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1、=WORD完整版-可编辑-专业资料分享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：I0110*学休fj- cm)WJi旷金电皆斗册Z間】图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围-1 _1 |_|1 l|r f 11 f 1 1Gc)一 *ft (Si一 *? 1M 1GI AI . i h x it_ I l-i 1 一 L .1.1 t I tI岳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)
2、 二元化合物GaAs 砷化镓SiC 碳化硅2) 三元化合物AlGa As 砷化镓铝11AlIn As 砷化铟铝111.3 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、
3、铝就是硅的受主。5i导电电子Si1 4 Sil 4SiV T- 4 引丿丄a（a）带有谨主（础的八型硅（b）带有受主辆）的卩型琏的图解图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
4、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。性质符号单位硅（Si）原子序数Z14原子量M28.085原子密度个/cm35.00 X 1O22晶体结构金刚石型晶格常数aA5.43熔点TmC1420密度（固/液）Pg/ cm32.329/2.533介电常数8011.9本征载流子浓度ni个/ cms1.5X 1010本征电阻率p .iQ cm2.3X105电子迁移率ncm2/(V S)1350空穴迁移率pcm2/(V S)480电子扩散系数Dncm2/S34.6空穴扩散系数Dpcm2/S12.3禁带宽度（25C）EgeV1.11导带有效态密度Nccm-32.8X1019
5、价带有效态密度Nvcm-31.04X1019器件最高工作温度C250表1硅的物理化学性质（300K）1.2硅的电学性质硅的电学性质有两大特点：一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-41 OioQcm二 、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、 无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将 会显著增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为 原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（v 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（I
6、II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机构和工作基础。如图所示电 阻率随杂质浓度的变化 1.3硅的化学性质硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。 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。1. 硅的热氧化反应1100CSi + O - SiO221000CSi + 2HO - SiO + H2 2 2 在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化 速度加快。2. 硅与氯气(Cl )或氯化物(HC1)的化学反应2300CSi + 2Cl - SiCl
7、24280CSi + 3HCl - SiHCl + H32上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料一SiCl和SiHCl。433. 硅与酸的化学反应硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、HSO、HNO、HF及王水所腐蚀，但可以被其243混合液所腐蚀。(1)硅与HFHNO混合液的化学反应3Si + 4HNO + 6HF - HSiF + 4NO + 4HO32622HNO在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反3应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。(2 )硅与HFCrO混合液有化学反应3Si + CrO + 8HF - HSiF + CrF + 3HO32622此混合液是
8、硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。(3) 硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi,W Si,MoSi等硅化物具有良好22 的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、 电阻等元件。(4) 硅与SiO的化学反应21400CSi + SiO - 2SiO2在直拉法(CZ)制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚(SiO),石英坩埚2与硅熔体会发生上述反应。反应生成物SiO 一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一 部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉 制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有 效防止外
9、界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在 炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。1.4 硅的晶体结构和化学键1. 硅的晶体结构硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。如图2.1和图2.2所 示。图2.1共价四面体图2.2硅的晶体结构2硅晶体的化学键 硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。 具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。电子的配对是 形成共价键的必要条件。硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋 相反的共有电子，构成4个共价键。硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最
10、多能容纳2个自旋相反的电 子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。3p能级最多可容纳6个电子，现只有 2个电子。根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且 自旋平行。那么，两个P电子将分别占据两个P轨道，而空出一个P轨道。如此， 硅原子的价电子配布为：3s3p按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。只有p轨道上 的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。这样每个原子只能 和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。这个矛盾靠轨道的杂化来解决。硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去， 形成新的SP3杂化轨道：3s3psp3杂化轨道有4个未配对的
11、电子，故可以形成4个共价键。虽然3s能级上的 电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多， 结果体系更趋稳定。共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。所谓饱和性是1个电子和1个电 子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。硅原子轨道杂化以后，有4个未配 对的价电子。这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子 对，形成4个共价键。因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。 这个特性就是共价键的饱和性。所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。硅原子的四个 sp3杂化轨道是等同的，各含有l/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为10
12、9 28。所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。而且，共价键的强弱取决 于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。因此， 硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3杂化 轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金 刚石结构。1.5 硅的半导体性质1.硅原子能级图2个电子图图父用一孤立硅原子药图示1同器琵下&丰*口（?働皱 /同魁！tT 2 T朮计储级苫个电千4亍屯于2.3 一孤立硅原子能级图2. 硅晶体的能带结构电子餡睑4X状态6N4状态 2A1个电子 3p 刃/个狀蟲 2科个电子4 N十蚊抠5,43 a胡賂漂子间
13、距圉N 15孤立原子聚集形成金刚石晶梏晶体的能带形成图图 2.4 硅晶体的能带结构图 晶体的能带代表的物理意义：反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样 一种特性。设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那 么，许多电子都处在相同的能级上。实际上，原子通过电子，特别是外层电子的 相互作用，改变了独立原子中电子的能量， N 个孤立原子的一个能级扩层或分裂 完整版学习资料分享成N个间隔很近的能级，组成一个能带。如图2.5所示。ba原了傥级图1,21原子龍级利能带图2.5原子能级和能带3. 导体、半导体及绝缘体的能带模型能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体
14、的区别，如图2.6所示。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。半导体和绝缘体在T=OK时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。 最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。外电场很难改变其能带填充 状况，因而不产生电流。在THOK时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在12eV 左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子， 同时价带中出现少量空穴，自由的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。4. 硅晶体的禁带宽度Eg禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。Eg的大小大体上和光吸收的阀值能 量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。较大的Eg有 利于提高半导体器件的热稳定性。Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当 T-OK时，E
