硅的性質(zhì)及有關(guān)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論培訓(xùn)資料

1、硅的性質(zhì)(xngzh)及有關(guān)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論第一頁，共35頁。 硅是典型的具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素，是很重要的半導(dǎo)體材料。據(jù)統(tǒng)計，目前半導(dǎo)體器件的95以上用硅材料制作，集成電路99以上是用硅材料制作。 這個(zh ge)比例還在增大。尤其大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）、甚大規(guī)模集成電路（ULSI）都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅單晶拋光片或外延片上。第二頁，共35頁。（1） 硅在地殼中的含量僅次于氧（2）硅以化合態(tài)形式(xngsh)存在 (氧化物及硅酸鹽)第三頁，共35頁。一、硅的物化(whu)性質(zhì)1、硅晶體是灰色的硬而相當(dāng)脆的晶體，密度為2.4g/3，熔點為1420，沸點為2360

2、。2、硅在常溫下，僅與氟發(fā)生作用，在高溫下硅能與氯、氧、水蒸氣等作用，生成sicl4、sio2.硅在熔融(rngrng)狀態(tài)下還能與氮、碳等反應(yīng)生成氮化硅和碳化硅。Si +2cl21200sicl4Si+O210501150siO2Si+2H2O10501150siO2+2H2Si+4HCL（氣）1250sicl4+2H2第四頁，共35頁。3、在通常條件下，硅對HNO3、H2SO4、HCL及王水都是穩(wěn)定的。硅與HNO3、 HF的混合液起作用(zuyng)。其反應(yīng)式如下：Si+4HNO3Sio2+4NO2+2H2oSiO2+6HFH2（siF6）+2H2O總的反應(yīng)式為：Si+4HNO3+6HFH

3、2（siF6）+4NO2+ 4H2O反應(yīng)(fnyng)生成可溶性的六氯硅酸絡(luò)合物（siF6），因此，HF和HNO3混合液是常用的硅腐蝕液.第五頁，共35頁。4、在常溫下硅能與堿相互作用生成相應(yīng)(xingyng)的硅酸鹽，反應(yīng)式如下：Si+2NaOH+H2OSiNa2O3+2H2因此，10-30的NaOH的溶液可作為(zuwi)硅腐蝕液 5 5、硅能與、硅能與Cu+2Cu+2、Pb+2 Pb+2 、AgAg2 2、HgHg2 2 等金屬離子發(fā)生等金屬離子發(fā)生(fshng)(fshng)置換反應(yīng)，置換反應(yīng)，因此，硅能從這些金屬離子的鹽溶液中置換出金屬。例如：因此，硅能從這些金屬離子的鹽溶液中置換出

4、金屬。例如：Cu+2Si=Si+2Cu 在工藝上用染色法測量P-N結(jié)的結(jié)深時常用。6、硅能溶解在熔融的鋁、金、銀、錫等金屬中，形成合金。7、在高溫下硅與鎂、銅、鈣、鉑、鉍等金屬能形成具有一定組分的硅化物。例如：硅與鎂在高溫下作用生成硅化鎂。 Si+2Mg=Mg2si 第六頁，共35頁。二、有關(guān)(yugun)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論固體材料(cilio)（物質(zhì)）按電學(xué)性質(zhì)可分為三類： 導(dǎo)體、 半導(dǎo)體、 絕緣體。第七頁，共35頁。第八頁，共35頁。（一）晶體的基本知識自然界中多種固體大部分都具有晶體結(jié)構(gòu)。1、晶體具有一定的幾何形狀，任何晶體的形狀都是多面體，其中最簡單的為正立方體。2、晶體具有各向異性的特性

5、。即晶體的某些物理性質(zhì)與方向有關(guān)。不同方向測量它的電導(dǎo)率、介電常數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)所得結(jié)果完全(wnqun)不一樣。 對不同形狀的晶體各向異性程度是不同的，立方形晶體的各向異性最小。對大多數(shù)晶體來講，各向異性在他們的機械性能方面表現(xiàn)尤為明顯。然而，對于非晶體它的物理性質(zhì)與方向無關(guān)，成為各向同性。3、晶體具有一定的溶解度，在某一個嚴格固定的溫度下溶解而變成液體狀態(tài)。第九頁，共35頁。 以上晶體的各種性質(zhì)，都可以用晶體結(jié)構(gòu)的特點加以解釋，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列很有秩序，構(gòu)成(guchng)晶體的各種粒子：原子、離子、分子，形成規(guī)則的、有規(guī)律的、周期性的空間點陣。這類點陣是三組平面相交而成。其中每一組都是由很

6、多彼此平行等距離的平面組成。 構(gòu)成(guchng)晶體的粒子排列在空間點陣的結(jié)點上，這些粒子（分子、粒子或原子）的熱振動只表現(xiàn)為粒子在結(jié)點附近的振動，因此結(jié)點便是熱振動的中心。如果將熱振動忽略不計，則可認為晶體的粒子是固定在空間點陣的結(jié)點上，形成晶體過程中所產(chǎn)生的點陣特性和類型取決于形成點陣的粒子之間作用力的性質(zhì)。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)很有秩序是因為在這種結(jié)合力下相應(yīng)于最小位能，所以點陣處在穩(wěn)定平衡狀態(tài)。晶體的形狀、點陣類型只決定于能量關(guān)系。第十頁，共35頁。 根據(jù)構(gòu)成晶體的粒子不同，可把晶體點陣(jn t din zhn)區(qū)分為四種： A、分子點陣 B、原子點陣 C、粒子點陣 D、金屬點陣 晶體又分單

7、晶體和多晶體。 單晶體：依照一定的規(guī)律和方向排列。 多晶體：各個小晶體之間的排列不完全相同，也無規(guī)則。 第十一頁，共35頁。硅晶體結(jié)構(gòu)：硅是由很多微小的晶體所組成，微小的晶體里硅原子按嚴格的規(guī)律(gul)排列著。 在周期表上的位置，硅原子具有四個價電子，每個硅原子與另外一個硅原子的價電子組成一個電子對，這個電子對存在于兩個硅原子之間，并且依靠它們把原子與原子互相結(jié)合在一起。這種結(jié)合方式稱為“共價鍵”的結(jié)合。形成一個穩(wěn)定的原子根，帶有四個單位的正電荷，叫“原子點陣”結(jié)構(gòu)。 硅（硅（SiSi）284相對(xingdu)原子質(zhì)量28.0855第十二頁，共35頁。（二）能級概念和原子殼層組織自然界中的

8、物質(zhì)都有原子組成的。我們知道，原子是一個復(fù)雜的電系統(tǒng)，但基本上它是由帶正電核和繞核旋轉(zhuǎn)而又自轉(zhuǎn)的電子所組成，由于它們電荷相等符號相反(xingfn)，所以原子是中性的（即帶正電的質(zhì)子（原子核），帶負電的電子）。 電子受到原子核勢場的作用，只能處于某些特定的能量狀態(tài)稱為能級。 硅原子共有14個電子，分別列在1S、2S、2P、3S和3P的能級上。其中1S容納2個電子，2S容納2個電子，2P容納6個電子，它們都是占滿的。3S和3P各容納2個電子。但是對于n=3來說最多可容納16個電子。（n 是主量子數(shù)）因而沒有占滿。這4個電子就是硅的價電子，所以硅是4價元素。常以1S2、2S2、2P6、3S2、3P

9、2 表示硅原子中的電子狀態(tài)。第十三頁，共35頁。 電子的能量是不連續(xù)的，其值由主量子數(shù)n決定。對于含有多個電子的原子，理論和實驗均指出電子的能量是不連續(xù)的，它們分列在不同的能級上，按層分布，成為電子殼層。用主量子數(shù)n來表示。處于n =1 狀態(tài)的電子屬于(shy)第一電子殼層，成為K殼層，處于n=2、3、4狀態(tài)的電子分別屬于(shy)第二、三、四電子殼層，分別稱為L、M、N殼層，所以主量子數(shù)n 是決定電子能量的主要因素。KLMN核核第一殼層的電子，其能量仍稍有差別，它們(t men)的軌道角動量不同，同一電子殼內(nèi)有n 個支殼層，以S、P、d、f分別表示。第十四頁，共35頁。電子還具有自轉(zhuǎn)運動，自

10、轉(zhuǎn)只可能有兩個狀態(tài)，分別(fnbi)+1/2和-1/2。 原子中的電子首先填充最低能態(tài)，然后填充較高能態(tài)，組成殼層結(jié)構(gòu)，電子分別(fnbi)列在內(nèi)外許多殼層上。各殼層容納的電子數(shù)各殼層容納的電子數(shù)殼層殼層n n支殼層支殼層最多容納的電子數(shù)最多容納的電子數(shù)L(L(角量子數(shù)）角量子數(shù)）能級能級電子數(shù)電子數(shù)K101S22L202S2812P6M303S21613P423d10N404S23214P624d1034f14第十五頁，共35頁。（三）半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和能帶制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶體。單晶體是由靠得很緊的原子周期性重復(fù)排列而成。相鄰原子間距上有幾個的數(shù)量級，例如硅單晶的晶格常數(shù)為5

11、.43072 ，可以算出硅每立方厘米體積內(nèi)有51022個硅原子。原子間最短距離為2.351 。(埃米(Angstrom 或ANG或)是晶體學(xué)、原子物理、超顯微結(jié)構(gòu)等常用的長度單位(dnwi)，音譯為埃，10的負10次方米，納米的十分之一。) 在晶體結(jié)構(gòu)中，每個原子是由一個帶正電的原子核與環(huán)繞在原子核外圍軌道帶負電的電子而組成的。如果原子是緊密堆積的，外層電子的軌道會互相重疊而產(chǎn)生強的原子間鍵合。在最外層的電子成為價電子，是決定固體電化學(xué)性質(zhì)的主要因子。*對金屬導(dǎo)體而言，價電子是由固體中所有原子所共享。在施加電場下，這些價電子并非局限在特定的原子軌道，而是在原子間自由流竄，因而產(chǎn)生導(dǎo)電電流。金屬

12、導(dǎo)體的自由電子密度一般約在10E23 cm-3左右，這相當(dāng)于電阻率在10E-4ohm.cm以下。第十六頁，共35頁。*對于絕緣體而言，價電子緊密地局限在其原子軌道，無法(wf)導(dǎo)電。*對于具有金剛石結(jié)構(gòu)的硅，每個原子與鄰近四個原子構(gòu)成鍵合。ZXY金剛石晶格(jn )中四面體結(jié)構(gòu)在金剛石二維空間(kngjin)結(jié)構(gòu)的鍵合情況+4+4+4+4+4第十七頁，共35頁。上面已講述硅原子(yunz)的最外層軌道具有四個價電子。它可以與四個臨近原子(yunz)分享其價電子，所以這樣的一對分享價電子即成為共價鍵。 在室溫下這些共價電子被局限在共價鍵上。在較高溫度熱振動可能打斷共價鍵。當(dāng)一個共價鍵被打斷時，就

13、釋放出一個自由電子參與導(dǎo)電行為，因此，本征半導(dǎo)體在室溫下的電性就如同絕緣體一樣，但在高溫下就如同導(dǎo)體一樣具有高導(dǎo)電性。 每當(dāng)半導(dǎo)體釋放出一個價電子時，便會在共價鍵上留下一個空穴（見圖2），這個空穴可能被鄰近的價電子所填補，導(dǎo)致空穴的不斷移動。因此我們可以把空穴看作為類似于電子的一粒子，空穴帶著正電，且在施加電場之下，朝與電子相反的方向運動。第十八頁，共35頁。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子(z yu din z)“空穴”硅的二維晶體結(jié)構(gòu)（圖二） 破斷的共價鍵硅的二維晶體結(jié)構(gòu)（圖一） 完整(wnzhng)的共價鍵第十九頁，共35頁。（四）能帶理論 半導(dǎo)體的電阻率一般隨溫度、摻雜

14、濃度、磁場強度、光強度等因素而改變(gibin)。這種電阻率的敏感度使得半導(dǎo)體成為電子用途上最重要的材料之一。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是材料的電子能帶結(jié)構(gòu)。 晶體固體材料是由原子組成。假設(shè)一開始原子間的距離很大，然后逐漸縮小，使它們形成正常晶體。那么，不難想象，當(dāng)原子間距很大時，由于原子間沒有相互作用，每個原子對其他原子來說是孤立的；每個原子中的電子都和孤立原子中的電子一樣，處于分離的能級（如：1S、2S、2P) 上，當(dāng)原子間距縮小時，每個原子中的電子就會受到臨近原子的電子和電子核的作用，其結(jié)果是每個分離的電子能級分裂成N個彼此相隔很小的能級，新能級間的間距及位置決定于點陣距r.組成晶體的原子數(shù)

15、越多，分裂后能級數(shù)也越多，能級越密集。 一個能級分裂后，密集的能量范圍叫能帶。 能級分裂首先從價電子開始，內(nèi)層電子的能級只有在原子非常接近時才能發(fā)生分裂。*價電子能級分裂成的能帶成為價帶。通常情況下，價帶為能量最高的能帶。價帶可能被電子填滿，也可能未被填滿。*與各原子的激發(fā)能級相應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的正常情況下沒有電子填入，稱為空帶。第二十頁，共35頁。 由于某種電子受到激發(fā)而進入空帶。在外電場作用下，這些電子在空帶中向較高的空帶能級轉(zhuǎn)移時，沒有反向電子轉(zhuǎn)移與之抵消，可形成電流。因此表現(xiàn)出導(dǎo)電性，所以空帶又稱為導(dǎo)帶。 兩個能級之間，可能有一個能量間隙，這個能量間隙稱為禁帶（也稱為帶隙）。 兩個

16、相鄰能帶也可能重疊（交疊），此時禁帶也就消失。能帶交疊的程度與原子間的距離有關(guān)，原子間距愈小，交疊的程度愈大。 能帶可劃分成導(dǎo)帶和價帶。所謂價帶即溫度等于絕對零度時（T=0K） 電子所占據(jù)的帶。導(dǎo)帶即是在有限溫度下，部分電子因為熱運動(yndng)，由最高的價帶被激發(fā)到上面的導(dǎo)帶中去，原來空的能帶獲得一定的導(dǎo)電功能，因此我們常稱為導(dǎo)帶。 在價帶和導(dǎo)帶只見的能量間隙稱為禁帶或禁區(qū)。一般以Eg表示。在禁帶中不存在任何電子。禁帶寬度Eg是一個很重要的參數(shù)。材料不同，原子結(jié)構(gòu)不同，Eg大小也不相同。如鍺（Ge）Eg=0.75ev 硅Eg=1.12 。砷化鎵（GaAs)=1.43ev。第二十一頁，共35

17、頁。 半導(dǎo)體在T=0K時，它和絕緣體的情況相似，只不過半導(dǎo)體的Eg要小 得多，一般等于1個電子伏特數(shù)量級左右(zuyu)，比絕緣體小十倍。我們常以 電阻率10E10.cm區(qū)分絕緣體和半導(dǎo)體的標準。按固體能帶理論，物質(zhì)的核外電子有不同的能量。根據(jù)核外電子能級的不同，把它們的能級劃分為三種能帶：導(dǎo)帶、禁帶和價帶（滿帶）。導(dǎo) 帶價 帶禁帶絕緣體導(dǎo) 帶禁帶價 帶半導(dǎo)體導(dǎo) 帶價 帶禁 帶導(dǎo)體(dot)第二十二頁，共35頁。 絕緣體和半導(dǎo)體，它的電子大多數(shù)都處于價帶，不能自由移動。但在熱、光等外界因素的作用下，可以使少量價帶中的電子越過禁帶，躍遷到導(dǎo)帶上去成為載流子。 絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別主要是禁帶的寬度

18、不同。半導(dǎo)體的禁帶很窄，（一般低于3eV），絕緣體的禁帶寬一些，電子的躍遷困難得多。因此，絕緣體的載流子的濃度很小，導(dǎo)電性能很弱。實際絕緣體里，導(dǎo)帶里的電子不是沒有，并且總有一些電子會從價帶躍遷到導(dǎo)帶，但數(shù)量極少。所以，在一般情況下，可以忽略在外場作用下它們移動所形成的電流。但是(dnsh)，如果外場很強，束縛電荷掙脫束縛而成為自由電荷，則絕緣體就會被“擊穿”而成為導(dǎo)體。第二十三頁，共35頁。由于半導(dǎo)體的Eg比較小，所以在一定溫度下具有能量較大的電子就越過禁帶進入導(dǎo)帶。使原來空著的導(dǎo)帶有了電子，而且在價帶中也出現(xiàn)了一些電子的空位，這樣導(dǎo)帶中的電子和價帶中的電子，在外電場(din chng)的作

19、用下，都可作定向運動。因此，半導(dǎo)體在一定的溫度下具有導(dǎo)電性。第二十四頁，共35頁。1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)電子和空穴。 電子自價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，不僅使導(dǎo)帶有了導(dǎo)電的功能，而且原來價帶由于有一些狀態(tài)空了出來(ch li)，也獲得了一定的導(dǎo)電性能。這一事實在半導(dǎo)體的導(dǎo)電機購具有十分重要的意義。 在能帶論中，引入“空穴”的概念來描述價帶中有空狀態(tài)時的導(dǎo)電作用。 價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶之后，價帶內(nèi)出現(xiàn)了相應(yīng)的電子空位，這些電子的空位稱為空穴。正是由于這種空位的產(chǎn)生，價帶的導(dǎo)電才有可能，因為這時的電子可以在電場的作用下改變它的狀態(tài)。在價帶中的電子離開自己的位置，可以填到一個電子空位上去，然而它自己卻留下了一空

20、位，這個空位又可以被其它另外一個電子所占據(jù)這樣繼續(xù)不斷下去，電子逆著電場方向運動就好像它的空位順著電場方向在運動。這樣電子和空穴在電場作用下沿相反的方向運動，空穴則相當(dāng)于一個正電荷。 價帶中的空穴總是比電子少得多，所以空穴的概念只在基本上被填滿的價帶中才有具體的意義。第二十五頁，共35頁。 電子和空穴的電荷相等而符號相反，他們的能量狀態(tài)也相反。也就是說電子的低能量狀態(tài)相當(dāng)于空穴的高能量狀態(tài)。電子接受能量之后，使它從低能量級躍遷到高能量級上去，空穴卻相反，接受能量的結(jié)果，使它從電子的高能量級轉(zhuǎn)到低能量級。 從上述可知，半導(dǎo)體的電子、空穴都能參與導(dǎo)電(dodin)，提供電流。故稱電子和空穴都是載流

21、子。由空穴引起的導(dǎo)電(dodin)稱為空穴導(dǎo)電(dodin)。由電子引起的導(dǎo)電(dodin)稱為電子導(dǎo)電(dodin)。半導(dǎo)體具有這兩種不同的導(dǎo)電(dodin)機構(gòu)，是半導(dǎo)體的重要特征。許多半導(dǎo)體器件正是利用這一特征而工作的。 上述都是針對結(jié)構(gòu)完整、完全純凈的半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)的一般情況。此種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。對應(yīng)的導(dǎo)電(dodin)稱本征導(dǎo)電(dodin)。 本征導(dǎo)電(dodin)的特點是兩種載流子同時產(chǎn)生，又同時參加導(dǎo)電(dodin)，并且它們的數(shù)目完全相等。第二十六頁，共35頁。 2、雜質(zhì)的影響 實際上半導(dǎo)體材料晶格中總是(zn sh)含有一些缺陷。半導(dǎo)體晶格內(nèi)存在著各種與組成半導(dǎo)體

22、的元素不同的雜質(zhì)原子，有時我們還有意識的、人為的把一定的雜質(zhì)元素引入半導(dǎo)體晶格。 實踐證明，即使含有極微量的雜質(zhì)和缺陷，可以對半導(dǎo)體的各種性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。在雜質(zhì)和缺陷附近可能形成束縛電子的狀態(tài)。第二十七頁，共35頁。 3、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體 主要由施主(shzh)或受主決定導(dǎo)電性，有時稱為雜質(zhì)導(dǎo)電性。N型半導(dǎo)體如果雜質(zhì)是施主(shzh)，則導(dǎo)電性主要依靠由施主(shzh)激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。這種主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體常稱為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體如果雜質(zhì)是受主，導(dǎo)電性主要依靠價帶中的空穴。這種主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。 由此

23、可見，N型半導(dǎo)體主要是電子參與導(dǎo)電，而且電子數(shù)空穴數(shù)，電子稱為多數(shù)載流子，而空穴為少數(shù)載流子。反之，P型半導(dǎo)體主要是空穴參與導(dǎo)電，則空穴為多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。第二十八頁，共35頁。 一般在本征四元素半導(dǎo)體中 （Si或Ge）摻入族原子硼（B），族原子磷（P) 、砷（As）。硅（Si）的原子在最外面有四個價電子，它們組成穩(wěn)定的共價鍵。族元素的原子硼最外面是三個價電子， 族元素的原子磷、砷、銻在對外層則有五個價電子。 在硅中有四個價電子正好填充了晶格中的價帶，當(dāng)有一個族原子摻入時，則四個硅電子填充了價帶以外，還多余一個電子，然而在雜質(zhì)原子所在點也比硅原子多了一個正電荷（硅原子去掉價電子，

24、有正電荷4e ,而族原子去掉價電子剩下正電5e ). 電子流動時運載著一定(ydng)的電荷量，我們把這種能運載電量的粒子叫作載流子。在半導(dǎo)體中，電子和空穴都可以運載電量，我們把它們統(tǒng)稱為載流子。 第二十九頁，共35頁。硅原子為族原子代替，效果是造成一個正電(zhngdin)中心和一個多余電子，正電(zhngdin)中心正好能夠束縛多余的電子，束縛狀態(tài)在導(dǎo)帶的下面。在熱運動足夠供給電離能時，就可以把電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去，所以族原子在硅中里面形成施主，使半導(dǎo)體成為N型半導(dǎo)體。 族硼原子（B）的價電子比硅少一個，所以代替了晶格中的原子時價電子不能完全填充價帶，使價帶中缺少了一個電子，使價帶中有一個空

25、穴。但是，雜質(zhì)原子比硅原子少一個正電(zhngdin)荷 （ 族原子去掉價電子剩下正電(zhngdin)荷3e )，所以在晶格就如同有了一個負電中心。則負電中心正好能束縛多余的空穴。價帶中的電子有足夠的激發(fā)能，就可以填補這個空穴，同時在價帶中形成自由的能參與導(dǎo)電的空穴。這就是受主情況，因此， 族雜質(zhì)可以使硅成為P型半導(dǎo)體。第三十頁，共35頁。第三十一頁，共35頁。 實際使用的半導(dǎo)體材料絕大部分都是雜質(zhì)半導(dǎo)體，這種雜質(zhì)的來源可能是人為的摻雜或者由于(yuy)晶格的不完整所致。 總之，雜質(zhì)的出現(xiàn)對半導(dǎo)體性能的影響具有決定性的意義。例如：千分之幾或萬分之幾的雜質(zhì)可以使它的電導(dǎo)率增加幾千倍到幾百萬倍。半導(dǎo)