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1、1硅的电学性质硅的电学性质半导体材料的电学性质特点：一是导电性介于导体和绝缘体之间,其电阻率约在 10-41010.cm 范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光热磁)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当硅中掺入微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加,例如,向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(族元素:磷、砷、锑等)为主时，以电子导电为主，成为 N 型硅；当硅中掺杂以受主杂质（族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为 P 型硅。硅中 P 型和 N 型之间的界面形成 PN 结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。硅也存在不
2、足之处，硅的电子迁移率比锗小。尤其比 GaAs 小。所以简单的硅器件在高频下工作时其性能不如锗或 GaAs 高频器件。此外，GaAs 等化合物半导体是直接禁带材料，光发射效率高，是光电子器件的重要材料，而硅是间接禁带材料，由于光发射效率很低，硅不能作为可见光器件材料。硅的化学性质硅的化学性质硅在自然界以化合物状态存在。硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。硅容易和氧、氮等物质发生作用，他可以在 400与氧，在 1000与氮进行反应。直拉法制备硅单晶时，要使用超纯石英坩锅。石英坩锅与硅熔体反2应：Si+ SiO22SiO(1400)反应产物 SiO 一部分从硅
3、熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在硅中，从而增加了熔硅中氧的浓度，是硅中氧的主要来源。硅的一些重要的化学性质如下：Si+O2SiO2Si+2H2O= SiO2+2H2这两个反应是硅平面工艺中在硅表面生成氧化层的热氧化反应。二氧化硅十分稳定，这一特点是二氧化硅膜在器件工艺中起着极为重要的作用。由于 SiO2膜容易热氧化生成以及可以通过化学腐蚀选择性去除，因此，能够使用光刻方法实现器件小型化，是精密结构变为现实Si+2CL2= SiCL4 Si+3HCL= SiHCL3+H2这两个反应是制造高纯硅的基本反应及材料。硅对多数酸是稳定的。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸和王水。但硅却很容易被 HF-HN
4、O3的混酸所溶解。因此使用此类混酸作为硅的腐蚀液，反应式为：Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O在此反应式中 HNO3作为氧化剂，没有氧化剂存在，HF 就不容易与硅反应。HF 加少量的镉酸酐 CrO3的溶液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂。硅和稀碱溶液作用也能显示硅中缺陷。硅和 NaOH 或 KOH 能直接作用生成相应的硅酸盐而溶于水中：Si+2NaOHH2ONa2SiO3+2H2。3硅与金属作用生成多种硅化物。TiO2、WSi、MoSi2等化物具有良好的导电、耐高温、抗电迁移等特性，可以用于制备集成电路内部的引线、电阻等元件。硅的力学和热学性能室温下硅无延展性，属于脆性材料
5、。当温度高于 700时硅具有热塑性，在应力作用下会程现塑性变形。硅的抗拉应力远大于抗剪应力，所以硅片容易破碎。抗弯强度是指试样破碎时的最大弯曲应力，表征材料的抗破碎能力。A硅单晶内残留应力和表面加工损伤对其机械性能有很大的影响，表面损伤越严重，机械性能越差。但热处理后形成二氧化硅层对损伤能起到愈合作用，可提高材料的强度。B硅中塑性变形数据是位错滑移的结果，位错滑移面111面。晶体中原生位错和工艺诱生位错及他们的移动对机械性能起着重要的作用。在室温下，硅的塑性变形不是热激发机制，而是由于劈开产生晶格失配位错造成的。C杂质对硅单晶的机械性能有着重要的影响，特别是氧、氮等元素的原子或通过形成氧团及硅
6、氧氮络合物等结构对位错起到“钉扎”作用，从而改变材料的机械性能使硅片强度增加。硅在熔化时体积缩小，反过来，从液态凝固时体积膨胀。正是由于这个因素，在拉制硅单晶结束后，剩余硅熔体凝固会导致石英坩锅破裂。4导体和非导体的能带模型导体和非导体的能带模型价带满带满带禁带满带禁带导带价带能带理论可以说明导体、半导体、绝缘体的区别，如图说示。金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。在导带中，空态的能量与被占态的能量相连。能带填充情况很容易被占态的能量相接。能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。由于半导体的禁带宽度较窄，一般在 12eV 左右，会有少量电子从YZ导体绝缘体半导体5高的满
7、带跃迁到空带，成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。第二章 硅材料的测试与分析1.导电型号仪导电性号仪属于硅单晶的常规测量参数之一，目前测量的方法有：整流法、热电动势法、双电源动态电导法和赫尔效应法。现在被广泛采用的仪器将两种或两中以上的方法结合在一台仪器中运用。现主要介绍整流法和热电动势法。A 整流法将一直流微安表、一个交流电源与半导体上的两个接触点串联起来， （其中一个触电必须是欧姆接触，另外一个是整流接触）那么直流微安所指示的电流的方向指示出半导体材料的导电型号。整流触点
8、通常采用一个金属点接触（探针）即可；欧姆接触点较难处理，经常采用大面积夹紧获得。三探针结构能消除制备欧姆触点的困难。在样品表面压以 1、2、3顺序的三个探针，在 1、2 探针间接上交流电源，2、3 探针间接以直流微安表，同样可以根据直流微安表所指示的电流方向确定半导体材料的导电型号。在示波器上观察图形可以检查上述方法的工作状况。如果图形对称，则说明该方法无效，必须采用其他类型的导电型号测量装置。引起图形对称的原因可能是由于电阻率非常低，6或是由于两个触点具有同样程度的整流效应。样品B.热电动势法热探针和 N 型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处电子缺少，因而其电势相对于同
9、一材料上的室温接触点而言将是正的。同样道理，对 P 型半导体热探针相对室温接触点而言将是负的。热探针的结构可以是将小的加热线圈绕在一个探针的周围，也可以用小型电烙铁。次电势差可以用简单的微伏表测量，也可以用更灵敏的电子仪器放大后测量。也可以用共线三探针装置测量，让电流在最边上的一个探针 1 和与其相邻的另一个探针 2 之间流动，使半导体内产生温度梯度，这样 2、3 二个探针将处于不同的温度而产生电势差，由此既能判别型号。热电动势法测量装置的应用范围一般只限于低阻材料。如果电阻率足够高，热探针可能使材料处于本征状态。这样电子迁移率总是高于空穴迁移率，测量结果将都是指示出材料为 N 型。为了防止这
10、种情况的产生，可以用冷探针来代替热探针，其原理与热探针完全相同。整流法测导电型号仪A123R三探针法导电型号测试示意图72.电阻率电阻率是硅单晶重要参数，不同的器件需要不同的电阻率的硅片。一般情况下，硅单晶的电阻率、载流子浓度及掺杂浓度是相互关联的，因此只要测定其中之一即可确定硅片的电阻率。测量硅片的电阻率的方法很多，按是否与样品接触可以分为两类，即接触式和非接触式。常用的电阻率测量方法有直接法、两探针法、三探针法、四探针法、多探针阵列、扩展电阻法、赫尔测量、涡流法、微波法、电容耦 C-V 测量等。对于体单晶的电阻率测量，生产中应用普遍的是四探针法，对于硅圆片的电阻率测量，微波法等非接触式测量
11、方法由于使用方便、不损坏样品，因而应用也越来越多.四探针示意图ABCDVAA四探针法四探针法是最常用的方法之一，它的优点是设备简单，操作方便，测量精度较高，而且对样品的形状要求不高。但他的缺点是探8针直接接触样品表面，对样品有一定的破坏作用。对晶锭或厚片，此问题不太严重；但对薄样品特别是抛光片，这种测试往往使得硅片遭到破坏而不能继续使用。如上图，其中两个探针（A、D）通以电流 I，另外两个（C、B）用来测量电压 V。实际使用的四探针中相邻两根探针间的距离相同，都是 S，而且四探针的针尖在同一直线上。如果样品尺寸为无穷大，那么对于这样的布置，其电阻率为2SV/I。四探针法除测量晶锭及硅片的电阻率
12、外还可以用来测量某些扩展的薄层或外延层的薄层电阻，如 P 型衬低上的 N 型薄层或 N 型衬低的 P 型薄层。这是因为在这些情形表面薄层与衬低间形成了 PN 结，通过衬低的电流要经过反向放置的 PN 结对，因而可以忽略的缘故。B扩展电阻法扩展电阻仪的基本结构是将一根金属针尖作为探针放在样品正面，背面制成欧姆接触，如上图。扩展电阻仪主要用于测量半导体材料内电阻率的分布均匀性，还可以测量外延的电阻率及其深度分布。测量精度较高，重复性可优于 1%，但测量前要求对样品正面进行镜面抛光处理。3.少子寿命半导体材料中空穴和电子的平衡数目是一定的，当由于某种激发机制而引进过剩载流子时，少数载流子寿命就是过剩
13、载流子复合所需要的平均时间。关于少子寿命的测量方法，主要有扩散长度法、光电导衰减法、9电导率调制法、二极管开路电压衰减法、二极管反向电流恢复时间法。MOS 电容方法、光磁电效应法、表面光电压法等，其中光电导衰减法和表面光电压法是 ASTM 推荐的方法。在这主要介绍光电导衰减法。测试原理图如下：将待测试样品放在金属电极上，样品与电极之间抹上一些普通的自来水以改善两者间的耦合情况，另外在回路中串入一个可变电容可以改善线路的匹配情况，这样可以使光电导信号增大。根据硅材料的性质及电路的具体情况，高频源的频率一般选在 30 兆赫兹左右。在无光照的情况下，样品在高频电磁场的作用下，两端有高频电压V0Sin
14、wt，V0为无光照时样品中高频电压的幅值。当样品上受到光照射时，样品中产生非平衡少数载流子下降。这样光电导使得样品两端的高频信号得到调制。当停止样品的光照后，样品中的非平衡载流子就按指数规律衰减，逐渐复合而消失。因此样品两端的高频电压幅值也要逐渐回到无光照时的水平。因此高频光电导衰减法的工作原理就像调幅广播，只10不过调幅广播中的音频信号被光电导信号所取代。因此完全可以采用与调幅收音机相同的原理对高频光电导信号进行解调。最简单的就是用二极管检波加上电容滤波。从高频调幅波解调下来的光电导衰减信号很小，必须经过宽频带放大。将放大后的信号加到脉冲示波器的 Y 轴，接上同步信号后即可在荧光屏上显示出一条按指数衰减的曲线，这样便可通过这条衰减线测得样品的少子寿命。
