半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2007123

1、一、硅的基本性質(zhì)簡(jiǎn)介1 1、硅的物理性質(zhì)：、硅的物理性質(zhì)： 常溫常壓下，常溫常壓下，結(jié)晶型的硅是暗黑藍(lán)色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 +14硅原子結(jié)構(gòu)圖最外電子結(jié)構(gòu)圖2 8 4Si2 2、硅的基本化學(xué)性質(zhì)、硅的基本化學(xué)性質(zhì)硅在化學(xué)周期表中第14號(hào)元素，分子量為28.085。由于原子最外電子層只有4個(gè)價(jià)電子，因此其化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定（如圖一）。 圖一3 3、晶體、硅晶體、晶體、硅晶體 晶體是指具有一定幾何形狀，其構(gòu)成粒子按某種規(guī)律排列，占有一定空間體積的純凈物。一般所說(shuō)的晶體，是指多晶體。但用于半導(dǎo)體業(yè)時(shí)，必須為單晶體。單晶體和多晶體

2、的區(qū)別在于前者是長(zhǎng)程有序的排列，后者不具有。相反，排列無(wú)規(guī)則、無(wú)秩序的稱為非晶體。硅原子最外層結(jié)構(gòu)只的四個(gè)電子決定了它們之間只通過(guò)共價(jià)電子對(duì)形成晶體。其晶體結(jié)構(gòu)一般被稱為“金剛石結(jié)構(gòu)”。這個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是：每個(gè)原子有4個(gè)最近鄰，它們正好在一個(gè)正四面體的頂角位置（如圖二所示）。圖二：硅的金鋼石結(jié)構(gòu)形狀4 4、硅晶體原子排、硅晶體原子排列結(jié)構(gòu)列結(jié)構(gòu) 最外層四個(gè)電子以共價(jià)鍵組合形成的硅晶體（如圖三所示）。根據(jù)硅原子排列“長(zhǎng)程有序”與“長(zhǎng)程無(wú)序”分單晶硅和多晶硅（如圖四）。圖三：硅晶體原子順序結(jié)構(gòu)晶體非晶體5.5.晶體與非晶體晶體與非晶體晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間按周期性重復(fù)排列的固體，即遠(yuǎn)程有序

3、。晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間按周期性重復(fù)排列的固體，即遠(yuǎn)程有序。非晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間無(wú)規(guī)則排列的固體，即短程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序。非晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間無(wú)規(guī)則排列的固體，即短程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序。多晶：原子在不同方向上長(zhǎng)程無(wú)序排列單晶：原子按一定的方向長(zhǎng)程有序排列圖四1111116 6、晶面與晶向、晶面與晶向 晶面是把一個(gè)晶格單元放在三維坐標(biāo)系中特殊定義的，它遵循密勒指數(shù)法則（如圖五）。籽晶就是沿同一組晶面研磨而成的。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖五7 7、晶向即為晶體生長(zhǎng)的方向，它與晶面垂直、晶向即為晶體生長(zhǎng)的方向，它與晶面垂直, ,同一組晶面用同一組晶面用圓括號(hào)圓括號(hào)“（

4、）（）”標(biāo)識(shí)，晶向用方括號(hào)標(biāo)識(shí)，晶向用方括號(hào)“”標(biāo)識(shí)，予以區(qū)分標(biāo)識(shí)，予以區(qū)分（如圖六）。（如圖六）。(100)面(110)面(111)面111111圖六8 8、晶體缺陷、晶體缺陷 當(dāng)硅晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)生格點(diǎn)移動(dòng)或晶格移動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生晶體點(diǎn)缺陷（如圖七）。點(diǎn)缺陷會(huì)影響硅片電學(xué)性質(zhì)，如電阻、少子壽命等。間隙缺陷空位缺陷Frenkel 缺陷點(diǎn)缺陷間隙缺陷空位缺陷Frenkel 缺陷圖七 當(dāng)點(diǎn)缺陷進(jìn)一步惡化時(shí)，產(chǎn)生位借或?qū)渝e(cuò)（如圖八）。位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)除了影響硅片的電學(xué)性質(zhì)外還會(huì)影響其它包括機(jī)械強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)，即當(dāng)內(nèi)部存在大量位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)時(shí)，硅片容易產(chǎn)生翹曲、崩邊、破片等。位錯(cuò)額外原子層或劈型層錯(cuò)圖八沉淀位錯(cuò)間隙層

5、錯(cuò)空穴9 9、硅的導(dǎo)電性、硅的導(dǎo)電性固體材料按導(dǎo)電能力以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（如表二）。導(dǎo)體導(dǎo)體價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，導(dǎo)電需要小的重疊能量。絕緣體絕緣體禁帶寬度一般大于2ev半導(dǎo)體半導(dǎo)體介于絕緣體和導(dǎo)體之間的禁帶能量級(jí)別。（Si為1.11ev)導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率(m) 10-810-4 10-4108 1081020 禁帶-較小較大價(jià)帶非滿帶滿帶滿帶類型性質(zhì)表二10、半導(dǎo)體分類（根據(jù)導(dǎo)電類型分） 本征半導(dǎo)體純的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電。 N型半導(dǎo)體電子導(dǎo)電。 導(dǎo)電類型有P型和N型，由硅融液中的摻雜物種類來(lái)決定。具有代表性的摻雜物和導(dǎo)電類型如下所示。 P型摻雜-B（硼） N型摻雜-P（磷）

6、，Sb(銻)，As(砷)SiBSiSiSiSi空穴空穴當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素時(shí)如硼，如右圖三價(jià)元素時(shí)如硼，如右圖硼原子與周圍的四個(gè)硅原硼原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，硼原子子形成共價(jià)鍵后，硼原子的外層電子數(shù)是的外層電子數(shù)是7 7比穩(wěn)定比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子，這樣結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子，這樣將產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴可將產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴可以環(huán)繞以環(huán)繞B B離子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)通離子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)通電時(shí)空穴為主要載流子產(chǎn)電時(shí)空穴為主要載流子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要是生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要是以空穴為半導(dǎo)體的導(dǎo)電方以空穴為半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式。式。P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入當(dāng)在硅

7、或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素時(shí)如磷、砷和銻五價(jià)元素時(shí)如磷、砷和銻等。如右圖磷原子與周圍等。如右圖磷原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，磷原子的外層電子數(shù)后，磷原子的外層電子數(shù)是是 9 9 ，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個(gè)價(jià)電子，多余的價(jià)電子個(gè)價(jià)電子，多余的價(jià)電子環(huán)繞環(huán)繞P P離子運(yùn)動(dòng)離子運(yùn)動(dòng), ,通電時(shí)自通電時(shí)自由電子作為主要的載流子由電子作為主要的載流子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要是以自由電子為半導(dǎo)體的是以自由電子為半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式。導(dǎo)電方式。N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體SiPSiSiSiSi多余多余電子電子1.1.半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程：1

8、.19061.1906年年Lee De ForestLee De Forest發(fā)明了由兩個(gè)電極和一個(gè)柵極封入真空玻發(fā)明了由兩個(gè)電極和一個(gè)柵極封入真空玻璃容器用來(lái)放大電子信號(hào)的三極真空管璃容器用來(lái)放大電子信號(hào)的三極真空管2.19452.1945年賓夕法尼亞大學(xué)用真空管發(fā)明了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)年賓夕法尼亞大學(xué)用真空管發(fā)明了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIACENIAC3.1947.123.1947.12月由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的月由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的William Shockley(William Shockley(威廉威廉 肖克利肖克利) )發(fā)明了第一個(gè)用鍺制成的固體晶體三極管發(fā)明了第一個(gè)用鍺制成的固體晶體三極管4

9、.19544.1954年年Texas InstrumentsTexas Instruments公司的公司的Gordon TealGordon Teal制造了第一個(gè)硅制造了第一個(gè)硅晶體管晶體管5.19575.1957年年Fairchild SemiconduxtorFairchild Semiconduxtor公司在硅上制造出第一個(gè)商用公司在硅上制造出第一個(gè)商用硅基平面晶體管硅基平面晶體管6.19596.1959年年Fairchild SemiconduxtorFairchild Semiconduxtor公司的公司的Robert NoyceRobert Noyce發(fā)明硅基發(fā)明硅基材料上制造的集

10、成電路，材料上制造的集成電路，Texas InstrumentsTexas Instruments公司的公司的Jack Jack KilbyKilby發(fā)明了在鍺基材料上制造的集成電路發(fā)明了在鍺基材料上制造的集成電路7.207.20世紀(jì)世紀(jì)6060年代迎來(lái)了硅時(shí)代年代迎來(lái)了硅時(shí)代單晶、多晶、晶向 單晶體內(nèi)所有的原子都是按同一順序排列起來(lái)的。 多晶由很多的小晶粒（單晶）組成。 晶向晶體具有各向異性，沿晶體不同方向物理特性不一樣。用晶向矢量在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上投影表示其晶向。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 導(dǎo)體價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，導(dǎo)電需要小的重疊能量。 絕緣體禁帶寬度一般大于2ev 半導(dǎo)體介于絕緣體和導(dǎo)體之間

11、的禁帶能量級(jí)別。（Si為1.11ev)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶圖3.晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)：一系列在三維空間按周期性排列的幾何點(diǎn)稱為一個(gè)空間點(diǎn)結(jié)點(diǎn)：一系列在三維空間按周期性排列的幾何點(diǎn)稱為一個(gè)空間點(diǎn)陣，把空間點(diǎn)陣中的幾何點(diǎn)或者等同點(diǎn)成為結(jié)點(diǎn)。陣，把空間點(diǎn)陣中的幾何點(diǎn)或者等同點(diǎn)成為結(jié)點(diǎn)?？臻g格子：聯(lián)結(jié)分步在三維空間內(nèi)的結(jié)點(diǎn)就構(gòu)成了空間格子?？臻g格子：聯(lián)結(jié)分步在三維空間內(nèi)的結(jié)點(diǎn)就構(gòu)成了空間格子。原胞結(jié)點(diǎn)晶面符號(hào)晶面符號(hào)：在立方晶體中選定一個(gè)直角坐標(biāo)系，晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸的截距系數(shù)p、q、r的倒數(shù)比1/p：1/q：1/r，簡(jiǎn)化后按XYZ軸次序連寫(xiě)在一起，在加小括號(hào)而得。其通式為（hkl),其中h、k、l稱為晶面

12、的米氏指數(shù)。XYZrqp(hkl)ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)晶棱符號(hào)晶棱符號(hào)：晶棱符號(hào)只規(guī)定晶棱等直線在晶體上得方向而不涉及它得具體位置，所以任何晶棱都可以假設(shè)平移到坐標(biāo)軸得交點(diǎn)，然后在次晶棱上任取一點(diǎn)，它在三個(gè)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)為X、Y、Z，然后以相應(yīng)的軸單位來(lái)度量該坐標(biāo)值，取它們的比值后連寫(xiě)并加以方括號(hào)，即為晶棱符號(hào)。OX/a:OY/b:OZ/z=u:v:w，晶棱符號(hào)的通式為uvw。硅晶體結(jié)構(gòu)硅晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的性質(zhì)既不象一般的導(dǎo)體，也不同于普通的絕緣體，同時(shí)也不僅僅由于它的導(dǎo)電能力介於導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由於半導(dǎo)體具有以下的特殊性質(zhì)：1. 溫度的變化能顯著的

13、改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力溫度的變化能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率會(huì)降低，比如Si在200時(shí)電阻率比室溫時(shí)的電阻率低幾千倍?？梢岳冒雽?dǎo)體的這個(gè)特性制成自動(dòng)控制用的熱敏元件(如熱敏電阻等)，但是由于半導(dǎo)體的這一特性，容易引起熱不穩(wěn)定性，在制作半導(dǎo)體器件時(shí)需要考慮器件自身產(chǎn)生的熱量，需要考慮器件使用環(huán)境的溫度等，考慮如何散熱，否則將導(dǎo)致器件失效，報(bào)廢。2.半導(dǎo)體在受到外界光照的作用是導(dǎo)電能力大大提高半導(dǎo)體在受到外界光照的作用是導(dǎo)電能力大大提高。如硫化鎘受到光照后導(dǎo)電能力可提高幾十到幾百倍，利用這一特點(diǎn),，可制成光敏三極管，光敏電阻等。3.在純凈的半導(dǎo)體中加入微量在純凈的半導(dǎo)體中加入

14、微量( (千萬(wàn)分之一千萬(wàn)分之一) )的其他元素的其他元素( (這個(gè)過(guò)程我這個(gè)過(guò)程我們稱為摻雜們稱為摻雜) )，可使他的導(dǎo)電能力提高百萬(wàn)倍，可使他的導(dǎo)電能力提高百萬(wàn)倍。這是半導(dǎo)體的最初的特征，例如在原子密度為5*1022/cm3的硅中摻進(jìn)大約5*1015/cm3磷原子,比例為10-7(即千萬(wàn)分之一)，硅的導(dǎo)電能力提高了幾十萬(wàn)倍.半導(dǎo)體材料 元素半導(dǎo)體： A 族的硅和鍺 化合物半導(dǎo)體： - 族化合物半導(dǎo)體如砷化鎵等 - 族化合物半導(dǎo)體如碲化鎘和硒化鋅等 其他化合物半導(dǎo)體如鍺硅和氮化鎵等硅材料簡(jiǎn)介 為什么選用硅作為主要的半導(dǎo)體材料： 硅的豐裕度（25%）,不必?fù)?dān)心原料枯竭，無(wú)害 更高的熔化溫度允許更高的工藝容限 更寬的工作溫度范圍 帶隙寬 單晶制造成本低硅和鍺的基本性質(zhì)的比較性質(zhì)（300K）硅鍺原子量28.0972.60禁帶寬度