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1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计第第1章章半导体物理基础半导体物理基础1主要内容主要内容l1.1 硅材料浅谈l1.2 半导体的形成与能带l1.3 本征半导体l1.4 杂质半导体l1.5 费米能级和载流子浓度统计分布l1.6 半导体的导电性l1.7 非平衡载流子2固体材料：超导体固体材料：超导体:大于大于106( cm)-1导导体体:106104( cm)-1半导体半导体:10410-10( cm)-1绝缘体绝缘体:小于小于10-10( cm)-1？什么是半导体什么是半导体电导率范围电导率范围半导体半导体掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。温度
2、温度、光照、压力等外界因素会使其导电能力改变。、光照、压力等外界因素会使其导电能力改变。31.1 硅材料浅谈硅材料浅谈4硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子可以看成是四面体可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。的中心（金刚石结构）。金刚石结构金刚石结构1.1.1重要的半导体材料重要的半导体材料硅硅5用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列 硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还硅材料是当代电
3、子工业中应用最多的半导体材料，它还是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 12 个个“9 9”的本征级，工业化大生产也能达到的本征级，工业化大生产也能达到7 71111个个“9 9”的高的高纯度。纯度。 61.1.2 硅材料的分类硅材料的分类1 1、按形态分：、按形态分：l薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所用的硅材料很少。用的硅材料很少。l体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现单晶硅片（晶圓）72 2、按纯度分：、按纯度分：名称名称英文缩
4、写英文缩写杂质总含量杂质总含量主要用途主要用途合金级硅合金级硅AG-Si1N炼合金炼合金冶金级硅冶金级硅MG-Si2N炼合金及化工等炼合金及化工等太阳级硅太阳级硅SOG-Si6N太阳能电池等太阳能电池等半导体级硅半导体级硅（电子级）（电子级）SEG-Si（EG-Si）9N半导体芯片等半导体芯片等随着纯度上升，成本呈指数上升随着纯度上升，成本呈指数上升83 3、按结构分：、按结构分：单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全是金刚石型的。长程有序是金刚石型的。长程有序多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。非晶
5、硅：短程有序，长程无序非晶硅：短程有序，长程无序各种硅材料的电子各种硅材料的电子迁移率迁移率9单晶硅锭单晶硅锭(片片)、多晶硅锭、多晶硅锭(片片)10上述上述3 3种分类一般要综合，例如：种分类一般要综合，例如：l非晶硅薄膜非晶硅薄膜l多晶硅薄膜多晶硅薄膜l单晶硅锭（片）单晶硅锭（片）l多晶硅锭（片）多晶硅锭（片） 半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式出现。出现。111.1.31.1.3 硅材料的制备硅材料的制备 由由于于硅硅的的纯纯度度对对芯芯片片或或太太阳阳电电池池有有很很重
6、重大大的的影影响响，所所以以工工业业生生产产要要求求使使用用高高纯纯硅硅，以以满满足足器器件件质质量量的的需需求求。在在硅硅材材料料的的提提纯纯工工艺艺流流程程中中，一一般般说说来来，化化学学提提纯纯在在先先， 物物理理提提纯纯在在后后。原原因因是是：一一方方面面化化学学提提纯纯可可以以从从低低纯纯度度的的原原料料开开始始，而而物物理理提提纯纯必必须须使使用用具具有有较较高高纯纯度度的的原原料料；另另一一方方面面是是化化学学提提纯纯难难免免引引入入化化学学试试剂剂的的污污染染，而而物物理理提纯则没有这些污染。提纯则没有这些污染。概概况况由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.999999999.99
7、99999以上）单晶硅121 1 粗硅的制备粗硅的制备粗硅又称工业硅粗硅又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）或结晶硅（冶金级硅），纯度在纯度在9595 9999。这种硅是石英砂在电炉中这种硅是石英砂在电炉中用碳还原方法冶炼而成的。用碳还原方法冶炼而成的。反应要点：高温反应要点：高温16001600 18001800原因：原因：SiO2(s)SiO2(s)十十2C(s)2C(s)Si(sSi(s) )十十2CO(g) 2CO(g) 粗硅中杂质多，粗硅中杂质多，主要有主要有FeFe、AlAl、C C、B B、P P、Cu Cu 等，其中等，其中Fe Fe 含量最多。含量最多。可用酸洗法初步提可用酸洗法初
8、步提纯，高纯硅还需进一步提纯纯，高纯硅还需进一步提纯。132 2 多晶硅的制备多晶硅的制备由由粗粗硅硅合合成成SiHCl3（改改改改良良良良西西西西门门门门子子子子法法法法）或或SiCl4或或SiH4中中间间体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅三三种种方方法法各各有有特特点点，改改改改良良良良西西西西门门门门子子子子法法法法是是当当前前制制取取多多晶晶硅硅的的主要方法主要方法SiHCl3的的制制备备 多多用用粗粗硅硅与与干干燥燥氯氯化化氢氢在在200以以上上反反应应 Si十十3HCl=SiHCl3+H2除生成除生成SiHCl3外，还可能生
9、成外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是2Si十十7HClSiHCl3十十SiCl4十十3H214 SiHCl3性质又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体型。SiHCl3稳定性稍差，易水解SiHCl3十2H2O=SiO2十3HCl十H2注意要点注意要点(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或银粉作为催化剂银粉作为催化剂(2)反应放热，常通入反应放热，常通入Ar或或N2带走热量以提高转化率带走热量以提高转化率(3)须须严严格格控控制制
10、无无水水无无氧氧。因因SiHCl3水水解解产产生生的的SiO2会会堵堵塞塞管管道道造造引引起起事事故故。而而氧氧气气则则会会与与SiHCl3或或H2反反应应，引引起起燃燃烧烧或或爆爆炸炸15SiHCl3的提纯精馏利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯多晶硅的制备精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅SiHCl3十H2=Si十3HCl上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。163 3、单晶硅的制备、单晶硅的制备 多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方多晶
11、硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯作用（作用（分凝效应分凝效应）。）。l区熔区熔(FZ)法法l直拉法直拉法(CZ)：将多晶硅融解：将多晶硅融解后，再利用硅晶种慢慢拉出单后，再利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支晶硅晶棒。一支85公分长，重公分长，重76.6公斤的公斤的8寸寸硅晶棒，约需硅晶棒，约需2天半时间长成。天半时间长成。区熔单晶硅区熔单晶硅(FZ-Si)主要用于制作电力电子器件主要用于制作电力电子器件(SR、SCR、GTO等等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉、射线探测器
12、、高压大功率晶体管等；直拉单晶硅单晶硅(CZ-Si)主要用于制作主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电、晶体管、传感器及硅光电池等池等。 浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池等。等。171.1.4 多晶硅材料相关产业链产品多晶硅材料相关产业链产品半导体硅系列产品和设备产业链半导体硅系列产品和设备产业链18太阳能光伏系列产品和设备产业链太阳能光伏系列产品和设备产业链19多晶硅副产物系列产品和设备产业链多晶硅副产物系列产品和设备产业链201.2 半导体的形成与能带1.2.1 原子能级与晶体能带1、原子结合成晶体前 电子在各自的轨道上做
13、圆周运动，每一壳层对应相应的能量。 2、形成晶体后3S2P电子共有化运动电子共有化运动21能带的形成能带的形成禁带禁带禁带禁带允带允带允带允带允带允带原子能级原子能级能带能带电子分布原则：电子分布原则：1、能量最低原理、能量最低原理2、泡利不相容原理、泡利不相容原理N个原子，能级N度简并。221.2.2 导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁禁带：带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之
14、间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差23晶体能带结构晶体能带结构l导带底导带底EC:导带中能量最低的能级l价带顶价带顶EV：价带中能量最高的能级l禁带宽度禁带宽度Eg:导带底与价带顶的能量差 Eg = EC - EV导带导带禁带禁带价带价带电电子子能能量量导带底导带底Ec价带顶价带顶Ev空空穴穴能能量量Eg (禁带宽度禁带宽度)24绝缘体、半导体和导体的能带示意图绝缘体、半导体和导体的能带示意图传导电流的条件：存在使电子运动状态改变的外存在使电子运动状态改变的外界作用；界作用；电子能量增加后要进入的新能级必须是电子能量增加后要进入的新能级必须是空的空的251.3 1.3 本征半导体本征半
15、导体1.3.1 本征半导体的本征半导体的导电机构导电机构1、本征、本征半导体的定义（半导体的定义（intrisic)没有掺杂的半导体没有掺杂的半导体Si、Ge:正四面体正四面体共价键晶体共价键晶体共价键共价键共价键共价键共价键中共价键中的电子的电子原子核原子核262、本征半导体的能带、本征半导体的能带特点：禁带中无能级特点：禁带中无能级27半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子3、本征半导体的导电机构、本征半导体的导电机构电子：电子：Electron，带负电的带负电的导电载流子，是价导电载流子，是价电子脱离原子束缚电子脱离原子束缚后形成的自由电子，后形成的自由
16、电子，对应于导带中的电对应于导带中的电子子空穴：空穴：Hole，带正电的导电带正电的导电载流子，是价电子载流子，是价电子脱离原子束缚脱离原子束缚后形后形成的电子空位，对成的电子空位，对应于价带中的电子应于价带中的电子空位空位二种导电机构：二种导电机构：电子与空穴电子与空穴28本征载流子浓度：本征载流子浓度：n0=p0=nin0p0=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关1.3.2本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子本征激发：本征激发：产生与复合产生与复合载流子浓度载流子浓度 电电子子浓浓度度n, 空空穴穴浓浓度度p硅硅:锗：锗
17、：291.4.1施主杂质和受主杂质施主杂质和受主杂质donoraccepter 1. 4、杂质半导体杂质半导体半导体保持电中性半导体保持电中性301.4.2 N型半导体型半导体和和P型半导体型半导体 施主能级和施主电离施主能级和施主电离 受主能级和受主电离受主能级和受主电离1.4.3深能级杂质深能级杂质31 1.5 1.5 费米能级和载流子浓度统计分布费米能级和载流子浓度统计分布1.5.1 费米费米荻拉克分布函数荻拉克分布函数1.5.2 波尔兹曼分布波尔兹曼分布 其中 32费米分布函数与温度关费米分布函数与温度关系曲线（系曲线（A、B、C、D分别是分别是0、300、1000、1500K时的时的
18、f(E)曲线）曲线）331.5.3能级能级E被空穴占据的几率为：被空穴占据的几率为：341.5.4半导体中的费米能级半导体中的费米能级EFl电子填充能量水平的高低l本征半导体费米能级Ei位于禁带中央本征半导体P型半导体N型半导体EFEiEFEFEiEiEVEcEVEcEVEc35费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化361.5.5半导体中载流子浓度半导体中载流子浓度1、热平衡、热平衡2、平衡载流子浓度、平衡载流子浓度3、载流子浓度乘积、载流子浓度乘积374、本征半导体中载流子浓度、本征半导体中载流子浓度一般取:Si :300K38热平衡方程热平
19、衡方程热平衡方程对于特定的半导体材料，热平衡状态下 np 是一个与温度有关的常数395、 杂质半导体杂质半导体N型（型（p小忽略）小忽略）P型（型（n小忽略）小忽略）40l例题例题1.1 分别计算掺有施主杂质浓度 的N型硅和掺有受主杂质浓度 的P型硅的费米能级（以本征费米能级为参考能级）。l解： 41l例题例题1.2 已知某掺杂硅的费米能级比本征费米能级高0.26eV,试估算其导带电子浓度和价带空穴浓度。l解： 已知 l导带电子浓度l l价带空穴浓度42l例题例题1.3 在硅中掺入硼、磷、镓的浓度依次为l ,l问该材料是N型半导体，还是P型半导体？导带电子浓度和价带空穴浓度各为多少？l解： l
20、多数载流子浓度l少数载流子浓度l作业：作业：P291.2431.6、半导体的导电性、半导体的导电性1.6.1 1.6.1 载流子的漂移运动 一、漂移运动 电场力作用载流子沿电场力的方向漂移晶格、电离杂质散射441.6、半导体的导电性、半导体的导电性二、迁移率 :电子在单位电场作用下的漂移速度单位：cm 2/V.s硅硅锗锗砷化镓砷化镓n (cm2/V.s)135039008500p (cm2/V.s)4801900400451.6、半导体的导电性、半导体的导电性迁移率 :461.6、半导体的导电性、半导体的导电性三、漂移电流密度 :471.6、半导体的导电性、半导体的导电性1.6.2半导体的电导
21、率半导体的电导率 l lN N型半导体：型半导体： N qnn = qNDnl lP P型半导体：型半导体： P qpp = qNAp1.6.3方块电阻方块电阻481.7 非平衡载流子非平衡载流子l1.7.1非平衡载流子的含义非平衡载流子的含义l1.7.2非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合一、定义l复合几率rl复合率Rl产生率G l直接复合l间接复合l复合中心n = n -n0p p - p0491.7 非平衡载流子非平衡载流子 热平衡复合率热平衡复合率 复合率=产生率非平衡时的复合率非平衡时的复合率净复合率净复合率电中性条件电中性条件 501.7 非平衡载流子非平衡载流子二、非平衡载流子的
22、寿命：非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命: :单位体积非平衡载流单位体积非平衡载流子存在的平均时间子存在的平均时间非平衡载流子复合率非平衡载流子复合率511.7 非平衡载流子非平衡载流子1.7.3 1.7.3 非平衡载流子的扩散与漂移非平衡载流子的扩散与漂移一、扩散运动载流子分布从浓度高的区域扩散到存在浓度梯度浓度低的区域521.7 非平衡载流子非平衡载流子扩散流密度： f 单位时间通过单位面积 的粒子数cm-2s-1Dn：电子扩散系数 cm2/sDp：空穴扩散系数 cm2/s531.7 非平衡载流子非平衡载流子扩散电流密度 A/cm2541.7非平衡载流子二、一维稳定扩散下的少数载流子分布扩散长度表示少子在寿命时间内扩散距离的平均值。以 Ln、Lp 表示电子、空穴的扩散长度。三、非平衡载流子的漂移运动551.7非平衡载流子四、爱因斯坦关系四、爱因斯坦关系迁移率、扩散系数 D 反应的物理机理相同l l常温下 kT 0.026 eV kT/q 0.026 V作业：作业：P291.3，1.4，1.5，1.1156
