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1、半导体基本知识半导体基本知识2半导体材料的特征半导体材料的特征 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。容易导电的自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在物质称为导体，如金、银、铜、铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在104104欧姆欧姆 厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在率在10109 9欧姆欧姆 厘米以上。顾名思义
2、，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有如下的厘米以上。顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有如下的主要特征。主要特征。（l l）杂质影响半导体导电性能）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在在室温下，半导体的电阻率在 10104410109 9欧姆欧姆 厘米之间。而且，厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中
3、掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的材料。型的材料。（2 2）温度影响半导体材料导电性能）温度影响半导体材料导电性能 温度能显著改变半导体的导电性能。在一般的情况下，半导温度能显著改变半导体的导电性能。在一般的情况下，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。而金属体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。而金属的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。（3 3）有两种载流子参加导电）有两种载流子参加导电 在半导体中，参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电在半导体中，
4、参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时导电。离子和负离子同时导电。（4 4）其它外界条件对导电性能的影响）其它外界条件对导电性能的影响 半导体的导电能力还会随光照而发生变化。例如一层淀积半导体的导电能力还会随光照而发生变化。例如一层淀积在绝缘基板上的硫化镉
5、薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千在绝缘基板上的硫化镉薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千欧。这种现象称为光电导效应。此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的欧。这种现象称为光电导效应。此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的作用而变化，具有其它特性和效应。作用而变化，具有其它特性和效应。 2006-7-122006-7-122 2杂质补偿杂质补偿本征半导体中掺入本征半导体中掺入N N型杂质就成为型杂质就成为N N型半导体，掺入型半导体，掺入P P型杂质就成为型杂质就成为P P型半导体。在实际的半导体中，如果同时存在受主
6、杂质和施主杂质，型半导体。在实际的半导体中，如果同时存在受主杂质和施主杂质，受主杂质所产生的空穴通过复合与施主杂质所提供的电子相抵消，将受主杂质所产生的空穴通过复合与施主杂质所提供的电子相抵消，将使总的载流子数减少，这种现象称为使总的载流子数减少，这种现象称为杂质补偿杂质补偿杂质补偿杂质补偿。决定补偿后半导体。决定补偿后半导体导电类型和载流子浓度的是两种杂质补偿后的净浓度，即（导电类型和载流子浓度的是两种杂质补偿后的净浓度，即（NDNDNANA）或（）或（NANANDND）。其中）。其中NDND为施主杂质浓度，为施主杂质浓度，NANA为受主杂质浓度。为受主杂质浓度。当当NDNDNANA时，半导
7、体呈时，半导体呈N N型；反之，当型；反之，当NANANDND时，半导体呈时，半导体呈P P型。型。若若NDNANDNA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消。这时，不管半导体中杂质有很多，载流子却很少，基本上合而抵消。这时，不管半导体中杂质有很多，载流子却很少，基本上只有本征激发产生。这种情况称为只有本征激发产生。这种情况称为高度补偿高度补偿高度补偿高度补偿。利用杂质补偿可以任意改变半导体的导电类型。但补偿度过大对材料利用杂质补偿可以任意改变半导体的导电类型。但补偿度过大对材料和器件的电学性能会产生不良影响。和器件的电学性
8、能会产生不良影响。2006-7-122006-7-129 9电阻率电阻率电阻率是常用的半导体材料参数，它反映了半导电阻率是常用的半导体材料参数，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。弱。对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度决定。本征载流子浓度随温度的上升而急剧增加，决定。本征载流子浓度随温度的上升而急剧增加，而迁移率变化的影响只是次要的因素。本征半导而迁移率变化的影响只是次要的因素。本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降。体电阻率随温度增加而单调地下降。对杂质半导体，有杂质电离和本征激
9、发两个因素对杂质半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机存在，又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构存在，因而电阻率随温度的变化关系要复杂些。构存在，因而电阻率随温度的变化关系要复杂些。2006-7-122006-7-121010电阻率（续）电阻率（续）图图4- 3 4- 3 表示一定杂质浓度的半导体硅材料的电阻率和温度的关系。表示一定杂质浓度的半导体硅材料的电阻率和温度的关系。图图4- 3 4- 3 硅电阻率与温度关系示意图硅电阻率与温度关系示意图从上图可以看出，一定杂质浓度的硅材料的电阻率和温度的关系曲线大致可分为三段。在曲线的从上图可以看出，一定杂质
10、浓度的硅材料的电阻率和温度的关系曲线大致可分为三段。在曲线的ABAB段，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决段，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大。所以，电阻率随温度升高而下降。定，迁移率也随温度升高而增大。所以，电阻率随温度升高而下降。BCBC段为包括室温在内的一段温段为包括室温在内的一段温度范围，杂质全部电离，本征激发还不显著，载流子基本上不随温度变化；在这段温度范围，晶格度范围，杂质全部电离，本征激发还不显著，载流子基本上不随温度变化；在这段温度范围，晶格散射为主要的
11、散射机构，迁移率随温度升高而降低。所以，电阻率随温度升高而增大。当温度继续散射为主要的散射机构，迁移率随温度升高而降低。所以，电阻率随温度升高而增大。当温度继续升高到曲线的升高到曲线的CDCD段时，本征激发很快增加，大量产生的本征载流子的作用远远超过段时，本征激发很快增加，大量产生的本征载流子的作用远远超过迁移率减小迁移率减小迁移率减小迁移率减小对对电阻率的影响，表现出与本征半导体相似的特性。显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温电阻率的影响，表现出与本征半导体相似的特性。显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度也越高。度也越高。2006-7-122006-7-121111附录附录硅在
12、硅在硅在硅在300K300K的物理常数的物理常数的物理常数的物理常数 原子序数原子序数1414原子量原子量 28.0828.08 晶体晶体结结构构金金刚刚石（石（8atoms/unit cell8atoms/unit cell） 晶格常数晶格常数0.5431nm0.5431nm 原子密度原子密度5.0x105.0x102222/c /c 密度密度2.33g/cm2.33g/cm3 3 熔点熔点142014202006-7-122006-7-121212硅在常温下电阻率硅在常温下电阻率硅在常温下电阻率硅在常温下电阻率 与杂质浓度的关系与杂质浓度的关系与杂质浓度的关系与杂质浓度的关系 2006-7
13、-122006-7-1213132006-7-122006-7-121414CZOCHRALSKI（CZ） 单 晶 生 长 法这这 个用个用 其其 发发 明明 者者 的的 名名 字字 命命 名名 的的 生生 长长 法，法， 就就 是是 在在 界界 面面 上使上使 原原 子子 从从 液液 相相 晶晶 体体 凝凝 固。固。 生生 产产 CZ CZ 硅硅 的的 基基 本本 生生 产产 方方 法法 自自 从从 五十五十 年年 代代 早早 期期 由由 Teal Teal 和和 其其 它它 人人 首首 创创 后后 就就 没没 有有 明明 显显 的的 改改 变变（。（。简简 单单 易易 行行 的的 方方 法
14、法 和和 相相 当当 高高 的的 晶晶 体体 纯纯 度度 使使 CZ CZ 法法 成成 为为 半导半导 体体 产产 业业 早早 期期 主主 要要 的的 晶晶 体体 生生 长长 技技 术。术。 六六 十十 年年 代代 晚晚 期期 无无 位位 错晶错晶 锭锭 生生 长长 和和 自自 动动 直直 径径 控控 制制 的的 发发 展，展， 导导 致致 了了 晶晶 锭锭 直直 径径 和和 晶晶 体溶体溶 液液 尺尺 寸寸 的的 迅迅 速速 变变 大。大。 在在 经经 济济 效效 益益 的的 驱驱 使使 下，下， 对对 于于 更更 大大 的晶的晶 锭，在锭，在 炉炉 料料 尺尺 寸寸 和和 直直 径径 方方
15、 面面 需需 要要 进进 一一 步步 增增 加。加。 如如 图图7 7 所所 示，到示，到 1985 1985 年年 已已 经经 有有 了了 直直 径径 150mm 150mm 的的 晶晶 体体 和和 60kg 60kg 的的 炉炉 料料 （标（标 准准 的工的工 业业 用用 晶晶 锭锭 长长 0.50.52.5m2.5m， 每每 60kg 60kg 炉炉 料料 能能 生生 长长 大大 约约 长长 为为 1m 1m 直直 径径150mm 150mm 的的 晶晶 锭）。锭）。2006-7-122006-7-1215152006-7-122006-7-121616Czochralski 晶 体 生
16、 长 步 序上上 图图 中中 一一 组组 连连 续续 的的 照照 片片 显显 示示 了了 CZ CZ 硅硅 晶晶 体体 生生 长长 的的 步步 骤，首骤，首 先装先装 载载 盛盛 有有 无无 掺掺 杂杂 EGS EGS 炉炉 料料 和和 精精 确确 数数 量量 的的 低低 硅硅 合合 金金 的的 熔熔 融融 石英石英 坩坩 埚。埚。 然然 后后 从从 生生 长长 室室 中中 抽抽 出出 空空 气，气， 再再 充充 以以 惰惰 性性 气气 体（为体（为 限制在限制在 生生 长长 时时 空空 气气 中中 的的 气气 体体 混混 入入 溶溶 液），液）， 然然 后后 熔熔 化化 炉炉 料（硅料（硅
17、的的 熔点熔点 是是1412C1412C）。）。 下下 一一 步步 将将 有有 精精 确确 取取 向向 裕裕 度度 的的 细细 籽籽 晶（大晶（大 约约 直直 径径5mm5mm、 长长100300mm) 100300mm) 放放 入入 熔熔 融融 的的 硅。硅。 然然 后后 以以 控控 制制 的的 速速 度度 抽抽 回回 籽晶。籽晶。 在在 拉拉 取取 过过 程程 中，籽中，籽 晶晶 和和 坩坩 埚埚 都都 在在 旋旋 转，转， 但但 方方 向向 相相 反。当反。当 初初 始始 拉拉 的的 速速 率率 相相 当当 快，可快，可 以以 形形 成成 一一 个个 细细 颈。颈。Dach Dach 发
18、发 现现 如果如果 形形 成成 这这 个个 细细 颈，颈， 生生 长长 的的 晶晶 锭锭 就就 可可 以以 达达 到到 宏宏 观观 无无 位位 错错 的的 晶态。晶态。 此此 时，时， 熔熔 融融 温温 度度 下下 降降 并并 且且 稳稳 定，定， 所所 需需 晶晶 锭锭 的的 直直 径径 可可 以以 形成形成 （放（放 肩肩 步步 骤），骤）， 通通 过过 精精 确确 调调 控控 拉拉 取取 速速 率，率， 可可 以以 使使 直直 径径 大大 小持小持 续续 保保 持。持。 拉拉 取取 一一 直直 持持 续续 到到 炉炉 料料 接接 近近 耗耗 尽，此尽，此 时，时，晶晶 锭锭 被被 回回
19、拉成拉成 扁扁 尾尾 形（形（tangtang）（收）（收 尾）。尾）。 工工 序序 的的 最最 后后 一一 步步 是是 停停 炉炉 过过 程。程。冷冷 的的 籽籽 晶晶 刚刚 刚刚 浸浸 入入 溶溶 液液 时，时， 在在 晶晶 体体 被被 加加 热热 的的 外外 部部 和还和还 冷冷 的的 内内 部部 之之 间间 会会 有有 很很 大大 的的 应应 力。力。 这这 些些 应应 力力 大大 得得 足足 以以 引起引起 塑塑 性性 变变 形，形， 从从 而而 导导 致致 晶晶 体体 中中 的的 宏宏 观观 位位 错。错。 当当 从从 溶溶 液液 中中 快速快速 拉拉 取取 细细 颈颈 区区 时，
20、时， 这这 些些 位位 错错 被被 驱驱 赶赶 到到 细细 颈颈 的的 圆圆 柱柱 体体 表表 面。此面。此 时，位时，位 错错 就就 不不 向向 随随 后后 结结 晶晶 的的 晶晶 体体 区区 扩扩 展展 了。了。 如如 此此 生长生长 的的 晶晶 体体 就就 没没 有有 宏宏 观观 位位 错，错， 而而 且且 将将 持持 续续 这这 样样 生生 长，长， 除除 非非 有明有明 显显 的的 扰扰 动动 影影 响响 了了 结结 晶晶 过过 程（程（ 如如 溶溶 液液 中中 颗颗 粒粒 与与 生生 长长 晶晶 体体 接触，接触， 或或 生生 长长 时时 晶晶 体体 被被 振振 动）、动）、 无无 位位 错错 晶晶 体体 能能 持持 续续 地地 生生 长长 而而 没有没有 位位 错错 的的 趋趋 势势 归归 因因 于于 必必 须须 给给 完完 整整 晶晶 体体 很很 大大 的的 应应 力力 以以 产产 生位生位 错。错。 在在 完完 好好 控控 制制 生生 长长 的的 情情 况况 下下 是是 产产 生生 不不 了了 如如 此此 大大 的的 应力应力 的。的。2006-7-122006-7-121717
