硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识
Ξ硅基光波导结构与器件
刘育梁 王启明
(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083)
摘要 简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等.
关键词 硅,光波导.
引言
硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场.
硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述.
1 低损耗硅基光波导结构及工艺
1.1 外延型光波导
第15卷第1期
1996年2月
红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996
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最早提出的用于113～116Λm波长范围的硅光波导是外延型光波导[2],即采用常规的外延工艺在n+或p+硅单晶衬底上生长一层轻掺杂外延层.由于衬底和外延层的自由载流子浓度不同,其折射率也不同,平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中,由此而形成光波导.如果进一步采用各向异性湿法腐蚀或等离子体干法刻蚀制备成条状的脊形波导,即可实现对光波的二维限制.通常衬底掺杂浓度高于1018c m-3,外延层掺杂浓度为1014～1015c m-3.外延层亦即波导层厚度在10Λm左右.这种光波导由于利用的是自由载流子效应,衬底和波导层的折射率差仅为10-3左右,对光波的约束很不充分,导模场在重掺杂衬底中有一个很大的场分布,衬底吸收十分明显.一般外延型平板光波导的传输损耗是5～13dB c m,而脊形波导则是15～20dB c m.对于研制实际器件来说,这样大的损耗显然不适用,所以人们转向研制其它结构的光波导.
最近在研究表明[3]这种光波导的传输损耗可以降至115dB c m以下.其关键是采用较大的波导芯径.实验已证实,芯径为20Λm(h)×15Λm(w)的脊形光波导的传输损耗低于115dB c m.由于这种光波导的制作工艺简单,可以达到实用要求.
1.2 S O I光波导
SO I(Silicon on In su lato r)技术是近十年来发展起来的一项硅集成电路技术.采用SO I 结构的C M O S无并闩锁效应,源、漏寄生电容小,易形成浅结,SO I器件还具有抗瞬时辐射效应的能力,可以在高温环境下工作,因此被微电子工业界看好[4,5].
对于硅基光波导器件与回路来说,非常有意义的是SO I结构本身正好就是平板光波导结构,因此实现SO I电路和SO I光波导器件的单片集成无疑成为一种自然的想法.SO I光波导是在前述的外延型硅光波导的外延层和衬底之间夹入一层Si O2而形成的.Si O2的折射率远小于硅,它可以将其上波导层中传输的光波与衬底完全隔离开,从而消除衬底的吸收.实际上Si O2已完全取代了衬底的光学作用,所以衬底的掺杂与否已不受波导的限制.
SO I材料的生成技术主要有区熔再结晶技术(Z M R)、直接健合与背腐蚀技术(B E)和注入氧隔离技术(S I M OX)等.目前来看,Z M R2SO I光波导的损耗太大,B E2SO I光波导的顶层硅质量很好,但难以获得均匀的厚度,相对而言S I M OX2SO I是最佳的选择.典型的S I M OX2SO I的工艺过程为:在(100)单晶硅表面以200keV的能量注入118×108c m-2的氧离子.注入温度控制在600±20℃.之后在A r O2气氛中1300℃退火6h.为了波导能够与光纤匹配,还需通过外延将顶层硅厚度增至715Λm,然后再刻蚀成脊形波导.这样的SO I脊形导的传输损耗在113Λm和115Λm处都小于015dB c m[6～9].
SO I光波导的一个重要问题是单模条件.因为硅与Si O2的折射率差别非常大,所以单模平板波导的波导层仅需012～013Λm厚.如果制成脊形波导,则难于和光纤耦合.不过最近的理论和实验表明[9,10],适当条件下单模脊形波导的芯径可以达到与光纤相匹配.其根据是:这样的波导尽管在垂直于芯片表面方向上可以承载多模,但这些高阶模式在平行于芯片表面方向上并不受导.
1.3 氧化硅光波导
氧化硅光波导是在硅衬底上淀积Si O2膜后再淀积掺杂的氧化硅而形成的.Si O2掺杂后其折射率有所提高,可以形成波导,杂质主要是T i O2、GeO2、P2O5等.最初的工作主要以T i O22Si O2波导为主,以后逐渐转向GeO22Si O2波导,因为后者可以达到更低的损耗.一般
可以通过CVD 和反应离子刻蚀方法制作Si O 2波导,也可以采用火焰水解法(F lam e H ydro lysis D epo siti on ),折射率差?为0125%的T i O 22Si O 2光波导的损耗小于011dB c m ,?为0175%的这类光波导的损耗约013dB c m ,而?为0175%的GeO 22Si O 2光波导的损耗
则低达0104dB c m
[11,12].尽管Si O 2和硅的热膨胀系数相差很大,目前可以在硅上淀积厚达50至100Λm 的Si O 2而不产生裂纹[11].硅衬底上掺杂Si O 2受到残余压缩应力,从而引起波导的双折射,双折射指数B 为4×10-4.所以在很多功能器件制作中,利用或控制双折射成为一项主要内容.
另外一种不掺杂而形成Si O 2波导的方法是用PECVD 在硅衬底上淀积Si O 2膜,退火后
用25keV 的电子辐照(剂量是0174C c m 2)改变局部折射率,这样形成的光波导的损耗可以
控制在115dB c m 以内[13].
1.4 Ge x Si 1-x 外延层光波导和Ge 扩散光波导
由于GeSi 材料系统在光电子学领域潜在的应用前景,GeSi 光波导也受到了注意.目前主要有两种方法形成这类光波导,一种是在硅衬底上用CVD 或Si 2M B E 等生长Ge x Si 1-x [14,15],另一种则是将Ge 扩散入硅片表面[16,17].Ge 的折射率为411,Si 为315.Si 中引入Ge 后,该区域的折射率增大,从而可以形成光波导.典型的Ge x Si 1-x 外延层光波导的Ge 组分比为112%,厚度615Λm .为了改善模斑,在Ge x Si 1-x 层上还生长一层3Λm 厚的Si 层,这种Si Ge x Si 1-x Si 脊形波导的损耗在1132Λm 时介于015～116dB c m .
Ge 扩散光波导的制备是在硅衬底上用电子束蒸发GeSi 合金,再将其刻蚀成所需的图形后在1200℃和氧气氛中扩散65h ,扩散深度是1154Λm .这种光波导的损耗在113Λm 和1155Λm 波长时均小于013dB c m .
1.5 硅V 槽光波导
硅V 槽一般用于光纤与波导器件的耦合.在V 槽中填充适当的介质材料(如氧化硅、聚合物)可以形成能与光纤直接耦合的波导.V 槽中P 掺杂Si O 2光波导在01633Λm 波长时损
耗约011dB c m [18].V 槽中空心金属波导的损耗则不符合指数衰减规律,大体上说,对于
633、780、980及1310nm 的光波,在115c m 长度内波导损耗介于1～6dB c m [19].
1.6 Si C 光波导
有人建议发展硅上的Si C 光波导[20],建议发展Si C 光波导的原因是Si C 有很强的线性电光效应,能够制作电光调制器件,并且这种波导不但能用于113～116Λm 波长,而且可以用于017Λm 波长(多孔硅器件的发光波长).在113Λm 时,Β
2Si C 的折射率为2157[21],所以不能在硅衬底上直接形成波导,但可以采用类似于SO I 的结构,即Si C Si O 2 Si 结构.这种波导的损耗主要是Si C Si O 2界面上的散射损耗和侧壁散射损耗(如果制成脊形波导的话),其损耗应该与SO I 波导相当.Β2Si C 膜可以用CVD 生长[22],Si O 2层采用氧离子注入和高温退火形成,条状脊形结构可用H 型R F 反应离子刻蚀形成.
2 硅基电光波导器件
电光调制器与波导光开关等控光器件是硅基光电子集成回路的重要器件.然而单晶硅不存在线性电光效应,二阶电光效应也很弱,能以用于实际器件.F ranz 2kelbysh 效应也不足
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以有效地影响拆射率.目前自由载流子效应[24]和热光效应[25]均可用于研制调制器和电光开关,利用这两种效应的M ach2Zehnder干涉仪和光交换开关均有一定的工作,如外延型M2Z 干涉仪、SO I M2Z干涉仪、GeSi M2Z干涉仪、GeSi BOA光开关、外延型T I R光开关等[26～36].不过研制的器件均尚未达到实用水平.就自由载流子效应器件来说,它需要较高的载流子注入浓度(至少3×1017c m-3),伴生的热效应不易避免,热光效应将抵消自由载流子效应.而利用热光效应的器件需要至少50mW的热功率,响应速度也很慢.相对而言,自然载流子效应器件更有可能达到实用.如果恰当地设计器件的结构,提高注入载流子的利用率,将伴生热功耗降至10mW以内,就可以避免热效应的影响.最近有人提出一种优化设计的SO IM2Z干涉仪,在1155Λm处,预计工作电压019V,注入载流子密度215×1017c m-3,工作电流4mA(电流密度120A c m-2),响应时间100n s[37].
从晶格结构上来说,硅单晶中不存在线性电光效应的原因是其晶胞是中心对称的,而应变的SiGe Si超晶格中,Si0.5Ge0.5晶胞不是中心对称的.理论计算得到其Pockels系数为1×10-12m V,与GaA s的电光系数同等量级,因此可望制作性能与GaA s器件相当的GeSi Si 超晶格电光调制器和光开关.
晶体Β2Si C则显示很强的线性电光效应,它的Pockels系数是GaA s的117倍[38],也可以制作高速电光效应器件.
3 113Λm Ge x Si1-x Si多量子阱波导探测器
这方面工作在“SiGe Si应变超晶格光电探测器的发展现状”一文[39]中有详细评述[40～45],最近的发展包括[46～48]:(1)将GeSi波导与GeSi Si多量子阱P I N波导探测器集成,由于共度生长要求的临界厚度的限制,GeSi Si波导探测器的波导厚度小于1Λm.这种器件尽管内量子效率可达50%以上,但与光纤相接,外量子效率仅百分之几,因此出现了将GeSi波导与GeSi Si探测器相集成的工作.即先在硅衬底上生长215Λm厚的Ge0.02Si0.98光波导,再在上面制作Ge0.45Si0.55 Si多量子阱波导探测器.GeSi波导与光纤相连接,可以提高耦合效率.这种结构属于波导与探测器的垂直耦合,需要相当的耦合长度(约10mm),这会大大降低器件响应速度.有一种措施可以改善这种情况,即采用类似于 2V族波导探测器中的阻抗匹配垂直耦合(V I M)[49].(2)P I N型GeSi Si多量子波导探测器在波长113Λm时,外量子效率可达7%(14V反偏),暗电流密度27pA Λm2(面积10×750Λm2),总电容1pF.这样的探测器与硅双极放大器混合集成(反馈电阻2k8)后,响应度达到2157A W.
4 无源氧化硅光波导器件与回路
硅衬底上的氧化硅光波导器件已从单纯的低损耗研究转向实用功能器件的研究,并逐渐推向市场[50].目前在矩阵光开关(利用热效应)、偏振模转换器、偏振分离器与交换开关、波分复用器件、与偏振无关的M Z干涉仪、星形耦合器、环形谐振器以及掺铒有源光波导等方面均开展了许多工作[51～62].这些器件主要利用:波导结构变化所引起的模式的分离与组合,波导双折射特性的利用、控制与消除,热光效应改变波导局部折射率等工作机制.近期的
工作除了继续开发和改进各种功能器之外,也注重于提高集成度.
限制氧化硅平面波集成回路集成度的主要因素是波导的最小弯曲半径太大.因为弯曲总会带来损耗,弯曲半径越小损耗越大.对于允许的损耗,弯曲半径有一个最小限度.现在通常用低折射率差(0125%～0175%)掺GeO 2氧化硅光波导构成各种功能器件.这种低折射率差的GeO 22Si O 2光波导的损耗虽然很小,但波导的最小弯曲半径限制在25～5mm .最近日本N T T 研制成功了折射率差为115%的GeO 22Si O 2光波导[63],具有最小弯曲半径2mm 、长200c m 的这种光波回路的损耗仅01073dB c m ,采用这种波导可以提高集成度.这种折射率差115%的波导的模场与单模光纤不匹配,但可以通过热扩展波导芯技术实现波导与器件的高效耦合[64].
5 其它工作
还有许多其它的相关工作,例如:硅基集成光学传感器(如水听器)[65]、在掺Ge 氧化硅薄膜中用UV 激光直接写入沟道波导[66]、掺Ge 氧化硅波导中的二次谐波效应[67,68]、集成氧化硅波导的光盘读出头[69]、光纤直接锲入氧化硅光波回路芯片的耦合技术[70,71]、GeSi Si
B ragg 反射镜与光探测器[72～74]、GeSi Si B ragg 反射器与热光开关[75]、
利用热效应的Si 2SEED 与光学双稳[76,77]、P tSi p 2Si 肖特基势垒1152Λm 光电探测器[78]、GeSi Si 红外焦平
面[79,80]、硅基光电器件混合集成技术[81～83]等.
6 结语
如果不考虑光源,硅基光波导器件大致可分为无源光波导功能器件、电光波导器件和光波导探测器.总的来看,在无源光波导功能器件方面,Si O 2光波导器件与回路已独领风骚,成为这一类器件的主流,不但其它种类的硅基光波导器件难与相比,就是L i N bO 3器件也渐显逊色.电光波导器件目前的工作主要利用自由载流子效应和热光效应,这两种效应在制作电光波导器件方面均有一定的缺点,难以发展高性能的器件.未来高性能的硅基光开关(阵列)和调制器恐怕还得依赖线性电光效应,尽管单晶硅不存在线性电光效应, 族合金半导
体如Β2Si C 、GeC 、SnC 、SiGe 、SiSn 和GeSn 都有很强的线性电光效应[84].这类器件可以向硅
衬底上的 族二元、三元合金半导体材料发展.而能够用于113Λm 波长的硅基红外光探测器目前仍寄希望于Ge x Si 1-x Si 多量子阱波导探测器,若要保证一定的外量子效率(如10%),则带宽超过5GH z 是困难的,因为这种探测器中Ge x Si 1-x 仍是间接带隙材料,它对红外光的吸收很弱,这一点大大制约了器件性能的提高.
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SI -BASED OPT I CAL W AVEGU I D E STRUCTURES AND D EV I CES
L iu Yu liang W ang Q i m ing
(N IO E L abora tory ,Institu te of S e m icond uctors ,Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100083,Ch ina )
Abstract T h is p ap er p resen ts a concise review of the silicon 2based op tical w avegu ides ,devices and techno logy .T he low 2lo ss w avegu ides ,electro 2op tic w avegu ide devices ,w avegu ide p ho todetecto rs fo r infrared radiati on detecti on ,and Si O 2op tical circu its are included .
Key words silicon ,op tical w avegu ide .171期刘育梁:硅基光波导结构与器件
模拟电子技术基础 1章 常用半导体器件题解
第一章 常用半导体器件 自 测 题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。（ ） （2）因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 （ ） （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S 大的特点。（ ） （6）若耗尽型N 沟道MOS 管的U G S 大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 解：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN 结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 。 A. I S e U B. T U U I e S C. )1e (S －T U U I （3）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 （5）U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MO S 管 C. 耗尽型MOS 管 解：（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C
三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。 图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z mi n＝5m A。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。
半导体材料硅的基本性质
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
常用半导体器件复习题
第1章常用半导体器件 一、判断题（正确打“√”，错误打“×”，每题1分） 1．在N型半导体中，如果掺入足够量的三价元素，可将其改型成为P型半导体。（）2．在N型半导体中，由于多数载流子是自由电子，所以N型半导体带负电。（）3．本征半导体就是纯净的晶体结构的半导体。（） 4．PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） 5．使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正偏，且集电结也是正偏。（）6．晶体三极管的β值，在任何电路中都是越大越好。( ) 7．模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。( ) 8．稳压二极管正常工作时,应为正向导体状态。( ) 9．发光二极管不论外加正向电压或反向电压均可发光。( ) 10．光电二极管外加合适的正向电压时，可以正常发光。( ) 一、判断题答案：（每题1分） 1．√； 2．×； 3．√； 4．√； 5．×； 6．×； 7．√； 8．×； 9．×； 10．×。
二、填空题（每题1分） 1．N型半导体中的多数载流子是电子，P型半导体中的多数载流子是。2．由于浓度不同而产生的电荷运动称为。 3．晶体二极管的核心部件是一个，它具有单向导电性。 4．二极管的单向导电性表现为：外加正向电压时，外加反向电压时截止。5．三极管具有放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结偏置。6．场效应管与晶体三极管各电极的对应关系是：场效应管的栅极G对应晶体三极管的基极b，源极S对应晶体三极管，漏极D对应晶体三极管的集电极c。7．PN结加正向电压时，空间电荷区将。 8．稳压二极管正常工作时，在稳压管两端加上一定的电压，并且在其电路中串联一支限流电阻，在一定电流围表现出稳压特性，且能保证其正常可靠地工作。 9．晶体三极管三个电极的电流I E 、I B 、I C 的关系为：。 10．发光二极管的发光颜色决定于所用的，目前有红、绿、蓝、黄、橙等颜色。 二、填空题答案：（每题1分） 1．空穴 2．扩散运动 3．PN结 4．导通 5．反向 6．发射机e 7．变薄 8．反向 9．I E ＝I B ＋I C 10．材料 三、单项选择题（将正确的答案题号及容一起填入横线上，每题1分）
常用的半导体材料有哪些
常用的半导体材料有哪些？ 晶圆 初入半导体行业为了尽快入门，我们必须对这个行业的主要物料做一个详细的了解，因为制造业的结构框架是人机料法环测。物料是非常关键的一部分，特别是对于半导体这类被人家卡脖子的行业更要牢记于心，尽快摆脱西方的围堵，但是基础材料这块需要长时间的积累，短期我们很难扭转当下这种憋屈的局面。 在半导体产业中，材料和设备是基石，是推动集成电路技术创新的引擎。半导体材料在产业链中处于上游环节，和半导体设备一样，也是芯片制造的支撑性行业，所有的制造和封测工艺都会用到不同的半导体材料。 半导体材料一般均具有技术门槛高、客户认证周期长、供应链上下游联系紧密、行业集中度高、技术门槛高和产品更新换代快的特点，目前高端产品市场份额多为海外企业垄断，国产化率较低，寡头垄断格局一定程度制约
了国内企业快速发展。华为事件的发生发展告诉我们半导体材料国产替代已经非常紧迫了。 半导体材料细分行业多，芯片制造工序中各单项工艺均配套相应材料。按应用环节划分，半导体材料主要可分为制造材料和封装材料。在晶圆制造材料中，硅片及硅基材料占比最高，约占31%，其次依次为光掩模板14%，电子气体14%，光刻胶及其配套试剂12%，CMP抛光材料7%，靶材3%，以及其他材料占13%。 在半导体封装材料中，封装基板占比最高，占40%。其次依次为引线框架15%、键合丝15%、包封材料13%、陶瓷基板11%、芯片粘合材料4%、以及其他封装材料2%。封装材料中的基板的作用是保护芯片、物理支撑、连接芯片与电路板、散热。陶瓷封装体用于绝缘打包。包封树脂粘接封装载体、同时起到绝缘、保护作用。芯片粘贴材料用于粘结芯片与电路板。封装方面相对难度要低一点，所以我们国家的半导体企业主要集中在封测这一后工艺领域。 半导体材料中前端材料市场增速远高于后端材料，前端材料的增长归功于各种前端技术的积极使用，如极紫外(EUV)曝光，原子层沉积(ALD)和等离子体化学气相沉积(PECVD)等。
最新尼尔曼第三版半导体物理与器件小结+重要术语解释+知识点+复习题
尼尔曼第三版半导体物理与器件小结+重要术语解释+知识点+复 习题
第一章固体晶体结构 (3) 小结 (3) 重要术语解释 (3) 知识点 (3) 复习题 (3) 第二章量子力学初步 (4) 小结 (4) 重要术语解释 (4) 第三章固体量子理论初步 (4) 小结 (4) 重要术语解释 (4) 知识点 (5) 复习题 (5) 第四章平衡半导体 (6) 小结 (6) 重要术语解释 (6) 知识点 (6) 复习题 (7) 第五章载流子运输现象 (7) 小结 (7) 重要术语解释 (8) 知识点 (8) 复习题 (8) 第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (8) 小结 (8) 重要术语解释 (9) 知识点 (9) 复习题 (10) 第七章pn结 (10) 小结 (10) 重要术语解释 (10) 知识点 (11) 复习题 (11) 第八章pn结二极管 (11) 小结 (11) 重要术语解释 (12) 知识点 (12) 复习题 (13) 第九章金属半导体和半导体异质结 (13) 小结 (13) 重要术语解释 (13) 知识点 (14) 复习题 (14) 第十章双极晶体管 (14)
小结 (14) 重要术语解释 (15) 知识点 (16) 复习题 (16) 第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (16) 小结 (16) 重要术语解释 (17) 知识点 (18) 复习题 (18) 第十二章金属-氧化物-半导体场效应管：概念的深入 (18) 小结 (19) 重要术语解释 (19) 知识点 (19) 复习题 (20)
第一章固体晶体结构 小结 1.硅是最普遍的半导体材料。 2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。晶胞是晶体 中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。 3.硅具有金刚石晶体结构。原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。 二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。 4.引用米勒系数来描述晶面。这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。密勒 系数也可以用来描述晶向。 5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。少量可控的替位杂 质有益于改变半导体的特性。 6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。体生长生成了基础半导体材料，即 衬底。外延生长可以用来控制半导体的表面特性。大多数半导体器件是在外延层上制作的。 重要术语解释 1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。 2.共价键：共享价电子的原子间键合。 3.金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个 四面体组态。 4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。 5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。
1平面光波导技术
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点. 按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。 LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。 硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。 基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
硅基光电器件研究进展
半导体技术 Semiconductor Technology 1999年 第1期 No.1 1999 硅基光电器件研究进展 郭宝增 摘要 在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。 关键词 多孔硅 光电子器件 硅集成电路 Research Development of Silicon-Based Optoelectronic Devices Guo Baozeng (Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002) Abstract Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies. Keywords Porous silicon Optoelectronic devices Silicon integrated circuit 1 引 言 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因
西安电子科技大学2018考研大纲：半导体物理与器件物理.doc
西安电子科技大学2018考研大纲：半导体 物理与器件物 出国留学考研网为大家提供西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础，更多考研资讯请关注我们网站的更新! 西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础 “半导体物理与器件物理”(801) 一、 总体要求 “半导体物理与器件物理”(801)由半导体物理、半导体器件物理二部分组成，半导体物理占60%(90分)、器件物理占40%(60分)。 “半导体物理”要求学生熟练掌握半导体的相关基础理论，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律。重点掌握半导体中的电子状态和带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子等相关知识、基本概念及相关理论，掌握半导体中载流子浓度计算、电阻(导)率计算以及运用连续性方程解决载流子浓度随时间或位置的变化及其分布规律等。 “器件物理”要求学生掌握MOSFET器件物理的基本理
论和基本的分析方法，使学生具备基本的器件分析、求解、应用能力。要求掌握MOS基本结构和电容电压特性;MESFET器件的基本工作原理;MOSFET器件的频率特性;MOSFET器件中的非理想效应;MOSFET器件按比例缩小理论;阈值电压的影响因素;MOSFET的击穿特性;掌握器件特性的基本分析方法。 “半导体物理与器件物理”(801)研究生入学考试是所学知识的总结性考试，考试水平应达到或超过本科专业相应的课程要求水平。 二、 各部分复习要点 ●“半导体物理”部分各章复习要点 (一)半导体中的电子状态 1.复习内容 半导体晶体结构与化学键性质，半导体中电子状态与能带，电子的运动与有效质量，空穴，回旋共振，元素半导体和典型化合物半导体的能带结构。 2.具体要求 半导体中的电子状态和能带 半导体中电子的运动和有效质量 本征半导体的导电机构
2019-2020年高中化学4.1.1单质硅与半导体材料二氧化硅与光导纤维课时作业鲁科版必修
2019-2020年高中化学4.1.1单质硅与半导体材料二氧化硅与光导纤 维课时作业鲁科版必修 A组——知能训练 1．常温下能与硅发生反应的气体是( ) A．O2B．H2 C．F2D．Cl2 解析：常温下与Si反应的物质有F2、氢氟酸和强碱溶液。 答案： C 2．科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是( ) A．自然界中硅元素的含量最丰富 B．自然界中存在大量单质硅 C．高纯度的硅被用于制做计算机芯片 D．光导纤维的主要成分是Si 解析：自然界中含量最丰富的元素是氧元素，A项错误；硅的性质虽然不活泼，但自然界不存在游离态硅，只有化合态硅，B项错误；硅是良好的半导体材料，可用于制造计算机芯片等，C项正确；光导纤维的主要成分是SiO2，不是Si，D项错误。 答案： C 3．关于硅的化学性质的叙述中，不正确的是( ) A．在常温下，不与任何酸反应 B．在常温下，可与强碱溶液反应 C．在加热条件下，能与氧气反应 D．单质硅的还原性比碳的还原性强 解析：A项，在常温下，Si能与氢氟酸反应，不正确，Si在常温下能与强碱溶液反应，加热条件下也能与Cl2、O2等反应。B、C正确，碳和硅最外层电子数相同，化学性质相似，但硅比碳易失电子，还原性比碳强，D正确。 答案： A 4．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( ) A．CO2是气体，SiO2是固体 B．高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2 C．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水 D．CO2通入Na2SiO3溶液中析出硅酸沉淀 解析：酸性强弱与这种酸的酸酐的状态、物理性质和化学性质均无关，A、B、C都不
最新1章常用半导体器件题解09677汇总
1章常用半导体器件题解09677
第一章常用半导体器件 自测题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（） （2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（） （3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 解：（1）√（2）×（3）√（4）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN结加正向电压时，空间电荷区将。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是。 A. I S e U B. ?Skip Record If...? C. ?Skip Record If...? （3）稳压管的稳压区是其工作在。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 解：（1）A （2）C （3）C （4）B 三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。
图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Zmin＝5mA。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。 六、电路如图T1.6所示，V CC＝15V，β＝100，U BE＝0.7V。试问： （1）R b＝50kΩ时，u O＝？ （2）若T临界饱和，则R b≈？ 解：（1）R b＝50kΩ时，基极电流、集电 极电流和管压降分别为 ?Skip Record If...?μA ?Skip Record If...? 所以输出电压U O＝U CE＝2V。 图T1.6 （2）设临界饱和时U CES＝U BE＝0.7V，所以 ?Skip Record If...?
硅基材料应用作业
硅基材料应用作业 彭禹繁 2014031282 一、在半导体材料中把多晶转变成一个大单晶，并给 予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。晶体生长有三种不同的生长方法，分别是直拉法、区熔法和液体掩盖直拉法。请简述直拉法的过程。 拉晶过程： 1.熔硅：将坩埚内多晶料全部熔化； 2.引晶：将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶。 3.收颈：指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。 4.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。
5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。 6.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。 液体掩盖直拉法： 此方法主要用来生长砷化镓晶体，和标准的直拉法一样，只是做了一些改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。 特点： 直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径并且限制杂质引入到硅中。优点：工艺成熟，便于控制晶体外形和电学参数，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其制备10-4Ω?cm特殊低阻单晶。
半导体物理与器件公式以及全参数
半导体物理与器件公式以及参数 KT =0.0259ev N c =2.8?1019N v =1.04?1019 SI 材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的n i =1.5?1010 Ge 材料的n i =2.4?1013 GaAs 材料的n i =1.8?106 介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达到电中性的时间，ρ(t )=ρ(0)e ?(t /τd )，其中τd =?σ，最终通过证明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。 E F 热平衡状态下半导体的费米能级，E Fi 本征半导体的费米能级，重新定义的E Fn 是存在过剩载流子时的准费米能级。 准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。 n 0+?n =n i exp (E Fn ?E Fi kT )p 0+?p =n i exp [?(E Fp ?E Fi )kT ] 用这两组公式求解问题。 通过计算可知，电子的准费米能级高于E Fi ，空穴的准费米能级低于E Fi ，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。
过剩载流子的寿命： 半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。 GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。 固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。 空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。原胞就是可以通过重复排列形成晶体的最小晶胞。三维晶体中每一个等效的格点都可以采用矢量表示为r=pa?+qb?+sc?，其中矢量a?，b?，c?称为晶格常数。晶体中三种结构，简立方、体心立方、面心立方。 原子体密度=每晶胞的原子数每晶胞的体积
半导体物理与器件基础知识
9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图： 电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 附常规npn截面图 造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图： 由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图： 电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区，
半导体硅材料
半导体硅材料和光电子材料的发展现状及趋势 随着微电子工业的飞速发展, 作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，而光电子科技的飞速发展也使半导体光电子材料的研究加快步伐，所以研究半导体硅材料和光电子材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。现代微电子工业除了对加工技术和加工设备的要求之外,对硅材料也提出了更新更高的要求。 在当今全球超过2000亿美元的半导体市场中,95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。在未来30-50年内,它仍将是集成电路工业最基本和最重要的功能材料。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。 随着国际信息产业的迅猛发展, 电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,并且直到20世纪末都保持稳定的15%的年增长率迅速发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，所以研究半导体硅材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。
一、半导体硅材料的发展现状 由于半导体的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成电路、硅光电池、传感器等各类电子元件中占有极为重要的地位。同时,由于它具有识别、存储、放大、开关和处理电信号及能量转换的功能,而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和“现代化电子”的代名词。 二、现代微电子工业的发展对半导体硅材料的新要求 随着微电子工业飞速发展, 除了本身对加工技术和加工设备的要求之外, 同时对硅材料也提出了更新更高的要求。 1. 对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求 随着集成电路的集成度不断提高,其加工线宽也逐步缩小,因此, 对硅片的加工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。对于兆位级器件, 0.10μm的微粒都可能造成器件失效。亚微米级器件要求0.1μm的微粒降到10个/片以下同时要求各种金属杂质如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技术的检测极限以下。 2. 对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求
半导体材料
摘要本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。 关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体 1半导体材料的战略地位 上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。 2几种主要半导体材料的发展现状与趋势 1硅材料 从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径
为12英寸硅片的集成电路技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料，低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，非凡是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。 2GaAs和InP单晶材料 GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍 摘要 由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。重点介绍离子注入法。 光波导简介如图所示为光波导结构 图表1光波导结构 如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。其中白色曲折线表示光的传播路径形式。可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。 一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。 图表2光波导模型 如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。 光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点： （1）光密度大大增强 光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。 （2）光的衍射被限制 从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技
术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。 （3）微型元件集成化 微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低 （4）某些特性最优化 非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低 综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。 光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别： 图表3平面波导（planar） 图表4光纤（fiber）
【精品】模拟电子技术基础第1章 常用半导体器件题解
第一章常用半导体器件 自测题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×"表示判断结果填入空内。 （1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体.（） （2)因为N型半导体的多子是自由电子,所以它带负电。() （3)PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） (4）处于放大状态的晶体管,集电极电流是多子漂移运动形成的。
（) （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S大的特点。（） （6）若耗尽型N沟道MOS管的U G S大于零，则其输入电阻会明显变小。（） 解:（1）√(2)×（3）√（4）×(5）√（6)× 二、选择正确答案填入空内。 (1）PN结加正向电压时,空间电荷区将. A。变窄B.基本不变C。变宽
（2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是. A.I S e U B.T U U I e S C.)1e (S －T U U I (3)稳压管的稳压区是其工作在. A.正向导通 B.反向截止C 。反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为。 A.前者反偏、后者也反偏 B 。前者正偏、后者反偏 C.前者正偏、后者也正偏 （5)U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有。 A.结型管B 。增强型MOS 管C.耗尽型MOS 管 解：(1）A(2)C （3）C(4)B(5）AC
三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0。 7V。 图T1。3 解:U O1≈1。3V，U O2＝0,U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1。3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V,稳定电流的最小值I Z m i n＝5mA。求图T1。4所示电路中U O1和U O2各为多少伏. 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。
半导体物理与器件复习资料
非平衡载流子寿命公式： 本征载流子浓度公式： 本征半导体：晶体中不含有杂质原子的材料 半导体功函数：指真空电子能级E 0与半导体的费米能级E f 之差 电子>(<)空穴为n(p)型半导体，掺入的是施主(受主)杂质原子。 Pn 结击穿的的两种机制：齐纳效应和雪崩效应 载流子的迁移率 扩散系数 爱因斯坦关系式 两种扩散机制：晶格扩散，电离杂质扩散 迁移率受掺杂浓度和温度的影响 金属导电是由于自由电子；半导体则是因为自由电子和空穴；绝缘体没有自由移动的带电粒子，其不导电。 空间电荷区：冶金结两侧由于n 区内施主电离和p 区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。 存储时间：当pn 结二极管由正偏变为反偏是，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳定值变为零所用的时间。 费米能级：是指绝对零度时，电子填充最高能级的能量位置。 准费米能级：在非平衡状度下，由于导带和介质在总体上处于非平衡，不能用统一的费米能级来描述电子和空穴按能级分布的问题，但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级成为准费米能级。 肖特基接触：指金属与半导体接触时，在界面处的能带弯曲，形成肖特基势垒，该势垒导放大的界面电阻值。 非本征半导体：将掺入了定量的特定杂质原子，从而将热平衡状态电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的材料定义为非本征半导体。 简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n 型）或价带中（p 型）的半导体。 直接带隙半导体：导带边和价带边处于k 空间相同点的半导体。 电子有效质量：并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例常熟。 雪崩击穿：由空间电荷区内电子或空穴与原子电子碰撞而产生电子--空穴对时，创建较大反偏pn 结电流的过程 1、什么是单边突变结？为什么pn 结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？ ①冶金结一侧的掺杂浓度大于另一侧的掺杂浓度的pn 结；②由于pn 结空间电荷区p 区的受主离子所带负电荷与N 区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带点离子不能自由移动的，所以空间电荷区内的低掺杂一侧，其带点离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度 。 2、为什么随着掺杂弄得的增大，击穿电压反而下降？ 随着掺杂浓度的增大，杂质原子之间彼此靠的很近而发生相互影响，分离能级就会扩展成微带，会使原奶的导带往下移，造成禁带宽度变宽，不如外加电压时，能带的倾斜处隧长度Δx 变得更短，当Δx 短到一定程度，当加微小电压时，就会使p 区价带中电子通过隧道效应通过禁带而到达N 区导带，是的反响电流急剧增大而发生隧道击穿，所以。。。。。。 3、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。 对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主导作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体相比较影响并不大，所以这时随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加下，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。 对于一般掺杂半导体，由于杂质浓度低，电离杂子散射基本可以忽略，其主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越小。 4、漂移运动和扩散运动有什么不同？对于非简并半导体而言，迁移率和扩散系数之间满足什么关系？ 漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均，导致载流子从浓度高的地方向浓度低的地方定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力是载流子的分布引起的。 关系为：T k D 0 //εμ= 5、什么叫统计分布函数？并说明麦克斯韦-玻尔兹曼、玻色-爱因斯坦、费米狄拉克分布函数的区别？ 描述大量粒子的分部规律的函数。 ①麦克--滋曼分布函数：经典离子，粒子可区分，而且每个能态多容纳的粒子数没有限制。 ②波色--斯坦分部函数：光子，粒子不可区分，每个能态所能容纳的粒子数没有限制。 ③费米狄拉克分布函数：晶体中的电子，粒子不可分辨，而且每个量子态，只允许一个粒子。 6、画出肖特基二极管和pn 结二极管的正偏特性曲线；并说明它们之间的差别。 两个重要的区别：反向饱和电流密度的数量级，开关特性； 两种器件的电流输运机构不同：pn 结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射越过内建电势差而形成的。 肖特基二极管的有效开启电压低于pn 结二极管的有效开启电压。 7、（a ）5个电子处于3个宽度都为a=12A °的三维无限深势阱中，假设质量为自由电子质量，求T=0k 时费米能级（b ）对于13个电子呢？ 解：对于三维无限深势阱 对于5个电子状态，对应nxnynz=221=122包含一个电子和空穴的状态 ev E F 349.2)122(261.022=++?= 对于13个电子……=323=233 ev E F 5.742)323(261.0222=++?= 8、T=300k 时，硅的实验测定值为p 0=2×104cm -3,Na=7*1015cm -3, (a)因为P 0