2023年全國(guó)碩士研究生考試考研英語(yǔ)一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁(yè)
已閱讀1頁(yè),還剩29頁(yè)未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、徐桂英材料學(xué)院無(wú)機(jī)非金屬材料系,第7章 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,半導(dǎo)體材料的應(yīng)用總的說(shuō)來(lái)可分為兩大類,一類是制作半導(dǎo)體器件;一類是作光學(xué)窗口、透鏡等。 7.1 半導(dǎo)體器件的分類半導(dǎo)體器件可分為兩大類,一類稱為分立器件(discrete part),另一類為集成電路(integrated circiut,簡(jiǎn)稱IC)。分立器件可分為:(1)晶體二極管;(2)晶體三極管;(3)發(fā)光二極管;(4)激光管;(5)電力電子器件;(6)

2、電子轉(zhuǎn)移器件;(7)能量轉(zhuǎn)換器件;(8)敏感元件。集成電路可分為:(1)Si 集成電路;(2)GaAs集成電路;(3)混合集成電路。其中Si集成電路按其結(jié)構(gòu)又可分為:(1)雙極型電路;(2) 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)型電路;(3)雙極MOS(BiMOS)電路等。,第7章  半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,各種器件所用的材料及主要原理見(jiàn)表7.1。下面就一些有代表性的器件作一簡(jiǎn)要的介紹。,,表7.1 主要半導(dǎo)體器件所用材料及其工

3、作原理,*由于本書(shū)內(nèi)容的限制,未對(duì)這些效應(yīng)與原理加以說(shuō)明。,7.2 晶體二極管,二極管是具有一個(gè)pn結(jié),或具有與pn結(jié)相類似的肖特基勢(shì)壘的器件。其原理已在第四章中介紹過(guò)。,當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合成一個(gè)整體時(shí),如圖3.6(b), p 型半導(dǎo)體中有大量的空穴,而n型半導(dǎo)體中有大量的電子,他們向相對(duì)方向擴(kuò)散,但這種擴(kuò)散并非無(wú)休止的,因?yàn)檫@種擴(kuò) 散打破了邊界附近的電中性,空穴進(jìn)入n型區(qū)與電子復(fù)合,而失去電子的離子便形成正電勢(shì);在p型區(qū)則因同樣的道理

4、而形成負(fù)電勢(shì),這樣便在邊界附近形成了電位差,稱為內(nèi)建勢(shì)場(chǎng)(電場(chǎng)),或稱擴(kuò)散電勢(shì)。這個(gè)勢(shì)場(chǎng)根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理,會(huì)防止空穴與電子的進(jìn)一步擴(kuò)散,而達(dá)到平衡,這個(gè)平衡的電勢(shì)用V擴(kuò)表示,這就構(gòu)成pn結(jié)。,當(dāng)加上外加電場(chǎng)V外時(shí):如果正極接到p 型區(qū),負(fù)極接到n型區(qū),見(jiàn)圖3.6中(c),因?yàn)榘雽?dǎo)體材料具有一定的電導(dǎo)率,因此電壓降的主要部分卻落在了阻擋層上,這時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)相反,于是降低了內(nèi)建電場(chǎng),減少了阻擋層的厚度,使電流順利通過(guò)

5、。而當(dāng)電場(chǎng)方向相反時(shí),內(nèi)建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)相疊加,見(jiàn)圖3.6中(d),增加了阻擋層的厚度,使電流不能通過(guò)。這就是結(jié)的整流作用。當(dāng)電壓方向使pn結(jié)導(dǎo)通時(shí),稱為正向偏置,當(dāng)電壓方向使阻擋層加厚時(shí),稱為反向偏置。,二極管主要應(yīng)用于整流與檢波。交流電壓加在pn結(jié)上時(shí),如使正電壓接于p型區(qū),負(fù)電壓接于n型區(qū)時(shí)電流就通過(guò),而當(dāng)電壓方向相反時(shí)電流就被阻擋,其伏安特性如圖7.1。,從 圖中可以看出當(dāng)電壓為正向偏置時(shí),所獲電流為正向電流,可達(dá)幾千安

6、培,而電壓為反向偏置時(shí),通過(guò)的電流為幾毫安培,或小于1 毫安。,反向電流是由于少數(shù)載流子產(chǎn)生的,即在p區(qū)有少量的電子,因?yàn)樵趐區(qū)主要是空穴,而少量的電子是呈平衡狀態(tài)的,同樣在n區(qū)也有少數(shù)載流子--空穴。這些載流子落入到阻擋層則被吸引到對(duì)方,形成電流,這種電流強(qiáng)度與所加的電壓無(wú)關(guān),因此在被擊穿前是一個(gè)常數(shù)。在正常摻雜濃度下,擊穿是由于pn結(jié)的反向偏置電壓高到一定的程度時(shí),少數(shù)載流子具有很大的能量,以致發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象,頓時(shí)產(chǎn)生大量的載流

7、子使電流猛增,失去整流的效應(yīng)。對(duì)用作整流器的二極管而言,耐反向電壓是個(gè)重要的指標(biāo),材料的電阻率愈高,耐壓愈高。單個(gè)硅的二極管的耐壓可達(dá)幾千伏。,二極管可用于整流、檢波、混頻、穩(wěn)壓、參量放大等。所用的材料為硅、鍺、硒、砷化鎵等。有的器件在pn結(jié)中間加一個(gè)高阻層,稱i層,這就是pin二極管。例如微波用的碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管(IMPATT)就是這種結(jié)構(gòu)。利用肖特基勢(shì)壘的二極管稱肖特基二極管。利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的二極管稱為異質(zhì)結(jié)二極管。

8、耿氏器件也有兩個(gè)端子,但沒(méi)有pn結(jié)也稱為耿氏二極管,它是利用電子的導(dǎo)電的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生微波振蕩,又稱轉(zhuǎn)移電子器件。作這種器件的材料有砷化鎵與磷化銦。,太陽(yáng)光是由不同頻率的電磁波所組成的。電磁波的能量可用hn 來(lái)表示,其中h為普朗克常數(shù),n為電磁波的頻率。當(dāng)太陽(yáng)光照到帶pn結(jié)的半導(dǎo)體表面時(shí),其中hn≥Eg,即能量大于其禁帶寬度的光就可以激發(fā)價(jià)帶中的電子,使之形成電子-空穴對(duì) 。這些電子與空穴受結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用,p區(qū)與n區(qū)的少數(shù)載子可穿過(guò)pn結(jié)

9、向?qū)Ψ搅鲃?dòng),也就是說(shuō),p區(qū)中的電子流入n區(qū) ,而p區(qū)中的空穴則受內(nèi)建電場(chǎng)的排斥則留p區(qū),n 區(qū)的少數(shù)載流子空穴也同樣流向p區(qū)。這樣pn結(jié)就起了分割載流子的作用而形成電勢(shì)。這種效應(yīng)稱為光生伏打效應(yīng)。將p區(qū)與n區(qū)用導(dǎo)線聯(lián)結(jié),就可形成電流,這就是太陽(yáng)電池發(fā)電的原理,見(jiàn)圖7.2。,7.3 太陽(yáng)電池 其基本結(jié)構(gòu)亦為pn結(jié),通常只有一個(gè)pn結(jié)。它的工作原理見(jiàn)圖7.2。,太陽(yáng)能電池的分類:,按運(yùn)用分:有空間電池和地面電池按材料分:有硅太陽(yáng)電池和化

10、合物太陽(yáng)電池。按工藝分:有常規(guī)制造工藝(熱擴(kuò)散)、外延結(jié)(液相外延和氣相外延)和化學(xué)氣相沉積。按PN結(jié)結(jié)構(gòu)分:有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、平面結(jié)、垂直結(jié)和多結(jié)電池。按光學(xué)特性分:聚光電池、背反射電池、紫光電池和絨面電池。,按照光伏電池材料的組成和結(jié)構(gòu),可以將其分成如下幾類:(1)單晶硅太陽(yáng)能電池(2)多晶硅太陽(yáng)能電池(3)非晶硅太陽(yáng)能電池(4)多元化合物太陽(yáng)能電池(5)聚光太陽(yáng)能電池下面將按材料組成和結(jié)構(gòu)予以較詳細(xì)的分類。,按材

11、料組成和結(jié)構(gòu)分類:,單晶硅太陽(yáng)能電池變換效率最高,已達(dá)20%以上,但價(jià)格也最貴。非晶態(tài)硅太陽(yáng)電池變換效率最低,但價(jià)格最便宜,今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池。一旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到10%,每瓦發(fā)電設(shè)備價(jià)格降到1-2美元時(shí),便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽(yáng)電池效率要高得多。如美國(guó)波音公司開(kāi)發(fā)的由砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽(yáng)能電池,光電變換效率可達(dá)36%,快趕上了燃煤發(fā)電的效率,但是

12、由于它太貴,目前只能限于在衛(wèi)星上使用。,不同太陽(yáng)能電池的市占率,2005 年世界光伏市場(chǎng)中,各種太陽(yáng)電池占據(jù)的比重[2],當(dāng)今的光伏技術(shù)中,硅太陽(yáng)能電池技術(shù)是主要技術(shù)。圖 1 給出了 2005 年,世界光伏市場(chǎng)中,硅太陽(yáng)能電池占據(jù)的比重為 87%[2]。硅是地殼中含量第二的元素,所以,生產(chǎn)硅太陽(yáng)電池的原材料非常容易獲得。而且硅太陽(yáng)電池的性能穩(wěn)定,使用壽命長(zhǎng)。由于硅太陽(yáng)電池技術(shù)是建立在半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)之上,所以,這個(gè)技術(shù)被普遍地接受和理解

13、。 目前,盡管硅太陽(yáng)電池在光伏領(lǐng)域中占據(jù)主要地位,但是在能源供應(yīng)中并不是主要的供應(yīng)來(lái)源。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,它還僅僅是一種輔助供應(yīng)能源的方式。與水電,火電和核電相比,硅太陽(yáng)能電池的電力價(jià)格是比較高的,所以,它的成本回收周期需要很長(zhǎng)時(shí)間。居高不下的成本是限制硅太陽(yáng)電池成為主要供能方式的關(guān)鍵因素。,首先我們先看 E-B間的pn結(jié),根據(jù)3.2節(jié)所述,它處于正向偏置,即pn結(jié)的導(dǎo)通方向,有大量的空穴由發(fā)射極E進(jìn)入n區(qū),我們?cè)倏纯戳硪粋€(gè)p

14、n結(jié),根據(jù)其電源的接法屬于反向偏置,即n區(qū)的電子受電場(chǎng)的作用不能進(jìn)入p區(qū),但空穴可自由地進(jìn)入p區(qū)。于是從E處到達(dá)n區(qū)的空穴就在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入p區(qū)而到達(dá)C極,即收集極。從而在反向偏置的pn結(jié)中產(chǎn)生了電流,這就是晶體管工作的基礎(chǔ)。通過(guò)專門的設(shè)計(jì),特別是把中間的基區(qū)作得很薄,使從發(fā)射極注入的載流子在基極內(nèi)被復(fù)合得很少,大部分進(jìn)入到收集極,使其電流接近于發(fā)射極電流,而且隨發(fā)射極的電流變化而變化,這雖對(duì)電流未起放大作用,但由于B-C 間處于反

15、向偏置、反向電阻很高,于是產(chǎn)生電壓放大和功率放大的作用。其放大倍數(shù)可達(dá)1000以上。,7.4 晶體三極管,是用半導(dǎo)體材料制成的具有三個(gè)端子的器件,簡(jiǎn)稱晶體管。它是重要的分立器件、也是構(gòu)成集成電路的主要元件。晶體三極管的種類很多,基本可分為兩大類:結(jié)型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。,7.4.1 結(jié)型晶體管,它有兩個(gè)pn結(jié),于是就有兩種結(jié)構(gòu),即npn或pnp?,F(xiàn)以pnp為例來(lái)說(shuō)明基本工作原理(見(jiàn)圖7.3)。,一種電壓控制的器件,其原理如圖7.4 所

16、示。例如是在一塊n型半導(dǎo)體薄片的上下兩邊,各作一個(gè)重?fù)絧型層以p+示之。所形成的電極稱為柵極(G),p+與n型材料之間形成pn結(jié)。對(duì)這兩個(gè)柵極施加反向偏置,根據(jù)前面所述的結(jié)pn原理,此時(shí)的pn結(jié)的空間電荷區(qū)要擴(kuò)張,見(jiàn)圖內(nèi)虛線所示,這樣在這個(gè)電荷區(qū)之間便形成一個(gè)溝道。于是就可以調(diào)節(jié)從源(S )到漏(D)之間的電阻,直至完全關(guān)斷。,7.4.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,因?yàn)檫@種類型的晶體管只靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,與少數(shù)載流子的壽命無(wú)關(guān),少數(shù)載流子壽命短的

17、材料也可制作這類器件。用作此種晶體管的材料有硅、砷化鎵等。與其類似的還有肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所有的場(chǎng)效應(yīng)管,只有一種載流子(電子或空穴)參加導(dǎo)電故稱為單極型晶體管。而上述的結(jié)型晶體管有兩種載流子,即空穴與電子同時(shí)參加導(dǎo)電,故稱雙極型晶體管。,圖7.5 發(fā)光二極管發(fā)光原理示意圖(外加正向偏壓時(shí)),7.5 發(fā)光二極管,是利用pn結(jié)進(jìn)行發(fā)光的器件,當(dāng)向其pn結(jié)通入正向電流時(shí),可發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光。我們?cè)谇懊?/p>

18、已經(jīng)說(shuō)過(guò),半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶間存在著禁帶。導(dǎo)帶中的電子數(shù)與價(jià)帶中的空穴數(shù)取決于材料的禁帶寬度、溫度與雜質(zhì),當(dāng)這些條件被確定并達(dá)到平衡后,其載流子濃度即為常數(shù),這種載流子稱為平衡載流子。要想實(shí)現(xiàn)發(fā)光必需要有某種激發(fā)過(guò)程以不斷提供過(guò)剩的載流子,也稱非平衡載流子,通過(guò)這些非平衡載流子的復(fù)合以實(shí)現(xiàn)發(fā)光。,所謂復(fù)合,就是被激活的電子又回到價(jià)帶與空穴復(fù)合并釋放出能量。要想使這個(gè)過(guò)程能不斷地發(fā)生,可以通過(guò)pn結(jié),如圖7.5所示。,當(dāng)在結(jié)上加上正

19、向電壓時(shí),大量的空穴進(jìn)入p區(qū),大量的電子流入n 區(qū),這就可形 成不斷復(fù)合、不斷提供載流子的過(guò)程。如果禁帶是直接躍遷型的(即直接禁帶),那么這復(fù)合所釋放的能量就可以變成光,光的波長(zhǎng)l 為:l =hc/Eg (7-1)其中h為普朗克常數(shù); c為光速;Eg為禁帶寬度。因h與c均為常數(shù) ,如Eg的單位為電子伏(eV)時(shí),l=1240/Eg (nm) (7-2)如果材料的禁帶是間

20、接型的,電子與空穴直接復(fù)合的幾率很小,是通過(guò)聲子進(jìn)行復(fù)合,而聲子把能量傳給晶格,造成材料發(fā)熱,這就形成了非輻射復(fù)合。所以多采用直接禁帶材料作發(fā)光二極管,對(duì)某些間接禁帶材料只有采取專門的措施,才能用于發(fā)光。,可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為390~760nm,根據(jù)(7-2)式計(jì)算,應(yīng)選擇禁帶寬度在1.64~3.18eV之間的半導(dǎo)體。硅、鍺的禁帶寬度小,且為間接禁帶,不能作發(fā)光二極管材料。GaAs是直接禁帶,其禁帶寬度為1.43eV,是良好的紅外發(fā)光管

21、材料,該器件已批量生產(chǎn)。在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)使用的半導(dǎo)體材料有GaP、GaN、SiC及各種固溶體。固溶體在發(fā)光二極管中得到大量應(yīng)用的原因是可以利用其組成的變化來(lái)調(diào)整其禁帶寬度,表7.2列出了發(fā)光二極管所用的主要半導(dǎo)體材料及其結(jié)構(gòu)。磷化鎵的禁帶寬度為2.26eV,但它的禁帶是間接型的。為了提高GaP的發(fā)光效率,在其中摻入N或Zn-O對(duì),這些雜質(zhì)在其中可形成等電子陷阱,通過(guò)這種陷阱所形成束縛激子的復(fù)合亦可發(fā)光。這方面的機(jī)理已超出本書(shū)范圍,所

22、以只在這里提一下。GaP是發(fā)光二極管使用最多的晶體材料。,表7.2 發(fā)光二極管的主要材料結(jié)構(gòu)與發(fā)光性能,長(zhǎng)期困擾發(fā)光二極管發(fā)展的一個(gè)難題是它發(fā)光的顏色不全:只有紅色、橙色、黃色、黃綠色,沒(méi)有純綠色及藍(lán)色的產(chǎn)品。根據(jù)三基色的原理,缺少這兩種顏色就不能形成全色顯示。 最近這一難題在氮化鎵材 料上獲得了突破。GaN的 禁帶寬度為3.39eV ,以 此為基礎(chǔ),可制出短波長(zhǎng)的 發(fā)光二極管,但長(zhǎng)期由于無(wú)法進(jìn)行p型摻雜而未能 實(shí)現(xiàn)。于1989

23、年發(fā)現(xiàn)了對(duì)摻Mg的GaN進(jìn)行專門的處理,可獲得低阻p型材料。最近利用GaInN固溶體已制成純綠色和純藍(lán)色發(fā)光管。并有相當(dāng)高的發(fā)光效率。在這里,材料工藝起了重要的作用,除了上述的突破外,大批量的外延生長(zhǎng)并保證其性能有高度的均勻性、一致性,以及單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱的生長(zhǎng)技術(shù)等對(duì)制作發(fā)光管都是很重要的。,人類的視覺(jué)對(duì)不同顏色的光也就是不同波長(zhǎng)的光的感受能力不同,稱為視感度又稱流明效率。圖7.6示出主要發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)與視感度的

24、相互關(guān)系。發(fā)光二極管是重要的顯示器件。是目前生產(chǎn)規(guī)模最大的化合物半導(dǎo)體器件。,半導(dǎo)體材料可用來(lái)制作激光發(fā)射器件,它的激發(fā)方式有兩種,一種是電注入激光二極管,它是靠電能直接激發(fā)發(fā)射出激光,另一種則靠光泵進(jìn)行激發(fā)。注入式激光二極管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7.7所示。當(dāng)向pn結(jié)施加正向偏置時(shí),根據(jù)上述發(fā)光二極管的原理可產(chǎn)生pn結(jié)發(fā)光,這種發(fā)光屬于上述的自發(fā)發(fā)射。如果繼續(xù)提高電壓與電流有可能產(chǎn)生受激發(fā)射,而產(chǎn)生激光。對(duì)注入式激光二極管而言,產(chǎn)生這種受

25、激發(fā)射的條件是:半導(dǎo)體材料應(yīng)具有直接禁帶,產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),具有光諧振腔。,圖7.7 激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖,7.6 激光二極管,只有在直接禁帶的半導(dǎo)體材料中,電子與空穴直接復(fù)合幾率才能很高。激光是高密度的單色光,沒(méi)有很高的復(fù)合幾率是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所謂粒子的反轉(zhuǎn),對(duì)半導(dǎo)體而言,就是導(dǎo)帶中能級(jí)上電子的占有率大于價(jià)帶中相對(duì)應(yīng)能級(jí)的占有率。,我們知道,在沒(méi)有電場(chǎng)的作用下,導(dǎo)帶中各能級(jí)的電子占有率要比價(jià)帶中能級(jí)的電子占有率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)激光二

26、極管的正向電流大于 一定數(shù)值時(shí),大量的電子與空穴被注入,就可能產(chǎn)生這種“反轉(zhuǎn)”,當(dāng)受到能量為Eg = hn 的光量子作用時(shí)(這種光量子也可能來(lái)自自發(fā)發(fā)射)就產(chǎn)生受激發(fā)射。諧振腔是由厚度為幾十微米的pn結(jié)和與結(jié)面垂直的兩組平面構(gòu)成諧振腔(見(jiàn)圖7.7)。上面所說(shuō)的當(dāng)電流增大到一定臨界值時(shí)就產(chǎn)生激光發(fā)射,這個(gè)臨界電流值稱為閾值電流,這時(shí),光功率與電流的關(guān)系發(fā)生突變,如圖7.8。,圖7.8 激光二極管的電流與光輸出的關(guān)系,圖7.7 激光二

27、極管結(jié)構(gòu)示意圖,上述這種簡(jiǎn)單的激光二極管由于它的閾值電流較大,在室溫下,還未達(dá)到閾值電流時(shí),二極管就因電流過(guò)大而形成 的溫升所燒毀,因此只能在液氮下工作。進(jìn)一步的改進(jìn)是采用異質(zhì)結(jié);開(kāi)始是單異 質(zhì)結(jié),然后是雙異質(zhì)結(jié)。雙異質(zhì)結(jié)是把一種具有直接禁帶的薄層材料生長(zhǎng)在兩個(gè)禁帶寬度比它大的材料之間(直接或間接禁帶均可),圖7.9示出了 n-GaAlAs/p-GaAs/p-GaAlAs的結(jié)構(gòu)及原理。這種異質(zhì)結(jié)可以在電學(xué)與光學(xué)上起雙重作用,一方面

28、由于外部材料的禁帶比較寬,可以把載流子限制在結(jié)區(qū)內(nèi),使其更有利于發(fā)光,同時(shí)由于兩種材料的折射率不同,使光限制在有源區(qū)內(nèi)。采用這種方法,獲得了激光二極管的室溫連續(xù)發(fā)射。,圖7.9 雙異質(zhì)結(jié)激光二極管工作原理示意圖,再進(jìn)一步的發(fā)展則是采用量子阱結(jié)構(gòu)。如果我們把雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中間薄層的厚度進(jìn)一步減薄至10nm左右,即達(dá)到電子的德布子羅意波長(zhǎng)的范圍內(nèi),就形成了量子阱結(jié)構(gòu),電子在垂直于異質(zhì)結(jié)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)就被量子化。采用這種結(jié)構(gòu)就進(jìn)一步地降低閾值電流

29、,也可改善光的單色性,并可對(duì)光的波長(zhǎng)進(jìn)行一些調(diào)節(jié)。為了增加有源區(qū)的厚度,可作成多量子阱結(jié)構(gòu)。許多直接禁帶半導(dǎo)體材料都可以用來(lái)制作激光二極管的有源層,根據(jù)所需的波長(zhǎng)不同,常選用固溶體材料,圖列出了一些固溶體的發(fā)光波長(zhǎng)。常用的襯底材料有GaAs、InP、GaSb等。半導(dǎo)體激光二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接用電進(jìn)行激發(fā)、便于調(diào)制、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在光通訊、測(cè)距、制導(dǎo)、光存儲(chǔ)、激光 打印 、條碼掃描、 CD唱盤等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著信

30、息技術(shù)的發(fā)展,將會(huì)有更美好的前景。,圖7.10 一些固溶體材料的激光波長(zhǎng),波長(zhǎng)(mm),7.7 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)型集成電路,集成電路的種類很多,其中單片式電路可分為MOS 型電路與雙極型電路兩大類。MOS是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor)的簡(jiǎn)稱,由它們構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(見(jiàn)7.4.2)與電阻、電容等元件所組成。,圖7.11 示出了MOS電路結(jié)構(gòu)的示意圖,這里顯示出的只是一個(gè)晶體管

31、,將它們聯(lián)結(jié)可組成各種電路。,金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)型集成電路可分為PMOS、NMOS、CMOS等??縉型型溝道工作的稱NMOS;相反,如靠P型溝道工作的,稱PMOS,如圖7.11(a),如果一個(gè)NMOS與一個(gè)PMOS組合成一個(gè)單元?jiǎng)t稱為CMOS,見(jiàn)圖7.11(c),C是complementary,即互補(bǔ)(補(bǔ)充)的意思,所以CMOS可譯成互補(bǔ)型金屬-氧化物-半導(dǎo)體。MOS型電路具有工藝簡(jiǎn)單、容易制作高集成度電路、功耗低等

32、優(yōu)點(diǎn),因此它的產(chǎn)量大,現(xiàn)在的超大規(guī)模、特大規(guī)模集成電路都是MOS型。,是把多個(gè)4.7.1節(jié)所述的結(jié)型晶體管與電阻電容等元件作在一個(gè)硅片上。它的單元結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7.12。由圖可見(jiàn),在p型襯底上先用擴(kuò)散等方法作成重?fù)降膎型埋層,然后再進(jìn)行外延獲得n型外延層。因此外延是制作雙極型電路的手段。從發(fā)射極(E)到基極(B)之間是np組成pn結(jié),然后基極與收集極(C)之間是靠基極的p區(qū)與外延層形成的pn結(jié),而C區(qū)的的n+層則起導(dǎo)電作用。而兩邊

33、兩個(gè)p+區(qū)是利用它 與外延層所形成pn結(jié)起到晶體管與晶體管或其他元件間的隔離作用。雙極型電路的速度快,工作頻率高。缺點(diǎn)是功耗大,集成度相對(duì)比較低 ,用量沒(méi)有MOS大。,圖7.12 雙極型電路單元結(jié)構(gòu)示意圖 B-基極;E- 發(fā)射極;C-收集極。,7.8 雙極型集成電路,半導(dǎo)體材料已顯示出它的許多獨(dú)特的性能,得到了廣泛的應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上建立了龐大的產(chǎn)業(yè),引起了社會(huì)的巨大變革。那么它的發(fā)展是否已達(dá)到了頂峰?我們認(rèn)為,它的潛力還很大,

34、基于以下一些原因,在可望的將來(lái),它仍將高速發(fā)展,它在人類社會(huì)中的地位將變得更為重要。(1)微電子學(xué)、光電子學(xué)都將以很高的速度繼續(xù)發(fā)展。其中集成電路的集成度以每3年增大4倍的速度繼續(xù)發(fā)展,其市場(chǎng)平均增長(zhǎng)率為15%左右。信息高速公路,即國(guó)家的以及全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施是人類歷史上空前的巨大工程。這為研究開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體,擴(kuò)大半導(dǎo)體材料市場(chǎng)開(kāi)辟了廣闊的天地。估計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái),信息產(chǎn)業(yè)將成為全球的第一大產(chǎn)業(yè)。這個(gè)產(chǎn)業(yè)除本身的價(jià)值外,還會(huì)對(duì)其他產(chǎn)業(yè)起

35、增值的作用。(2)半導(dǎo)體在軍事技術(shù)上的應(yīng)用日益重要。有人稱海灣戰(zhàn)爭(zhēng)是半導(dǎo)體芯片戰(zhàn)勝鋼鐵的戰(zhàn)爭(zhēng)。在這次戰(zhàn)爭(zhēng)以后,許多國(guó)家都投入很大的力量,進(jìn)行軍事電子學(xué)及其所需的半導(dǎo)體材料的研究。這對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步起重要的推動(dòng)作用。(3)新技術(shù)的發(fā)展將有賴于半導(dǎo)體技術(shù)。生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已使許多生產(chǎn)過(guò)程由機(jī)器人、機(jī)械手來(lái)完成,這不但大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,而且改變著生產(chǎn)的面貌,這個(gè)趨勢(shì)將帶動(dòng)半導(dǎo)體的發(fā)展。另外,能源與人類生活關(guān)系密切,太陽(yáng)電池發(fā)

36、電是無(wú)污染的可再生能源的一種,同時(shí)半導(dǎo)體電力電子器件又可顯著地節(jié)約能源。,第8章  展望,(4)半導(dǎo)體的新材料、新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象為今后發(fā)展開(kāi)拓了新的方向。以量子阱、超晶格為代表的“能帶工程”才剛剛起步。一些新的器件如單電子晶體管等都會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料提出新的要求。多孔硅的發(fā)光等新現(xiàn)象還會(huì)不斷的出現(xiàn)。所有這些方面都會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體材料向新的階段發(fā)展。據(jù)此,我們認(rèn)為半導(dǎo)體材料的主要發(fā)展趨勢(shì)如下所述。(1)硅的優(yōu)勢(shì)地位在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)不會(huì)發(fā)生顯著的

37、變化。因?yàn)榧呻娐匪玫墓璨牧险计涫袌?chǎng)的80%以上,而集成電路仍在高速度向前發(fā)展。而且在一些領(lǐng)域,如電力電子器件,尚無(wú)其他材料可取代硅。硅外延片所占的比例將會(huì)明顯地增大,SOI材料和SiGe/Si材料將會(huì)得到較大的發(fā)展。(2)化合物半導(dǎo)體材料在品種上、品質(zhì)上將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展,發(fā)展的重點(diǎn)將是GaAs、InP、GaN 等III-V族化合物以及ZnSe、CdTe、HgCdTe等II-VI族化合物。(3)大直徑單晶制備技術(shù)及超精度晶片加

38、工工藝將得到進(jìn)一步的發(fā)展。硅單晶的直徑已達(dá)300mm,正在研究開(kāi)發(fā)直徑400mm的硅單晶及硅片。而化合物半導(dǎo)體單晶的直徑也將增大。目前存在的增大直徑的問(wèn)題將會(huì)得到解決。晶片的幾何精度、表面質(zhì)量、表面潔凈度都將得到改善。(4)在低維結(jié)構(gòu)材料方面,將會(huì)有更多的材料與結(jié)構(gòu),其應(yīng)用也將擴(kuò)大,特別是在光電子學(xué)方面。因此量子阱、超晶格的制備技術(shù),尤其是其批量生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)有所突破。(5)隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展,相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)也將得到發(fā)展,如精度達(dá)

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 眾賞文庫(kù)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論