缩小是按比例进行的,仅减小一个 尺寸是不可接受的。
每块芯片上的元件数 减小一块芯片的关键尺寸使得可 以在硅片上制造更多的元件 ,由于芯片数增加性能也得 到提高。 摩尔定律
共价键
不同元素的原子共有价电子形成的粒子键,原子通过共有 电子来使价层完全填充变得稳定。束缚电子同时受两个原 子的约束,如果没有足够的能量,不易脱离轨道。
离子键
当价电子层电子从一种原子转移到另一种原子上时,就会形 成离子键,不稳定的原子容易形成离子键。
半导体分类
本征半导体:几乎不含任何杂质的半导体。 自由电子 当导体处于热力学温度0K时,导体中没有自由电 子。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有 的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由 电子。
电子技术的发展
电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器 件的发展历经4个阶段:
★电子管 ★晶体管 ★集成电路
1906年,诞生第一只子管 1947年,出现了半导体三极晶体管 1960年12月,成功制造世界上第一块硅集成
电路
★超大规模集成电路
1966年,美国贝尔实验室利用硅片 外延技术,制造了第一块大规模集成电路
半导体产业的发展
半导体产业发展的基础是在20世纪上半业开发的技术 上培育出来的,关键技术是在工业和学术网中获取的。
半导体产业
半导体发展趋势
半导体发展趋势——微电子时代 电子时代是由电子真空阶段延续到固体电子阶段的。
当分立器件逐步过渡到集成电路阶段时,出现了诸如半导体 器件集成化、电子系统集成化、电子系统微型化,也就出 现了微电子时代
集成电路优点
★提高工作速度 ★内部连线短,缩短延迟时间,尺寸小,连线分布电容和PN 结电容减小。 ★降低功耗 ★尺寸小,连线短,电阻小 ★降低电子整机成本? ★减少印制电路和插接件 ★体积小,质量轻 ★可靠性高 ★缩短电子产品生产周期
集成电路的分类
按器件结构类型和工艺分 ★双极型集成电路,有源器件是双极型晶体管,载流子 是电子和空穴。一般用于模拟集成电路和中、小规模 集成电路。 优点:工作速度高、驱动能力强 ★ MOS(metal-oxide-semiconductor)管集成电路,有源 器件为MOS晶体管。载流子是电子或者空穴,又称为单 极型晶体管。 优点:输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗低、集成度高、制 作工艺简单。 ★双极型-MOS集成电路,两者的混合电路 同时具有两者的优点 。
空穴 自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现 了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
杂质半导体
概念:掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体:在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,氮 自由电子—多数载流子(由两部分组成) 空穴——少数载流子
微电子技术发展展望
纵观20世纪中硅基微电子技术的发展历程,未来微电子技术 将主要表现为: 1、器件的特征尺寸继续缩小 2、系统集成芯片将是将来一段时间内发展的重点
3、微电子与其它学科的结合将诞生新的技术交叉点和产业 增长点。
集成电路
集成电路的概念 将若干个二极管、晶体管、电阻和电容等元件按照特定 的电路连接方式,焊接到一快半导体单晶片或陶瓷机片 上,使之成为一个整体以完成某一特定功能的电路组件。
原子结构 由三种不同的粒子构成:中性中子和带正电的 质子组成原子核,以及围绕原子核旋转的带负电核的电子, 质子数与电子数相等呈现中性。
电子能级 原子级的能量单位是电子伏特,它代表一个电 子从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。 价电子层 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,只有一个价电子的原子 很容易失去这个电子,有7个价电子的原子容易得到一个 电子,具有亲和力。
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P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、 镓、铟等形成了P型半导体,也称为空穴型半导体。
自由电子—少数载流子 空穴——多数载流子(由两部分组成)
能带结构
电子的共有化运动
——满足能量最低原理 ——泡利不相容原理
能带结构的形成 两个原子靠近时,电子波函数将重叠。 这时泡利不相容原理不允许一个量子态上有两个电子存在, 于是一个能级将分裂为2个能级,N个原子靠近时,一个能 级将分裂为N个相距很近的能级,形成能带
集成电路的发展
摩尔定律:1964年 ,戈登.摩尔,半导体产业先驱者和 英特尔公司的创始人,预言在一块芯片上的晶体管数大 约每隔一年翻一番。
半导体工业为什么有如此的发展速度
第一:集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业,原始材 料是地壳中的二氧化硅。 第二:集成电路的设计与制造技术中高新技术含量和技术赋 加值极高 ,产出效益好。 第三:集成电路的设计与制造业是充满技术驱动的效益驱动 的高活性产业
★硅片测试/拣选
★装配与封装
硅片拣选和测试后,进入装配与封装,以便 把单个芯片装在保护壳内。硅片的背面进行研磨以减少衬 底的厚度,一片厚的塑料薄膜被贴在每个硅片的背面,然 后,在正面沿着划片线用带金刚石的锯刃将每个硅片上的 芯片分开。
★终测
为确保芯片的功能,要对每一个被封装的集成电路 进行测试,以满足制造商的电学和环境的特性参数。
价带:被价电子填充的能带 导带:被自由电子填充的能带 禁带:导带底与价带顶之间能带 带隙:导带底与价带顶之间的能量差
能带的特点:
能带的宽窄由晶体的性质决定,与所含的原子数无关。 能量较高的能带比较宽,能量低的较窄。 每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关。 能带中能量不连续
常见半导体——硅
硅是一种元素半导体 ,4个价电子,正好位于优质导体和 绝缘体之间。 选择硅的主要理由: 硅的丰富度 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 更高的工作温度范围 氧化硅的自然形成
功耗 真空管耗费很大功率,而半导体器件确实耗用很 小的功率,随着器件的微型化,功耗相应减小,尽管晶体 管数以惊人的速度增长,但是功耗却在不断的下降。
芯片可靠性
芯片可靠性致力于趋于芯片寿命的功能的能力,通过严格 的诸如无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂的纯度 来控制玷污
降低芯片价格
由于特征尺寸的减小使得硅片上集成的晶体管增多降低了 成本。 半导体产品市场大幅度增长引入了制造的规模经济
半导体材料的基本特性
半导体的概念
从导电特性和电阻率来分: 超导体: 大于106(cm)-1
导体: 106~104(cm)-1,容易导电的物体。如:铁、铜等
绝缘体: 小于10-10cm)-1,几乎不导电的物体。如:橡胶等 半导体: 104~10-10(cm)-1 ,导电性能介于导体和绝缘体之 间的物体,在一定条件下可导电。
★单晶硅片
★晶体的基本形态 单晶 多晶 ★综合指标要求
非晶 导电类型 N型或P型
集成电路的制造步骤
★硅片制造 ★硅片制备 ★硅片测试/拣选 ★装配与封装 ★终测
★硅片制备
在这一阶段,将硅从沙中提炼并纯化,经过特 殊工艺生产适当直径的硅锭,然后将硅锭切割。
★硅片制造
自硅片开始的微芯片制作是第二阶段,称为硅 片制造。裸露的硅片到达 硅片制造厂,然后经过各种清 洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤,加工完的硅片具有永 久刻蚀在硅片上的一套集成电路。 硅片制造完成后,硅片被送到测试和拣 选区,在那里进行单个芯片的探测和电学测试,拣选出不 合格的芯片。
按电路功能分
★数字集成电路,传递和处理数字信号。
应用范围:计算机、通信处理机 ★模拟集成电路,传递和处理模拟信号。
应用范围:信号传感器、A/D、D/A等
★数模混合电路 微波集成电路,所传递和处理的信号频率大于300MHz。 应用范围:混频器,振荡器等
集成电路对半导体材料的基本的要求
★衬底必须是纯净的
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