半導(dǎo)體

物質(zhì)存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等。通常把導(dǎo)電性差的材料,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體?梢院(jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比,半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的,直到20世紀(jì)30年代,當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后,半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。
本征半導(dǎo)體:不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下,半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶(見(jiàn)能帶理論),受到熱激發(fā)后,價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶,價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位,稱為空穴?昭▽(dǎo)電并不是實(shí)際運(yùn)動(dòng),而是一種等效。電子導(dǎo)電時(shí)等電量的空穴會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng) 。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流,分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴,電子-空穴對(duì)消失,稱為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射(發(fā)光)或晶格的熱振動(dòng)能量(發(fā)熱)。在一定溫度下,電子- 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)半導(dǎo)體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時(shí),將產(chǎn)生更多的電子- 空穴對(duì),載流子密度增加,電阻率減小。無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大,實(shí)際應(yīng)用不多
1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié),在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓,這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng),這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。
1873年,英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng),這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng),(jianxia霍爾效應(yīng)的余績(jī)──四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了,但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。
1874年,德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān),即它的導(dǎo)電有方向性,在它兩端加一個(gè)正向電壓,它是導(dǎo)通的;如果把電壓極性反過(guò)來(lái),它就不導(dǎo)電,這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng),也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年,舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。
2015年中國(guó)在公布的“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略中提出培育半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。為此,中國(guó)地方政府競(jìng)相利用優(yōu)惠政策吸引國(guó)內(nèi)外的半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)。
2018年4月11日,復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授張衛(wèi)、周鵬團(tuán)隊(duì)成員劉春森在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)硅片進(jìn)行切割。張衛(wèi)、周鵬團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了具有顛覆性的二維半導(dǎo)體準(zhǔn)非易失存儲(chǔ)原型器件,開(kāi)創(chuàng)了第三類存儲(chǔ)技術(shù)。中國(guó)大型半導(dǎo)體企業(yè)紫光集團(tuán)旗下的長(zhǎng)江存儲(chǔ)科技在湖北省武漢市推進(jìn)的三維NAND的量產(chǎn)項(xiàng)目,愛(ài)德萬(wàn)測(cè)試的銷售負(fù)責(zé)人稱“估計(jì)將在2018年底到2019年迅速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)”。
2018年4月24日,《日本經(jīng)濟(jì)新聞》預(yù)計(jì)最早在2018年底開(kāi)始向市場(chǎng)供應(yīng)尖端產(chǎn)品三維NAND型閃存芯片。曾在液晶面板等眾多產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的產(chǎn)品供給過(guò)剩也可能在半導(dǎo)體領(lǐng)域引發(fā)價(jià)格下跌。
Databeans在該報(bào)告中指出,通訊應(yīng)用的各部門均分成無(wú)線市場(chǎng)與有線市場(chǎng)兩大類。分類為「無(wú)線」的產(chǎn)品包含行動(dòng)電話(功能型手機(jī),智能型手機(jī))、無(wú)線基本設(shè)備(行動(dòng)電話基地臺(tái)等)、短距離無(wú)線(802.11、藍(lán)牙,ZigBee,NFC)、及其他無(wú)線(無(wú)線電芯片等)部門。將無(wú)線市場(chǎng)視為單一部門來(lái)看,則該市場(chǎng)規(guī)模在半導(dǎo)體領(lǐng)域上,是僅次于計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的第二大市場(chǎng)。2012年預(yù)計(jì)全球市場(chǎng)的銷售額將比前一年增加6%,達(dá)到約755億美金。這是約占半導(dǎo)體全球市場(chǎng)的25%市占率的水準(zhǔn)。更進(jìn)一步來(lái)看,無(wú)線市場(chǎng)是半導(dǎo)體消費(fèi)整體市場(chǎng)中成長(zhǎng)率最高的部門,預(yù)計(jì)接下來(lái)的五年間,成長(zhǎng)率將大于整體市場(chǎng)的成長(zhǎng)率。
在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中,人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素,導(dǎo)電性能具有可控性。
在光照和熱輻射條件下,其導(dǎo)電性有明顯的變化。
晶格:晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣,稱為晶格。
共價(jià)鍵結(jié)構(gòu):相鄰的兩個(gè)原子的一對(duì)最外層電子(即價(jià)電子)不但各自圍繞自身所屬的原子核運(yùn)動(dòng),而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上,成為共用電子,構(gòu)成共價(jià)鍵。
自由電子的形成:在常溫下,少數(shù)的價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量,掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子。
空穴:價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子而留下一個(gè)空位置稱空穴。
電子電流:在外加電場(chǎng)的作用下,自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng),形成電子電流。
空穴電流:價(jià)電子按一定的方向依次填補(bǔ)空穴(即空穴也產(chǎn)生定向移動(dòng)),形成空穴電流。
本征半導(dǎo)體的電流:電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同,它們運(yùn)動(dòng)方向相反。
載流子:運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。
導(dǎo)體電的特點(diǎn):導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子,即自由電子導(dǎo)電。
本征半導(dǎo)體電的特點(diǎn):本征半導(dǎo)體有兩種載流子,即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。
本征激發(fā):半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。
復(fù)合:自由電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴,使兩者同時(shí)消失,這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。
動(dòng)態(tài)平衡:在一定的溫度下,本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì),與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
載流子的濃度與溫度的關(guān)系:溫度一定,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的,并且自由電子與空穴的濃度相等。當(dāng)溫度升高時(shí),熱運(yùn)動(dòng)加劇,掙脫共價(jià)鍵束縛的自由電子增多,空穴也隨之增多(即載流子的濃度升高),導(dǎo)電性能增強(qiáng);當(dāng)溫度降低,則載流子的濃度降低,導(dǎo)電性能變差。
結(jié)論:本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的敏感性,可制作熱敏和光敏器件,又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。
雜質(zhì)半導(dǎo)體:通過(guò)擴(kuò)散工藝,在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。
P型半導(dǎo)體:在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半導(dǎo)體。
多數(shù)載流子:P型半導(dǎo)體中,空穴的濃度大于自由電子的濃度,稱為多數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱多子。
少數(shù)載流子:P型半導(dǎo)體中,自由電子為少數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱少子。
受主原子:雜質(zhì)原子中的空位吸收電子,稱受主原子。
P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:它是靠空穴導(dǎo)電,摻入的雜質(zhì)越多,多子(空穴)的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。
N型半導(dǎo)體:在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,形成N型半導(dǎo)體。
多子:N型半導(dǎo)體中,多子為自由電子。
少子:N型半導(dǎo)體中,少子為空穴。
施子原子:雜質(zhì)原子可以提供電子,稱施子原子。
N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:摻入的雜質(zhì)越多,多子(自由電子)的濃度就越高,導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。
結(jié)論:
多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。
少子的濃度決定于溫度。
PN結(jié)的形成:將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上,
在它們的交界面就形成PN結(jié)。
PN結(jié)的形成過(guò)程:如圖所示,將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上,在無(wú)外電場(chǎng)和其它激發(fā)作用下,參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,形成PN結(jié)。
擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng),這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
空間電荷區(qū):擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合,而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合,所以在交界面附近多子的濃度下降,P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū),N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū),它們是不能移動(dòng),稱為空間電荷區(qū)。
電場(chǎng)形成:空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)。
空間電荷加寬,內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng),其方向由N區(qū)指向P區(qū),阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。
漂移運(yùn)動(dòng):在電場(chǎng)力作用下,載流子的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)。
電位差:空間電荷區(qū)具有一定的寬度,形成電位差Uho,電流為零。
耗盡層:絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴的數(shù)目都非常少,在分析PN結(jié)時(shí)常忽略載流子的作用,而只考慮離子區(qū)的電荷,稱耗盡層。
PN結(jié)的特點(diǎn):具有單向?qū)щ娦浴?/div>
PN結(jié)
P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí),其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散,造成正負(fù)電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累,形成電偶極層(圖4 )。電偶極層中的電場(chǎng)方向正好阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。當(dāng)由于載流子數(shù)密度不等引起的擴(kuò)散作用與電偶層中電場(chǎng)的作用達(dá)到平衡時(shí),P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢(shì)差,稱為接觸電勢(shì)差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合,而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P 區(qū)中的空穴復(fù)合,這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層,故電偶極層也叫阻擋層,阻擋層的電阻值往往是組成PN結(jié)的半導(dǎo)體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?半導(dǎo)體整流管就是利用PN結(jié)的這一特性制成的。PN結(jié)的另一重要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),稱光生伏打效應(yīng),可利用來(lái)制造光電池。半導(dǎo)體三極管、可控硅、PN結(jié)光敏器件和發(fā)光二極管等半導(dǎo)體器件均利用了PN結(jié)的特性。
PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/P>
P端接電源的正極,N端接電源的負(fù)極稱之為PN結(jié)正偏。此時(shí)PN結(jié)如同一個(gè)開(kāi)關(guān)合上,呈現(xiàn)很小的電阻,稱之為導(dǎo)通狀態(tài)。
P端接電源的負(fù)極,N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏,此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài),如同開(kāi)關(guān)打開(kāi)。結(jié)電阻很大,當(dāng)反向電壓加大到一定程度,PN結(jié)會(huì)發(fā)生擊穿而損壞。
半導(dǎo)體摻雜
半導(dǎo)體之所以能廣泛應(yīng)用在今日的數(shù)位世界中,憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質(zhì)改變其電性,這個(gè)過(guò)程稱之為摻雜(doping)。摻雜進(jìn)入本質(zhì)半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor)的雜質(zhì)濃度與極性皆會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很大的影響。而摻雜過(guò)的半導(dǎo)體則稱為外質(zhì)半導(dǎo)體(extrinsic semiconductor)。
半導(dǎo)體摻雜物
哪種材料適合作為某種半導(dǎo)體材料的摻雜物(dopant)需視兩者的原子特性而定。一般而言,摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被區(qū)分為施主(donor)與受主(acceptor)。施主原子帶來(lái)的價(jià)電子(valence electrons)大多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵,進(jìn)而被束縛。而沒(méi)有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施主原子微弱地束縛住,這個(gè)電子又稱為施主電子。和本質(zhì)半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來(lái),施主電子躍遷至傳導(dǎo)帶所需的能量較低,比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng),產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會(huì)躍遷至傳導(dǎo)帶,但并不會(huì)和本質(zhì)半導(dǎo)體一樣留下一個(gè)電洞,施主原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因?yàn)閾诫s而獲得多余電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體(n-type semiconductor),n代表帶負(fù)電荷的電子。
和施主相對(duì)的,受主原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格后,因?yàn)槠鋬r(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價(jià)電子數(shù)量少,等效上會(huì)帶來(lái)一個(gè)的空位,這個(gè)多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體(p-type semiconductor),p代表帶正電荷的電洞。
以一個(gè)硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子,常用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼(boron)摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí),硼扮演的即是受主的角色,摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過(guò)來(lái)說(shuō),如果五價(jià)元素如磷(phosphorus)摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí),磷扮演施主的角色,摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。
一個(gè)半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主,而如何決定此外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中,受主帶來(lái)的電洞濃度較高或是施主帶來(lái)的電子濃度較高,亦即何者為此外質(zhì)半導(dǎo)體的“多數(shù)載子”(majority carrier)。和多數(shù)載子相對(duì)的是少數(shù)載子(minority carrier)。對(duì)于半導(dǎo)體元件的操作原理分析而言,少數(shù)載子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。
半導(dǎo)體載子濃度
摻雜物濃度對(duì)于半導(dǎo)體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態(tài)下,一個(gè)未經(jīng)摻雜的本質(zhì)半導(dǎo)體,電子與電洞的濃度相等,如下列公式所示:
n= p= n其中n是半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度、p則是半導(dǎo)體的電洞濃度,n則是本質(zhì)半導(dǎo)體的載子濃度。n會(huì)隨著材料或溫度的不同而改變。對(duì)于室溫下的硅而言,n大約是1×10 cm。
通常摻雜濃度越高,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會(huì)變得越好,原因是能進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子數(shù)量會(huì)隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣泛應(yīng)用在今日的集成電路制程來(lái)取代部份金屬。高摻雜濃度通常會(huì)在n或是p后面附加一上標(biāo)的“+”號(hào),例如n代表?yè)诫s濃度非常高的n型半導(dǎo)體,反之例如p則代表輕摻雜的p型半導(dǎo)體。需要特別說(shuō)明的是即使摻雜濃度已經(jīng)高到讓半導(dǎo)體“退化”(degenerate)為導(dǎo)體,摻雜物的濃度和原本的半導(dǎo)體原子濃度比起來(lái)還是差距非常大。以一個(gè)有晶格結(jié)構(gòu)的硅本質(zhì)半導(dǎo)體而言,原子濃度大約是5×10 cm,而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導(dǎo)體在室溫下通常就會(huì)被視為是一個(gè)“簡(jiǎn)并半導(dǎo)體”(degenerated semiconductor)。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中,摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一,而輕摻雜則可能會(huì)到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中,摻雜濃度都會(huì)依照所制造出元件的需求量身打造,以合于使用者的需求。
摻雜對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同,本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施主原子會(huì)在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階,而受主原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅,則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特,遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特,所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化(ionize)。
摻雜物對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)米能階依然會(huì)保持定值,這個(gè)特性會(huì)引出很多其他有用的電特性。舉例來(lái)說(shuō),一個(gè)p-n接面(p-n junction)的能帶會(huì)彎折,起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相同,但是形成p-n接面后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度,造成無(wú)論是p型或是n型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合接面處的能帶差異。
上述的效應(yīng)可以用能帶圖(band diagram)來(lái)解釋,。在能帶圖里橫軸代表位置,縱軸則是能量。圖中也有費(fèi)米能階,半導(dǎo)體的本質(zhì)費(fèi)米能階(intrinsic Fermi level)通常以E來(lái)表示。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時(shí),能帶圖是非常有用的工具。
半導(dǎo)體材料的制造
為了滿足量產(chǎn)上的需求,半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測(cè)并且穩(wěn)定的,因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。常見(jiàn)的品質(zhì)問(wèn)題包括晶格的錯(cuò)位(dislocation)、雙晶面(twins),或是堆棧錯(cuò)誤(stacking fault)都會(huì)影響半導(dǎo)體材料的特性。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體元件而言,材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
目前用來(lái)成長(zhǎng)高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見(jiàn)的方法稱為裘可拉斯基制程(Czochralski process)。這種制程將一個(gè)單晶的晶種(seed)放入溶解的同材質(zhì)液體中,再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時(shí),溶質(zhì)將會(huì)沿著固體和液體的接口固化,而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。
分類
半導(dǎo)體的分類,按照其制造技術(shù)可以分為:集成電路器件,分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類,一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類,雖然不常用,但還是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其規(guī)模進(jìn)行分類的方法。此外,還有按照其所處理的信號(hào),可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類的方法。
物質(zhì)存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性差或不好的材料,如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等,稱為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。可以簡(jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比,半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的,直到20世紀(jì)30年代,當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后,半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。
伏安特性曲線
伏安特性曲線:加在PN結(jié)兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示:
正向特性:u>0的部分稱為正向特性。
反向特性:u<0的部分稱為反向特性。
反向擊穿:當(dāng)反向電壓超過(guò)一定數(shù)值U(BR)后,反向電流急劇增加,稱之反向擊穿。
勢(shì)壘電容:耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容Cb。
變?nèi)荻䴓O管:當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí),Cb明顯隨u的變化而變化,而制成各種變?nèi)荻䴓O管。如下圖所示。
平衡少子:PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱為平衡少子。
非平衡少子:PN結(jié)處于正向偏置時(shí),從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。
擴(kuò)散電容:擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放過(guò)程與電容器充、放電過(guò)程相同,這種電容效應(yīng)稱為Cd。
結(jié)電容:勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容之和為PN結(jié)的結(jié)電容Cj。
一、在無(wú)線電收音機(jī)(Radio)及電視機(jī)(Television)中,作為“訊號(hào)放大器/整流器”用。
二、近來(lái)發(fā)展「太陽(yáng)能(Solar Power)」,也用在「光電池(Solar Cell)」中。
三、半導(dǎo)體可以用來(lái)測(cè)量溫度,測(cè)溫范圍可以達(dá)到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的70%的領(lǐng)域,有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,分辨率可達(dá)0.1℃,甚至達(dá)到0.01℃也不是不可能,線性度0.2%,測(cè)溫范圍-100~+300℃,是性價(jià)比極高的一種測(cè)溫元件。
半導(dǎo)體器件型號(hào)由五部分(場(chǎng)效應(yīng)器件、半導(dǎo)體特殊器件、復(fù)合管、PIN型管、激光器件的型號(hào)命名只有第三、四、五部分)組成。五個(gè)部分意義如下:
第一部分:用數(shù)字表示半導(dǎo)體器件有效電極數(shù)目。2-二極管、3-三極管
第二部分:用漢語(yǔ)拼音字母表示半導(dǎo)體器件的材料和極性。表示二極管時(shí):A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三極管時(shí):A-PNP型鍺材料、B-NPN型鍺材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。
第三部分:用漢語(yǔ)拼音字母表示半導(dǎo)體器件的內(nèi)型。P-普通管、V-微波管、W-穩(wěn)壓管、C-參量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光電器件、K-開(kāi)關(guān)管、X-低頻小功率管(F<3MHz,PC<1W)、G-高頻小功率管(f>3MHz,Pc<1W)、D-低頻大功率管(f<3MHz,Pc>1W)、A-高頻大功率管(f>3MHz,Pc>1W)、T-半導(dǎo)體晶閘管(可控整流器)、Y-體效應(yīng)器件、B-雪崩管、J-階躍恢復(fù)管、CS-場(chǎng)效應(yīng)管、BT-半導(dǎo)體特殊器件、FH-復(fù)合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。
第四部分:用數(shù)字表示序號(hào)
第五部分:用漢語(yǔ)拼音字母表示規(guī)格號(hào)
例如:3DG18表示NPN型硅材料高頻三極管
日本命名方法
日本生產(chǎn)的半導(dǎo)體分立器件,由五至七部分組成。通常只用到前五個(gè)部分,其各部分的符號(hào)意義如下:
第一部分:用數(shù)字表示器件有效電極數(shù)目或類型。0-光電(即光敏)二極管三極管及上述器件的組合管、1-二極管、2三極或具有兩個(gè)pn結(jié)的其他器件、3-具有四個(gè)有效電極或具有三個(gè)pn結(jié)的其他器件、┄┄依此類推。
第二部分:日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA注冊(cè)標(biāo)志。S-表示已在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA注冊(cè)登記的半導(dǎo)體分立器件。
第三部分:用字母表示器件使用材料極性和類型。A-PNP型高頻管、B-PNP型低頻管、C-NPN型高頻管、D-NPN型低頻管、F-P控制極可控硅、G-N控制極可控硅、H-N基極單結(jié)晶體管、J-P溝道場(chǎng)效應(yīng)管、K-N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管、M-雙向可控硅。
第四部分:用數(shù)字表示在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA登記的順序號(hào)。兩位以上的整數(shù)-從“11”開(kāi)始,表示在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA登記的順序號(hào);不同公司的性能相同的器件可以使用同一順序號(hào);數(shù)字越大,越是近期產(chǎn)品。
第五部分:用字母表示同一型號(hào)的改進(jìn)型產(chǎn)品標(biāo)志。A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型號(hào)產(chǎn)品的改進(jìn)產(chǎn)品。
美國(guó)命名方法
美國(guó)晶體管或其他半導(dǎo)體器件的命名法較混亂。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體分立器件命名方法如下:
第一部分:用符號(hào)表示器件用途的類型。JAN-軍級(jí)、JANTX-特軍級(jí)、JANTXV-超特軍級(jí)、JANS-宇航級(jí)、(無(wú))-非軍用品。
第二部分:用數(shù)字表示pn結(jié)數(shù)目。1-二極管、2=三極管、3-三個(gè)pn結(jié)器件、n-n個(gè)pn結(jié)器件。
第三部分:美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)注冊(cè)標(biāo)志。N-該器件已在美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)注冊(cè)登記。
第四部分:美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)登記順序號(hào)。多位數(shù)字-該器件在美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)登記的順序號(hào)。
第五部分:用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-同一型號(hào)器件的不同檔別。如:JAN2N3251A表示PNP硅高頻小功率開(kāi)關(guān)三極管,JAN-軍級(jí)、2-三極管、N-EIA 注冊(cè)標(biāo)志、3251-EIA登記順序號(hào)、A-2N3251A檔。
國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)
德國(guó)、法國(guó)、意大利、荷蘭、比利時(shí)等歐洲國(guó)家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國(guó)家,大都采用國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法。這種命名方法由四個(gè)基本部分組成,各部分的符號(hào)及意義如下:
第一部分:用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁帶寬度Eg=0.6~1.0eV 如鍺、B-器件使用材料的Eg=1.0~1.3eV 如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化鎵、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如銻化銦、E-器件使用復(fù)合材料及光電池使用的材料
第二部分:用字母表示器件的類型及主要特征。A-檢波開(kāi)關(guān)混頻二極管、B-變?nèi)荻䴓O管、C-低頻小功率三極管、D-低頻大功率三極管、E-隧道二極管、F-高頻小功率三極管、G-復(fù)合器件及其他器件、H-磁敏二極管、K-開(kāi)放磁路中的霍爾元件、L-高頻大功率三極管、M-封閉磁路中的霍爾元件、P-光敏器件、Q-發(fā)光器件、R-小功率晶閘管、S-小功率開(kāi)關(guān)管、T-大功率晶閘管、U-大功率開(kāi)關(guān)管、X-倍增二極管、Y-整流二極管、Z-穩(wěn)壓二極管。
第三部分:用數(shù)字或字母加數(shù)字表示登記號(hào)。三位數(shù)字-代表通用半導(dǎo)體器件的登記序號(hào)、一個(gè)字母加二位數(shù)字-表示專用半導(dǎo)體器件的登記序號(hào)。
第四部分:用字母對(duì)同一類型號(hào)器件進(jìn)行分檔。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型號(hào)的器件按某一參數(shù)進(jìn)行分檔的標(biāo)志。
除四個(gè)基本部分外,有時(shí)還加后綴,以區(qū)別特性或進(jìn)一步分類。常見(jiàn)后綴如下:
1、穩(wěn)壓二極管型號(hào)的后綴。其后綴的第一部分是一個(gè)字母,表示穩(wěn)定電壓值的容許誤差范圍,字母A、B、C、D、E分別表示容許誤差為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%;其后綴第二部分是數(shù)字,表示標(biāo)稱穩(wěn)定電壓的整數(shù)數(shù)值;后綴的第三部分是字母V,代表小數(shù)點(diǎn),字母V之后的數(shù)字為穩(wěn)壓管標(biāo)稱穩(wěn)定電壓的小數(shù)值。
2、整流二極管后綴是數(shù)字,表示器件的最大反向峰值耐壓值,單位是伏特。
3、晶閘管型號(hào)的后綴也是數(shù)字,通常標(biāo)出最大反向峰值耐壓值和最大反向關(guān)斷電壓中數(shù)值較小的那個(gè)電壓值。
如:BDX51-表示NPN硅低頻大功率三極管,AF239S-表示PNP鍺高頻小功率三極管。
五、歐洲早期半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名法
歐洲國(guó)家命名
第一部分:O-表示半導(dǎo)體器件
第二部分:A-二極管、C-三極管、AP-光電二極管、CP-光電三極管、AZ-穩(wěn)壓管、RP-光電器件。
第三部分:多位數(shù)字-表示器件的登記序號(hào)。
第四部分:A、B、C┄┄-表示同一型號(hào)器件的變型產(chǎn)品。
今年是摩爾法則(Moore’slaw)問(wèn)世50周年,這一法則的誕生是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。
這50年里,摩爾法則成為了信息技術(shù)發(fā)展的指路明燈。計(jì)算機(jī)從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具,信息技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無(wú)數(shù)個(gè)普通家庭,因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來(lái),多媒體視聽(tīng)設(shè)備豐富著每個(gè)人的生活。這一法則決定了信息技術(shù)的變化在加速,產(chǎn)品的變化也越來(lái)越快。人們已看到,技術(shù)與產(chǎn)品的創(chuàng)新大致按照它的節(jié)奏,超前者多數(shù)成為先鋒,而落后者容易被淘汰。
這一切背后的動(dòng)力都是半導(dǎo)體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上,那么不僅個(gè)人電腦和移動(dòng)通信不會(huì)出現(xiàn),連基因組研究、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造等新科技更不可能問(wèn)世。有關(guān)專家指出,摩爾法則已不僅僅是針對(duì)芯片技術(shù)的法則;不久的將來(lái),它有可能擴(kuò)展到無(wú)線技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域,成為人們?cè)谖粗I(lǐng)域探索和創(chuàng)新的指導(dǎo)思想。
毫無(wú)疑問(wèn),摩爾法則對(duì)整個(gè)世界意義深遠(yuǎn)。不過(guò),隨著晶體管電路逐漸接近性能極限,這一法則將會(huì)走到盡頭。摩爾法則何時(shí)失效?專家們對(duì)此眾說(shuō)紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上,美國(guó)科學(xué)家和工程師杰克·基爾比表示,5納米處理器的出現(xiàn)或?qū)⒔K結(jié)摩爾法則。中國(guó)科學(xué)家和未來(lái)學(xué)家周海中在此次研討會(huì)上預(yù)言,由于納米技術(shù)的快速發(fā)展,30年后摩爾法則很可能就會(huì)失效。2012年,日裔美籍理論物理學(xué)家加來(lái)道雄在接受智囊網(wǎng)站采訪時(shí)稱,“在10年左右的時(shí)間內(nèi),我們將看到摩爾法則崩潰!鼻安痪,摩爾本人認(rèn)為這一法則到2020年的時(shí)候就會(huì)黯然失色。一些專家指出,即使摩爾法則壽終正寢,信息技術(shù)前進(jìn)的步伐也不會(huì)變慢。
半導(dǎo)體和化學(xué)管道標(biāo)記
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