晶體及半導(dǎo)體材料

1、晶體及硅材料簡介目目 錄錄 晶體 半導(dǎo)體 摻雜和雜質(zhì)晶晶 體體 晶體 組成物質(zhì)的原子、分子或離子在空間呈現(xiàn)具有規(guī)律性、周期性的排列，這樣的物質(zhì)就是晶體。晶體一般呈固體形態(tài) 。* 食鹽是氯化鈉的結(jié)晶體，味精是谷氨酸鈉的結(jié)晶體，冬天窗戶玻璃上的冰花和天上飄下的雪花，是水的結(jié)晶體。食鹽（NaCl）晶體掃描電鏡下的雪花晶體小貼士：液晶小貼士：液晶 液晶一些有機(jī)化合物和高分子聚合物，在一定溫度或濃度的溶液中，既具有液體的流動性，又具有晶體的各向異性，這就是液晶。 液晶在正常情況下，其分子排列很有秩序，顯得清澈透明，一旦加上直流電場后，分子的排列被打亂，一部分液晶變得不透明，顏色加深，因而能顯示數(shù)字和圖象

2、。液晶顯示屏：Liquid Crystal Display ( LCD ) 一定的幾何形狀 一般為規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)。 各向異性(力學(xué)、光學(xué)等) 晶體在不同方向上具有不同的機(jī)械和物理特性。* 溶融晶體物質(zhì)結(jié)晶（凝固）時在各個方向生長速度不一致。* 晶體很容易沿粒子密排面（解理面）斷裂，斷面呈平整面。* 多晶體內(nèi)的很多個晶粒排列方向不同，各晶粒的方向性互相抵消；加之晶界的作用，整個多晶體呈現(xiàn)出各向同性。 固定的熔點(diǎn) 達(dá)到熔點(diǎn)溫度，晶體才會熔化為液體。熔點(diǎn)也是溶融態(tài)晶體的凝固點(diǎn)。晶體特性晶體特性 負(fù)電阻溫度系數(shù) 隨環(huán)境溫度升高，材料電阻值降低。 摻雜特性 半導(dǎo)體材料對摻入其中的雜質(zhì)特別敏感，很微量的

3、雜質(zhì)就可以大幅度改變材料的電學(xué)、光學(xué)性能* 這種改變可能是降低，也可能是提高某一性能。如雜質(zhì)降低電電阻率，某些雜質(zhì)也可提高硅材料的紅外透射性能。小貼士：自然晶體小貼士：自然晶體 自然界的奇跡 自然界非生命形態(tài)中最具有規(guī)律性美感的物體。 所有的寶石都是晶體，而且很多都是單晶體。水晶（SiO2）單晶體晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu) 組成晶體結(jié)構(gòu)的粒子(分子、原子、離子)在空間有規(guī)則地排列在一定的點(diǎn)上，這些點(diǎn)群有一定的幾何形狀，叫做晶格。排有結(jié)構(gòu)粒子的那些點(diǎn)叫做晶格的結(jié)點(diǎn)。 體心立方晶格結(jié)構(gòu) 食鹽食鹽( NaCl ) ( NaCl ) 晶體分子結(jié)構(gòu)晶體分子結(jié)構(gòu) 面心立方晶格結(jié)構(gòu)銅銅( Cu )( Cu

4、)晶體原子結(jié)構(gòu)晶體原子結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)- -分類分類 晶體按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為七大晶系和14種晶格類型 七大晶系u三斜晶系、單斜晶系、正交晶系、三方晶系、四方晶系、六方晶系、立方晶系 14種晶格結(jié)構(gòu) u簡單三斜、簡單單斜、底心單斜、簡單正交、底心正交、體心正交、面心正交、三角、簡單四方、體心四方、簡單六方、簡單立方、體心立方、面心立方晶胞晶胞 晶胞晶格的最小單元。晶體以晶胞的結(jié)構(gòu)方式在空間重復(fù)排列， 構(gòu)成了晶體。 * 單晶體：長程有序晶胞重復(fù)排列；多晶體：短程有序。 硅晶胞一個硅原子與周圍其它四個硅原子以共價鍵組成了一個正四面體晶胞。中心結(jié)點(diǎn)共價鍵面心立方金剛石晶格結(jié)構(gòu)面心立方金剛石晶格結(jié)構(gòu)

5、 硅、鍺、碳的金剛石晶格結(jié)構(gòu) 這一類晶體的晶格 結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為面心立方正四面體金剛石 結(jié)構(gòu)。硅硅( (金剛石金剛石) )晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu) 晶胞在空間重復(fù)排列晶胞在空間重復(fù)排列結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)鍵鍵( (虛擬虛擬) )單晶和多晶單晶和多晶 單晶體 整個物質(zhì)內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律（晶胞結(jié)構(gòu)）定向排列，組成的物體稱為單晶體。 多晶體 由很多不同取向的小尺寸單晶體（晶粒）組成的物體稱為多晶體。單晶硅錠多晶硅錠單晶生長單晶生長 為什么要生長單晶 只有體內(nèi)原子排列長程有序的單晶體，才能充分表現(xiàn)出材料的半導(dǎo)體特性，特別是表現(xiàn)出其特異的電學(xué)性質(zhì)，也才能在電子工業(yè)中加以應(yīng)用。 單晶生長方法 工業(yè)上的單晶生長方法有兩種u直

6、拉（CZ： Czochralski ）法，也稱為坩堝法；u區(qū)熔（FZ： Float Zone ）法，也稱為無坩堝法。CZCZ法生長單晶法生長單晶( Czochralski grown crystal ) 在石英(硅)或石墨(鍺)坩堝內(nèi)加入清潔處理后的高純多晶硅(鍺)原料；在保護(hù)氣氛(Ar氣)或真空環(huán)境中，石墨加熱器加熱到1450(硅)或950 (鍺) ，熔化原料；使籽晶和坩堝反向旋轉(zhuǎn)，將確定晶向的清潔單晶籽晶插入熔體；降低溫度到結(jié)晶點(diǎn)附近，同時向上提拉籽晶，此時熔體沿籽晶的晶格結(jié)構(gòu)排列凝固在籽晶周圍；緩慢擴(kuò)大結(jié)晶部份，待直徑達(dá)到要求時，控制溫度和籽晶向上提拉的速度，進(jìn)入等徑生長；滿足要求長度后

7、，升溫逐漸收細(xì)晶體直徑，直至晶體脫離熔體表面，完成單晶生長。* 這就是國際主流的直拉單晶工藝(切克勞斯基法)； 直拉法可生長很大直徑的單晶體(目前國際上直拉法硅單晶直徑已達(dá)300400mm，1216)。CZCZ法工藝示意法工藝示意單晶體單晶體硅硅( (鍺鍺) )熔體熔體籽籽 晶晶石墨坩堝（鍺）石墨坩堝（鍺）石墨加熱器石墨加熱器石英坩堝（硅）石英坩堝（硅）電電 纜纜保護(hù)氣氛中保護(hù)氣氛中晶體運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)（提拉鋼晶體運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)（提拉鋼纜或硬軸提拉頭）纜或硬軸提拉頭）CZCZ法設(shè)備和產(chǎn)品法設(shè)備和產(chǎn)品1 1CZCZ法設(shè)備和產(chǎn)品法設(shè)備和產(chǎn)品2 2FZFZ法生長單晶法生長單晶 ( Float zone grown

8、 crystal ) 在多晶硅棒上截取一段內(nèi)外均無裂紋硅錠，或使用模具熔鑄出一根硅錠。滾磨至一定直徑，腐蝕清潔處理；將硅錠豎直安裝在區(qū)熔爐底座上。感應(yīng)圈套在錠外；將切割清潔處理的單晶籽晶安裝在爐體上端夾頭內(nèi)，并下移與硅錠接觸；在保護(hù)氣氛(Ar氣)或真空環(huán)境中，通過感應(yīng)加熱，使硅錠上產(chǎn)生一段熔化區(qū)域；籽晶與熔區(qū)充分熔接后，向上移動籽晶；控制溫度，使熔化硅料沿籽晶的晶格結(jié)構(gòu)排列凝固在籽晶周圍。由于硅液的表面張力較大，熔區(qū)不會斷開；隨著硅料向上結(jié)晶，感應(yīng)圈和熔區(qū)也逐漸向下移動，直至到達(dá)硅錠底端，晶體生長完成。* 區(qū)熔法避免了坩堝和加熱器帶來的污染，是生長高純單晶的唯一方法； 區(qū)熔法只能生長熔體表面張

9、力較大的單晶材料；受硅熔體自身表面張力的限制，區(qū)熔法生長的單晶直徑有限（一般不超過150mm）。保護(hù)氣氛中保護(hù)氣氛中籽籽 晶晶加熱感應(yīng)圈加熱感應(yīng)圈硅硅 錠錠底底 座座 熔熔 區(qū)區(qū)單單 晶晶夾夾 頭頭FZFZ法工藝示意法工藝示意FZFZ法設(shè)備和產(chǎn)品法設(shè)備和產(chǎn)品-1-1FZFZ法設(shè)備和產(chǎn)品法設(shè)備和產(chǎn)品-2-2其它單晶生長方法其它單晶生長方法 CVD和PVD法 化學(xué)或物理氣相沉積法可在單晶硅/鍺片襯底上生長厚度以微米計的單晶薄膜。 氣相沉積法可生長出不同單質(zhì)和化合物材料的單晶薄膜，如硅襯底上生長碳(金剛石)、砷化鎵、磷化銦等薄膜，稱為外延生長。 溶液內(nèi)生長單晶法 通過飽和溶液的析出方法，生長一些可溶

10、性離子晶體。* 以上方法都不能用于大規(guī)模生長單晶體。目目 錄錄 晶體 半導(dǎo)體 摻雜和雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體 導(dǎo)體（Conductor）：容易導(dǎo)通電流的物體。電阻率小于110-5cm。 絕緣體（Insulator）：不容易導(dǎo)通電流的物體。 電阻率大于11011cm。 半導(dǎo)體（Semiconductor）：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣 體之間的物體。 電阻率在110-411010cm左右的范圍內(nèi)。導(dǎo)體導(dǎo)電原理導(dǎo)體導(dǎo)電原理 金屬導(dǎo)體絕大多數(shù)金屬都是導(dǎo)體金屬之間以金屬鍵結(jié)合為一個整體，原子外層價電子成為自由電子，在電場作用下產(chǎn)生電流。 溶液離子晶體的溶液（如氯化鈉）內(nèi)存在正、負(fù)兩種離子，外加

11、電場時，兩種離子分別向不同的電極性方向運(yùn)動，產(chǎn)生電流。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體（特別是IVA族硅、鍺）原子最外層4個電子，全部互相結(jié)合形成共價鍵，材料體內(nèi)沒有自由電子，也沒有正、負(fù)離子。 半導(dǎo)體材料幾乎都是晶體 半導(dǎo)體材料種類：u單質(zhì)半導(dǎo)體材料：以鍺、硅、碳*為代表。 * 以不同的原子排列方式，碳可呈現(xiàn)不同的性狀：u石墨：層狀結(jié)構(gòu)，黑色，良導(dǎo)體；u金剛石：四面體金剛石結(jié)構(gòu)，透明，半導(dǎo)體。* 金剛石薄膜半導(dǎo)體技術(shù)是當(dāng)今方興未艾的半導(dǎo)體電子學(xué)熱點(diǎn)。u化合物半導(dǎo)體材料：如GaAs、InP、GaN、SiC和ZnO等化合物半導(dǎo)體材料根據(jù)用途分類 主要有半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件幾類。半導(dǎo)體與晶體半導(dǎo)體與晶體小

12、貼士：電阻率小貼士：電阻率電阻率：表示各種物質(zhì)導(dǎo)電性能和電阻特性的物理量。某種材料制成的長1m、橫截面積1mm2的導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。符號：。單位國際單位制中，電阻率單位是mm2/m。常用導(dǎo)出單位m或cm。1 mm2/m = 110-6m = 110-4cm* 銅電阻率：1.710-6cm；超純理想硅電阻率：50000cm* 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：物體傳導(dǎo)電流的能力，電導(dǎo)率的倒數(shù)為電阻率。物體傳導(dǎo)電流的能力，電導(dǎo)率的倒數(shù)為電阻率。電導(dǎo)率的基本單位是西門子（電導(dǎo)率的基本單位是西門子（S），原來被稱為姆歐，取電阻單位歐姆倒數(shù)之意。標(biāo)），原來被稱為姆歐，取電阻單位歐姆倒數(shù)之意。標(biāo)準(zhǔn)的測量中用

13、單位電導(dǎo)率（準(zhǔn)的測量中用單位電導(dǎo)率（S/cm）來表示）來表示 。 半導(dǎo)體其它特性半導(dǎo)體其它特性-1-1 光敏特性-光生伏特(打)效應(yīng)不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體接觸面間形成PN結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓。兩端引線形成回路則產(chǎn)生電流。太陽電池的應(yīng)用原理，所以太陽電池產(chǎn)業(yè)也稱為光伏產(chǎn)業(yè)。 整流效應(yīng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，兩端加正向電壓，導(dǎo)電；電壓極性反過來，就不導(dǎo)電。晶體二極管的原理，交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷恼骷夹g(shù)基礎(chǔ)。半導(dǎo)體其它特性半導(dǎo)體其它特性-2-2 摻雜效應(yīng)（雜質(zhì)敏感性）半導(dǎo)體的電導(dǎo)（阻）率與材料中的雜質(zhì)元素含量有關(guān)高純半導(dǎo)體材料幾乎不導(dǎo)電，極少量的雜質(zhì)即可大大提高半

14、導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率。 熱敏特性（負(fù)溫度電阻系數(shù)）導(dǎo)電性能隨環(huán)境溫度的改變而明顯變化與多數(shù)金屬導(dǎo)體相反，電阻率隨溫度升高而降低 各向異性作為固體晶體，半導(dǎo)體也具有顯著的物理和機(jī)械的各向異性半導(dǎo)體材料用途半導(dǎo)體材料用途 電子元器件分離元器件：半導(dǎo)體二極管、晶體管（三極管）、 可控硅（閘流管）。 各種LED（發(fā)光二極管）、光熱-電傳感元器件。 (極)大規(guī)模集成電路以個人電腦CPU為代表的集成電路芯片。 太陽電池幾乎95%以上的太陽電池都使用半導(dǎo)體硅材料制作。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體沒有摻雜且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體(intrinsic- semiconductor) 。 載流子晶體

15、中荷載電流（或傳導(dǎo)電流）的粒子。可以是電子或空穴。 電子-空穴對本征半導(dǎo)體受到光電注入或熱激發(fā)時，部分電子會掙脫共價鍵的束縛，躍遷成為自由電子。原來位置形成帶正電的空位，稱為空穴。電子和空穴合稱為電子-空穴對。電子和空穴均能自由移動，稱為自由載流子自由載流子。熱激發(fā)產(chǎn)生的電子躍遷過程稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。硅的原子結(jié)構(gòu)硅的原子結(jié)構(gòu)硅的外層電子排列為1S22S22P63S23P2，如下圖所示。最外層的4個價電子都與鄰近的原子構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。這時，每兩個相鄰原子之間都共用一對電子，使原子的最外層軌道上形成了8個價電子的穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)。+14+14最外層價電子最外層價電子內(nèi)層電子內(nèi)層電子原子核原子核共價

16、鍵共價鍵硅的本征激發(fā)示意硅的本征激發(fā)示意電子電子- -空穴對空穴對目目 錄錄 晶體 半導(dǎo)體 摻雜和雜質(zhì)半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜 摻雜的意義電子-空穴數(shù)量相同，在本征半導(dǎo)體體內(nèi)達(dá)到一個動態(tài)平衡。即同一時間既有激發(fā)的電子與空穴復(fù)合，也有新的位置上價電子的激發(fā)。本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴統(tǒng)稱非平衡載流子，數(shù)量較少。正常情況下半導(dǎo)體導(dǎo)電性很弱，沒有實(shí)際應(yīng)用意義。為了應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)、生活中，人們有意識地在高純半導(dǎo)體中摻入特定種類和特定數(shù)量的雜質(zhì)，以使半導(dǎo)體表現(xiàn)出特定的電學(xué)和光學(xué)等性能。這種人為有意識摻入的雜質(zhì)稱為摻雜雜質(zhì)。* 摻雜是在高純半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為此，首先要得到高純材料 。 對半導(dǎo)體

17、粗材料的提純與摻雜過程相反，是除去材料內(nèi)原有的不需要的雜質(zhì)。 P型(IIIA族)摻雜B（Al）：最外層有3個價電子。取代晶格結(jié)點(diǎn)中硅原子構(gòu)成共鍵價時，因缺少一個價電子而形成一個空穴。其它位置的電子補(bǔ)位可看作空穴的移動?？昭▽?dǎo)電型半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（Positive-type）。P型摻雜稱為受主雜質(zhì)（Acceptor）。 N型(VA族)摻雜P（As、Sb）：最外層有5個價電子。取代晶格結(jié)點(diǎn)中硅原子構(gòu)成共鍵價時，多余的第五個價電子容易擺脫磷原子核束縛形成自由電子。電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（Negative-type）。N型摻雜稱為施主雜質(zhì)（Donor）。* 注意：不論P(yáng)型或N型半導(dǎo)體，盡管

18、其中有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體 仍然是不帶電的，即電中性。P P型和型和N N型摻雜型摻雜B B、P P原子結(jié)構(gòu)示意原子結(jié)構(gòu)示意P P：1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P3 3B B：1S1S2 22S2S2 22P2P1 1+5+15硼硼:+5:+5 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14P P型摻雜示意型摻雜示意N N型摻雜示意型摻雜示意磷磷:+15:+15 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14 硅硅:+14:+14補(bǔ)償和補(bǔ)償和“假本征假本征”硅中同時存在P、N型雜質(zhì)時，兩種雜質(zhì)形成的空穴和電子相互復(fù)合，最終表現(xiàn)出較高的電阻率，從宏觀上來看，就好像只摻入少量的雜質(zhì)。這種情況稱為補(bǔ)償。如果P、N型雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴與電子基本全部復(fù)合，常溫下半導(dǎo)體表現(xiàn)出很高的電阻率，甚至接近本征特性。這種情況我們稱為假本征。補(bǔ)償?shù)募俦菊髋c真正的本征半導(dǎo)體存在根本的區(qū)別：首先，替位的雜質(zhì)引起硅晶格的畸變，進(jìn)而產(chǎn)生物理性能的變化；其次，在硅晶體內(nèi)的P型與N型雜質(zhì)呈現(xiàn)出不同的物質(zhì)特性，大量的雜質(zhì)使半導(dǎo)體在不同的外加電場或光熱時表現(xiàn)出復(fù)雜的性狀。金屬雜質(zhì)金屬雜質(zhì) 重金屬和過渡金屬Fe、Cu、Ni、Cr、Zn、Ti、Au、Ag、Mn、Co、Hg等過渡金屬和重金屬元素，