电子材料-半导体与积体电路

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1、電子材料-半導體與積體電路邱智藻副教授環生學院應用化學與材料科學系大綱•什麼是半導體(semiconductors)•半導體與日常生活--半導體元件(devices)•單晶矽晶圓的製作(single-crystalSiwafers)•什麼是積體電路(IntegratedCircuits:IC)什麼是半導體?(semiconductors)半導體的特性•導電度介於導体和絕緣體之間的物質•導電度很容易因外在的因素而改變，例如：添加的雜質、溫度、光的照射激發、外加電場等。導電度•導電度為材料的特性參數：為材料傳導電流的容易程度

2、•導體：(金屬)導電度高於104(Ωm)-1•絕緣體：(陶瓷、高分子)導電度低於10-8(Ωm)-1•半導體：(Si、Ge、GaAs…….)介於兩者之間最導電的物質?銀導電性：比較•室溫下之值(Ohm-m)-1-1=(-m)金屬導體銀6.8x107陶瓷絕緣體銅6.0x107-10-10-11鈉鈣玻璃10鐵1.0x107混凝土10-9氧化鋁<10-13半導體矽4x10-4高分子0-14鍺2x10聚苯乙烯<10砷化鎵10-6-15-17聚乙烯10-10SelectedvaluesfromTables18.1,18.3,an

3、d18.4,Callister7e.6導電度因外在的因素而改變410s0.0052at%B3101-2doped10m)0.0013at%B-1100(Ohm10pure-1(undoped)10electricalconductivity,-210501001000T(K)週期表半導體的種類•本質半導體(intrinsicsemiconductor):沒有參雜其他元素的半導體；導電度低；沒有實際的用途•異質半導體(intrinsicsemiconductor):參雜其他元素的半導體半導體的種類元素半導體:Si(矽),G

4、e(鍺)(週期表中4A族的元素)化合物半導體:主要是IIIV族或IIVI族還可分為二元(化合物)半導體例如GaAs(砷化鎵)，InAs，GaN，ZnS三元(化合物)半導體例如氮化銦鎵GaInN四元(化合物)半導體例如鏻化鋁鎵銦A1GaInP異質半導體n形半導體(n-semiconductor):參雜5A6A的元素:因為化學鍵中有多餘的電子，這些電子形成自由電子，導電度增高，p形半導體(p-semiconductor):參雜2A3A的元素:因為化學鍵中少了的電子，換句話說有了多餘的電洞(hole)，因為這些可自由移動的電洞

5、，導電度增高半導體與日常生活？半導體的應用種類材料應用元素Si積體電路(IntegratedCircuits)太陽能電池(Solarcells)微機電元件(MEMS)化合物GaAs高速、高頻積體電路(RFICs)InAs發光二極體(LightEmittingDiodes)AlGaAs光感測器(Photodetectors)GaN半導體雷射(SemiconductorLaser)ZnS平面顯示器(FlatPanelDisplays)個人電子用品交通運輸太空站電冰箱半導體能作什麼？•Sensing(感測)•?Control(

6、控制)•?Calculation(運算)•?Memory(記憶)•?Display(顯示:電→光)•?Electricity(電力:光→電)半導體元件(SemiconductorDevices)半導體元件•半導體元件是利用半導體材料的電特性而作出的電子儀器•所謂半導體材料『最主要是矽(Si)』•在大部分電路的應用中，半導體元件取代了真空管中熱離子功能，以固態電子的傳導取代了氣態中熱離子傳導的特性真空管•真空管（Vacuumtube）是一種電子元件（或作：電子零件）。因為參與工作的電極被封裝在一個真空的(主流是玻璃)容器內

7、，所以被稱為真空管。•真空管的原理是陰極金屬板放射出電子，由另一端的陽極金屬板接收。半導體元件的發明(1956諾貝爾物理獎得主)真空管vs固態電子元件0.5cm常見的半導體元件•pn二極體(pndiode)具有整流的功能，可將交流電轉換成直流電，具有電腦數位化0,1的二元功能•MOSFET電晶體:金屬-氧化物-半導體場效電晶體：現代積體電路中的最重要元件，具有將電的訊號放大的功能，可利用外加於閘極的電壓將源極的訊號放大傳至汲極單晶矽晶圓的製作(single-crystalSiwafers)單晶矽晶圓的成長(Czochra

8、lski)利用晶種將熔融的矽(1417℃)拉出插入晶種多晶純矽單晶矽晶棒(SiIngot)1.5-2公尺晶棒到晶圓(siliconIngottowafer)晶圓大小IntegratedCircuits(IC)積體電路IC•把許多電子元件做在一片半導體基材上•Firstintegrateddevice–1958,Jac