半導體材料的使用方法?引言上世紀中葉，單晶矽和半導體晶體管的發明及其矽集成電路的研制成功，導緻了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術産業，使人類進入了信息時代超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”，我來為大家講解一下關于半導體材料的使用方法?跟着小編一起來看一看吧!

半導體材料的使用方法

引言

上世紀中葉，單晶矽和半導體晶體管的發明及其矽集成電路的研制成功，導緻了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術産業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。

半導體定義

我們通常把導電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體（insulator）。

把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體（conductor）。

常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料稱為半導體（semiconductor）。

與導體和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。

發展曆史

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電阻随着溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻随溫度升高而增加，但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是随着溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會産生一個電壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特征。

1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，(jianxia霍爾效應的餘績──四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先後被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整效應，也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

很多人會疑問，為什麼半導體被認可需要這麼多年呢？主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關的問題就難以說清楚。

半導體分類

按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。

鍺和矽是最常用的元素半導體；化合物半導體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物）,以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（镓鋁砷、镓砷磷等）。

按照其制造技術，半導體的分類可分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模拟IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。

半導體的特點

半導體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。

在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質元素，導電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。

半導體工作原理

本征半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶，受到熱激發後，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子後成為導帶，價帶中缺少一個電子後形成一個帶正電的空位，稱為空穴。

空穴導電并不是實際運動，而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。它們在外電場作用下産生定向運動而形成宏觀電流，分别稱為電子導電和空穴導電。

這種由于電子-空穴對的産生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射（發光）或晶格的熱振動能量（發熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的産生和複合同時存在并達到動态平衡，此時半導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，将産生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純淨半導體的電阻率較大，實際應用不多。

摻雜半導體

半導體之所以能廣泛應用在今日的數位世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質改變其電性，這個過程稱之為摻雜（doping）。

半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時，雜質原子附近的周期勢場受到幹擾并形成附加的束縛狀态，在禁帶中産生附加的雜質能級。例如四價元素鍺或矽晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或矽）原子形成共價結合，多餘的一個電子被束縛于雜質原子附近，産生類氫能級。雜質能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主，相應能級稱為施主能級。

摻雜進入本質半導體（intrinsicsemiconductor）的雜質濃度與極性皆會對半導體的導電特性産生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質半導體（extrinsicsemiconductor）。

雜質半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合适的雜質元素，可得到雜質半導體。

P型半導體：在純淨的矽晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了P型半導體。

多數載流子：P型半導體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。

少數載流子：P型半導體中，自由電子為少數載流子，簡稱少子。

受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。

P型半導體的導電特性：它是靠空穴導電，摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能也就越強。

N型半導體：在純淨的矽晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中矽原子的位置形成N型半導體。

多子：N型半導體中，多子為自由電子。

少子：N型半導體中，少子為空穴。

施主原子：雜質原子可以提供電子，稱施主原子。

N型半導體的導電特性：摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。

半導體摻雜物

摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來的價電子（valence electrons）大多會與被摻雜的材料原子産生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子産生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。

和本質半導體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，産生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子後隻會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多餘電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-type semiconductor），n代表帶負電荷的電子。

和施主相對的，受主原子進入半導體晶格後，因為其價電子數目比半導體原子的價電子數量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜後的半導體稱為p型半導體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。

以一個矽的本質半導體來說明摻雜的影響。矽有四個價電子，常用于矽的摻雜物有三價與五價的元素。當隻有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至矽半導體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的矽半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至矽半導體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的矽半導體成為n型半導體。

一個半導體材料有可能先後摻雜施主與受主，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜後的半導體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的“多數載子”（majoritycarrier）。和多數載子相對的是少數載子（minoritycarrier）。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數載子在半導體中的行為有着非常重要的地位。

摻雜對結構的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方産生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方産生新的能階。假設摻雜硼原子進入矽，則因為硼的能階到矽的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于矽本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原子完全解離化（ionize）。

摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀态下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-n junction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面後其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。

上述的效應可以用能帶圖（banddiagram）來解釋，。在能帶圖裡橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質費米能階（intrinsicFermi level）通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。

PN結

P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區域稱為PN結。P區中的自由空穴和N區中的自由電子要向對方區域擴散，造成正負電荷在PN 結兩側的積累，形成電偶極層(圖4)。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區和N區之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P 區中的空穴向N區擴散後與N區中的電子複合，而N區中的電子向P區擴散後與P 區中的空穴複合，這使電偶極層中自由載流子數減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。

PN結具有單向導電性，半導體整流管就是利用PN結的這一特性制成的。

PN結的另一重要性質是受到光照後能産生電動勢，稱光生伏打效應，可利用來制造光電池。半導體三極管、可控矽、PN結光敏器件和發光二極管等半導體器件均利用了PN結的特性。

PN結的單向導電性：P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上，呈現很小的電阻，稱之為導通狀态。P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結反偏，此時PN結處于截止狀态，如同開關打開。結電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結會發生擊穿而損壞。

半導體材料的制造

為了滿足量産上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。

目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程将一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質将會沿着固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。

半導體的應用

1.最早的實用半導體是電晶體（Transistor）/二極體（Diode）。在無線電收音機（Radio）及電視機（Television）半導體中，作為訊号放大器/整流器用。

2.發展太陽能（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。

3.半導體可以用來測量溫度，測溫範圍可以達到生産、生活、醫療衛生、科研教學等應用的70%的領域，有較高的準确度和穩定性，分辨率可達0.1℃，甚至達到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測溫範圍-100~ 300℃，是性價比極高的一種測溫元件。

4.半導體緻冷器的發展,它也叫熱電緻冷器或溫差緻冷器,它采用了帕爾貼效應.

中國半導體器件型号命名方法

半導體器件型号由五部分（場效應器件、半導體特殊器件、複合管、PIN型管、激光器件的型号命名隻有第三、四、五部分）組成。五個部分意義如下：

第一部分：用數字表示半導體器件有效電極數目。2-二極管、3-三極管；

第二部分：用漢語拼音字母表示半導體器件的材料和極性。表示二極管時：A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型矽材料、D-P型矽材料。表示三極管時：A-PNP型鍺材料、B-NPN型鍺材料、C-PNP型矽材料、D-NPN型矽材料。

第三部分：用漢語拼音字母表示半導體器件的内型。P-普通管、V-微波管、W-穩壓管、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-開關管、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-半導體晶閘管（可控整流器）、Y-體效應器件、B-雪崩管、J-階躍恢複管、CS-場效應管、BT-半導體特殊器件、FH-複合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。

第四部分：用數字表示序号；

第五部分：用漢語拼音字母表示規格号；

例如：3DG18表示NPN型矽材料高頻三極管

日本半導體分立器件型号命名方法

日本生産的半導體分立器件，由五至七部分組成。通常隻用到前五個部分，其各部分的符号意義如下：

第一部分：用數字表示器件有效電極數目或類型。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pn結的其他器件、3-具有四個有效電極或具有三個pn結的其他器件、┄┄依此類推。

第二部分：日本電子工業協會JEIA注冊标志。S-表示已在日本電子工業協會JEIA注冊登記的半導體分立器件。

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控制極可控矽、G-N控制極可控矽、H-N基極單結晶體管、J-P溝道場效應管、K-N 溝道場效應管、M-雙向可控矽。

第四部分：用數字表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序号。兩位以上的整數-從“11”開始，表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序号；不同公司的性能相同的器件可以使用同一順序号；數字越大，越是最新産品。

第五部分：用字母表示同一型号的改進型産品标志。A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型号産品的改進産品。

美國半導體分立器件型号命名方法

美國晶體管或其他半導體器件的命名法較混亂。美國電子工業協會半導體分立器件命名方法如下：

第一部分：用符号表示器件用途的類型。JAN-軍級、JANTX-特軍級、JANTXV-超特軍級、JANS-宇航級、（無）-非軍用品。

第二部分：用數字表示pn結數目。1-二極管、2=三極管、3-三個pn結器件、n-n個pn結器件。

第三部分：美國電子工業協會（EIA）注冊标志。N-該器件已在美國電子工業協會（EIA）注冊登記。

第四部分：美國電子工業協會登記順序号。多位數字-該器件在美國電子工業協會登記的順序号。

第五部分：用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-同一型号器件的不同檔别。如：JAN2N3251A表示PNP矽高頻小功率開關三極管，JAN-軍級、2-三極管、N-EIA 注冊标志、3251-EIA登記順序号、A-2N3251A檔。

國際電子聯合會半導體型号命名方法

德國、法國、意大利、荷蘭、比利時等歐洲國家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國家，大都采用國際電子聯合會半導體分立器件型号命名方法。這種命名方法由四個基本部分組成，各部分的符号及意義如下：

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 如矽、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化镓、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如銻化铟、E-器件使用複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-檢波開關混頻二極管、B-變容二極管、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-複合器件及其他器件、H-磁敏二極管、K-開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-發光器件、R-小功率晶閘管、S-小功率開關管、T-大功率晶閘管、U-大功率開關管、X-倍增二極管、Y-整流二極管、Z-穩壓二極管。

第三部分：用數字或字母加數字表示登記号。三位數字-代表通用半導體器件的登記序号、一個字母加二位數字-表示專用半導體器件的登記序号。

第四部分：用字母對同一類型号器件進行分檔。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型号的器件按某一參數進行分檔的标志。

除四個基本部分外，有時還加後綴，以區别特性或進一步分類。常見後綴如下：

1．穩壓二極管型号的後綴。其後綴的第一部分是一個字母，表示穩定電壓值的容許誤差範圍，字母A、B、C、D、E分别表示容許誤差為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%；其後綴第二部分是數字，表示标稱穩定電壓的整數數值；後綴的第三部分是字母V，代表小數點，字母V之後的數字為穩壓管标稱穩定電壓的小數值。

2．整流二極管後綴是數字，表示器件的最大反向峰值耐壓值，單位是伏特。

3．晶閘管型号的後綴也是數字，通常标出最大反向峰值耐壓值和最大反向關斷電壓中數值較小的那個電壓值。

如：BDX51-表示NPN矽低頻大功率三極管，AF239S-表示PNP鍺高頻小功率三極管。

歐洲早期半導體分立器件型号命名法

歐洲有些國家命名方法

第一部分：O-表示半導體器件

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-穩壓管、RP-光電器件。

第三部分：多位數字-表示器件的登記序号。

第四部分：A、B、C┄┄-表示同一型号器件的變型産品。

半導體與集成電路的關系

半導體是指導電性能介于導體和絕緣體之間的材料。我們知道，電路之所以具有某種功能，主要是因為其内部有電流的各種變化，而之所以形成電流，主要是因為有電子在金屬線路和電子元件之間流動（運動/遷移）。所以，電子在材料中運動的難易程度，決定了其導電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發生運動，因此其導電性能好；絕緣體由于其材料本身特性，電子很難獲得導電所需能量，其内部很少電子可以遷移，因此幾乎不導電。而半導體材料的導電特性則介于這兩者之間，并且可以通過摻入雜質來改變其導電性能，人為控制它導電或者不導電以及導電的容易程度。這一點稱之為半導體的可摻雜特性。

前面說過，集成電路的基礎是晶體管，發明了晶體管才有可能創造出集成電路，而晶體管的基礎則是半導體，因此半導體也是集成電路的基礎。半導體之于集成電路，如同土地之于城市。很明顯，山地、丘陵多者不适合建造城市，沙化土壤、石灰岩多的地方也不适合建造城市。“建造”城市需要選一塊好地，“集成”電路也需要一塊合适的基礎材料——就是半導體。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化镓（化合物），其中應用最廣的、商用化最成功的當推“矽”。

那麼半導體，特别是矽，為什麼适合制造集成電路呢？有多方面的原因。矽是地殼中最豐富的元素，僅次于氧。自然界中的岩石、砂礫等存在大量矽酸鹽或二氧化矽，這是原料成本方面的原因。矽的可摻雜特性容易控制，容易制造出符合要求的晶體管，這是電路原理方面的原因。矽經過氧化所形成的二氧化矽性能穩定，能夠作為半導體器件中所需的優良的絕緣膜使用，這是器件結構方面的原因。最關鍵的一點還是在于集成電路的平面工藝，矽更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝，更方便集成，其性能更容易得到控制。因此後續主要介紹的也是基于矽的集成電路知識，對矽晶體管和集成電路工藝有了解後，會更容易理解這個問題。

除了可摻雜性之外，半導體還具有熱敏性、光敏性、負電阻率溫度、可整流等幾個特性，因此半導體材料除了用于制造大規模集成電路之外，還可以用于功率器件、光電器件、壓力傳感器、熱電制冷等用途；利用微電子的超微細加工技術，還可以制成MEMS（微機械電子系統），應用在電子、醫療領域。

半導體未來發展

以GaN（氮化镓）為代表的第三代半導體材料及器件的開發是新興半導體産業的核心和基礎，其研究開發呈現出日新月異的發展勢态。GaN基光電器件中，藍色發光二極管LED率先實現商品化生産 成功開發藍光LED和LD之後，科研方向轉移到GaN紫外光探測器上GaN材料在微波功率方面也有相當大的應用市場。氮化镓半導體開關被譽為半導體芯片設計上一個新的裡程碑。美國佛羅裡達大學的科學家已經開發出一種可用于制造新型電子開關的重要器件，這種電子開關可以提供平穩、無間斷電源。

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