什么是半导体?

什么是半导体?,第1张

半导体的特征:

一、半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅、锗、硒等,它们的电阻率通常在 之间。

二、半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。

三、如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ,若按百万分之一的比例掺入少量杂质(如磷)后,其电阻率急剧下降为 ,几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。

常用的半导体材料是单晶硅(Si)和单晶锗(Ge)。所谓单晶,是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。

扩展资料

一、本征半导体的原子结构

半导体锗和硅都是四价元素,其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子,带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体,称为惯性核。

惯性核带有4个单位正电荷,最外层有4个价电子带有4个单位负电荷,因此,整个原子为电中性。

二、应用

1、在无线电收音机及电视机中,作为“讯号放大器/整流器”用。

2、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,分辨率可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是性价比极高的一种测温元件。

3、半导体致冷器的发展, 它也叫热电致冷器或温差致冷器, 它采用了帕尔贴效应.

参考资料来源:百度百科-半导体

自然界的物质按导电能力可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体材料是指室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电,室温时电阻率一般在10-5~107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大;若掺入活性杂质或用光、射线辐照,可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

1947年发明晶体管以后,半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展,并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体,常温下其电阻率很高,是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后,由于杂质原子提供导电载流子,使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体,靠价带空穴导电的称P型半导体。

不同类型半导体间接触(构成PN结)或半导体与金属接触时,因电子(或空穴)浓度差而产生扩散,在接触处形成位垒,因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性,可以制成具有不同功能的半导体器件,如二极管、三极管、晶闸管等。

此外,半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素)的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。

半导体材料的种类

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等)、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体,如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等,还处于研究阶段。

此外,还有非晶态和液态半导体材料,这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。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。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯,要求的纯度在6个“9”以上,最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类,一类是不改变材料的化学组成进行提纯,称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯,再将提纯后的化合物还原成元素,称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等,使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃娶精馏等,使用最多的是精馏。

由于每一种方法都有一定的局限性,因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广,80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的,其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法,用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法,用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触,用此法生长高纯硅单晶。

水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶,而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。

工业生产使用的主要是化学气相外延,其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带(band)宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽,意即绝缘体价带中的载子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带,进入传导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体,只有极少数的载子具有足够的能量进入传导带。因此,对于一个在相同电场下的纯质半导体(intrinsicsemiconductor)和绝缘体会有类似的电特性,不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味著半导体的导电性更容易受到控制而改变。

纯质半导体的电气特性可以藉由植入杂质的过程而永久改变,这个过程通常称为“掺杂”(doping)。依照掺杂所使用的杂质不同,掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个电洞,而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高,半导体也可能会表现出如同金属导体般的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体接面处会有一个内建电场(built-inelectricfield),内建电场和许多半导体元件的 *** 作原理息息相关。

除了藉由掺杂的过程永久改变电性外,半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性,很适合用来作为电路元件,例如晶体管。晶体管属于主动式的(有源)半导体元件(activesemiconductordevices),当主动元件和被动式的(无源)半导体元件(passivesemiconductordevices)如电阻器(resistor)或是电容器(capacitor)组合起来时,可以用来设计各式各样的集成电路产品,例如微处理器。

当电子从传导带掉回价带时,减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管(light-emittingdiode,LED)以及半导体激光(semiconductorlaser)的基础,在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地,半导体也可以吸收光子,透过光电效应而激发出在价带的电子,产生电讯号。这即是光探测器(photodetector)的来源,在光纤通讯(fiber-opticcommunications)或是太阳能电池(solarcell)的领域是最重要的元件。

半导体有可能是单一元素组成,例如硅。也可以是两种或是多种元素的化合物(compound),常见的化合物半导体有砷化镓(galliumarsenide,GaAs)或是磷化铝铟镓(aluminiumgalliumindiumphosphide,AlGaInP)等。合金(alloy)也是半导体材料的来源之一,如锗硅(silicongermanium,SiGe)或是砷化镓铝(aluminiumgalliumarsenide,AlGaAs)等。

硅是集成电路产业的基础,半导体材料中98%是硅,半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅(直拉和区熔)、外延片和非晶硅等,其中,直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件,比如整流二极管,硅可控整流器,大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。

中彰国际(SINOSI)是一家致力于尖端科技、开拓创新的公司。中彰国际(SINOSI)能够规模生产和大批量供应单晶硅、多晶硅及Φ4″- Φ6″直拉抛光片、 Φ3″- Φ6″直拉磨片和区熔NTD磨片并且可以按照国内、外客户的要求提供非标产品。

单晶硅

单晶硅主要有直拉和区熔

区熔(NTD)单晶硅可生产直径范围为:Φ1.5″- Φ4″。直拉单晶硅可生产直径范围为:Φ2″-Φ8″。

各项参数可按客户要求生产。

多晶硅

区熔用多晶硅:可生产直径Φ40mm-Φ70mm。直径公差(Tolerance)≤10%,施主水平>300Ω.㎝,受主水平>3000Ω.㎝,碳含量<2×1016at/㎝3 。各项参数可按客户要求生产。

切磨片

切磨片可生产直径范围为:Φ1.5″- Φ6″。厚度公差、总厚度公差、翘曲度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准,并可按客户要求生产。

抛光片

抛光片可生产直径范围为:Φ2″- Φ6″,厚度公差、总厚度公差、翘曲度、平整度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准,并可按客户要求生产。

高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料,硅纯度要求99.999%。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池,它的构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本,现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料。在日常生活里,单晶硅可以说无处不在,电视、电脑、冰箱、电话、汽车等等,处处离不开单晶硅材料;在高科技领域,航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的制造,单晶硅同样是必不可少的原材料。

在科学技术飞速发展的今天,利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。现在,国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段,正在向实际应用阶段过渡,太阳能单晶硅的利用将普及到全世界范围,市场需求量不言而喻。

直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件,比如整流二极管,硅可控整流器,大功率晶体管等。

区熔(NTD)单晶硅可生产直径范围为:Φ1.5″- Φ4″。

直拉单晶硅可生产直径范围为:Φ2″-Φ8″。

硅单晶被称为现代信息社会的基石。硅单晶按照制备工艺的不同可分为直拉(CZ)单晶硅和区熔(FZ)单晶硅,直拉单晶硅被广泛应用于微电子领域,微电子技术的飞速发展,使人类社会进入了信息化时代,被称为硅片引起的第一次革命。区熔单晶硅是利用悬浮区熔技术制备的单晶硅。它的用途主要包括以下几个方面。

1、制作电力电子器件

电力电子技术是实现电力管理,提高电功效率的关键技术。飞速发展的电力电子被称为“硅片引起的第二次革命”,大多数电力电子器件是用区熔单晶硅制作的。电力电子器件包括普通晶闸管(SCR)、电力晶体管GTR、GTO以及第三代新型电力电子器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等,广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。制作电力电子器件,是区熔单晶硅的传统市场,也是本项目产品的市场基础。

2、制作高效率太阳能光伏电池

太阳能目前已经成为最受关注的绿色能源产业。美国、欧洲、日本都制定了大力促进本国太阳能产业发展的政策,我国也于2005年3月份通过了《可再生能源法》。这些措施极大地促进了太阳能电池产业的发展。据统计,从1998—2004年,国际太阳能光伏电池的市场一直保持高速增长的态势,年平均增长速度达到30%,预计到2010年,仍将保持至少25%的增长速度。

晶体硅是目前应用最成熟,最广泛的太阳能电池材料,占光伏产业的85%以上。美国SunPower公司最近开发出利用区熔硅制作太阳能电池技术,其产业化规模光电转换效率达到20%,为目前产业化最高水平,其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池(光电转换效率为15%)和多晶硅太阳能电池(光电转换效率为12%)。这项新技术将会极大地扩展区熔硅单晶的市场空间。据估计,到2010年,其总的市场规模到将达到电力电子需求规模,这是本项目新的市场机会。

3、制作射频器件和微电子机械系统(MEMS)

区熔单晶还可以用来制作部分分立器件。另外采用高阻区熔硅制造微波单片集成电路(MMIC)以及微电子机械系统(MEMS)等高端微电子器件,被广泛应用于微波通讯、雷达、导航、测控、医学等领域,显示出巨大的应用前景。这也是区熔单晶的又一个新兴的市场机会。

4、制作各种探测器、传感器,远红外窗口

探测器、传感器是工业自动化的关键元器件,被广泛应用于光探测、光纤通讯、工业自动化控制系统中以及医疗、军事、电讯、工业自动化等领域。高纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料,其市场增长趋势也很明显


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