半導(dǎo)體材料課件

1、半導(dǎo)體材料物理與信息工程學(xué)院微電子系Contents第一章第一章 半導(dǎo)體材料綜述半導(dǎo)體材料綜述第二章第二章 基本原理基本原理第三章第三章 半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能第四章第四章 對(duì)半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求對(duì)半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求第八章第八章 半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望 第七章第七章 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用半導(dǎo)體材料的應(yīng)用第五章第五章 半導(dǎo)體材料的制備半導(dǎo)體材料的制備第六章第六章 一些主要的半導(dǎo)體材料一些主要的半導(dǎo)體材料參考書：半導(dǎo)體材料 作者：楊樹人 王兢出版社： 科學(xué)出版社第一章 半導(dǎo)體材料綜述半導(dǎo)體材料綜述 第一章：第一章：半導(dǎo)體材料綜述半導(dǎo)體材料綜述 半導(dǎo)體已成為家喻

2、戶曉的名詞，收音機(jī)是半導(dǎo)體的、電視機(jī)是半導(dǎo)體的、計(jì)算器及計(jì)算機(jī)也是半導(dǎo)體的。那么哪些是半導(dǎo)體材料？它有哪些特征？1 半導(dǎo)體材料的特征半導(dǎo)體材料的特征半導(dǎo)體材料在自然界及人工合成的材料中是一個(gè)大的部類。顧名思義，半導(dǎo)體在其電的傳導(dǎo)性方面，其電導(dǎo)率低于導(dǎo)體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。n（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在10310-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W. cm) ； 一般金屬為107104S/cm,而絕緣體則10-10，最低可達(dá)10-17。同時(shí)，同一種半導(dǎo)體材料，因其摻入的雜質(zhì)量不同，可使其電導(dǎo)率在幾個(gè)到十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)變化，也可因光照和射線輻照明顯地改變其電

3、導(dǎo)率；而金屬的導(dǎo)電性受雜質(zhì)的影響，一般只在百分之幾十的范圍內(nèi)變化，不受光照的影響。n（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升高，它的電導(dǎo)率增大；而金屬導(dǎo)體則相反，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。n（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中是僅靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，則靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。1.2半導(dǎo)體材料的類別對(duì)半導(dǎo)體材料可從不同的角度進(jìn)行分類例如：n根據(jù)其性能可分為高溫半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體、熱電半導(dǎo)體；n根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為金剛石型、閃鋅礦型

4、、纖鋅礦型、黃銅礦型半導(dǎo)體；n根據(jù)其結(jié)晶程度可分為晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體，n但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學(xué)組成的分類，依此可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶半導(dǎo)體三大類，見(jiàn)表1。在化合物半導(dǎo)體中，有機(jī)化合物半導(dǎo)體雖然種類不少，但至今仍處于研究探索階段，所以本書在敘述中只限于無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，簡(jiǎn)稱化合物半導(dǎo)體材料。表1.1 半導(dǎo)體材料分類及其開(kāi)發(fā)情況* 此處所列子項(xiàng)只舉其中重要者，并未完全列出。1.2.1 元素半導(dǎo)體已知有12個(gè)元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)，它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢萌鐖D1.1所示。從這里也可以看出半導(dǎo)體材料與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。n處于III-A族的只有硼，其熔點(diǎn)高

5、(2300oC)，制備單晶困難，而且其載流子遷移率很低，對(duì)它研究的不多，未獲實(shí)際應(yīng)用。nIV-A 族中第一個(gè)是碳，它的同素異形體之一金剛石具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，但制備單晶困難，是目前研究的重點(diǎn)；石墨是碳的另一個(gè)同素異形體，系層狀結(jié)構(gòu)，難以獲得單晶，故作為半導(dǎo)體材料未獲得應(yīng)用。nIV-A族的第二個(gè)元素是硅，具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，是現(xiàn)代最主要的半導(dǎo)體材料。再往下是鍺，它具有良好的半導(dǎo)體的性質(zhì)，是重要的半導(dǎo)體材料之一。n錫在常溫下的同素異形體為b-Sn，屬六方晶系，但在13.2oC以下 可變?yōu)榱⒎骄祷义a（a-Sn）?；义a具有半導(dǎo)體性質(zhì)，屬立方晶系。在從b-Sn轉(zhuǎn)化為a-Sn 的過(guò)程中，體積增大并變

6、粉末，故難以在實(shí)際中應(yīng)用。圖1.1元素半導(dǎo)體在周期表中的位置B硼C碳Si硅Sb銻S硫Sn錫Ge鍺As砷P磷Te碲Se硒I碘n在磷的同素異形體中，只有黑磷具有半導(dǎo)體性質(zhì)，由于制備黑磷及其單晶的難度較大，未獲工業(yè)應(yīng)用。n砷的同素異形體之一的灰砷具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但由于制備單晶困難，且其遷移率較低，故未獲應(yīng)用。n銻的同素異形體之一的黑銻具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但它在0oC以上不穩(wěn)定，亦未獲應(yīng)用。n硫的電阻率很高，屬絕緣體，但它具有明顯的光電導(dǎo)性質(zhì)。硫作為半導(dǎo)體材料還未獲得應(yīng)用。n硒的半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)現(xiàn)得很早，現(xiàn)用于制作整流器、光電導(dǎo)器件等。n碲的半導(dǎo)體性質(zhì)已有較多的研究，但因尚未找到n型摻雜劑等原因，未得到應(yīng)用。

7、n化合物半導(dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣。n化合物半導(dǎo)體按其構(gòu)成的元素?cái)?shù)量可分為二元、三元、四元等。n按其構(gòu)成元素在元素周期表中的位置可分為III-V 族、II-IV-V族等等。n如果要問(wèn)哪些化合物是半導(dǎo)體，哪些不是，有沒(méi)有規(guī)律性？應(yīng)該回答說(shuō)，規(guī)律性是有的，但還沒(méi)有找到一個(gè)嚴(yán)密的公式可以毫無(wú)例外地判斷某個(gè)化合物是否屬于半導(dǎo)體。n常用的方法是先找到一個(gè)已知的化合物半導(dǎo)體，然后按元素周期表的規(guī)律進(jìn)行替換（參照?qǐng)D1.1） 。1.2.2 化合物半導(dǎo)體：n例如我們看砷化鎵：它是半導(dǎo)體，如果把Ga下面的In替換鎵，就變成InAs，也是半導(dǎo)體，同樣，如果把As替換成P或Sb，同樣也是半導(dǎo)

8、體。n這種替換是垂直方向的，它服從周期表的規(guī)律，即從上往下金屬性變強(qiáng)，最后就不是半導(dǎo)體了。n也可以在周期表中進(jìn)行橫向置換，仍以GaAs為中心，Ga向左移變成Zn，As向右移變成Se，ZnSe是半導(dǎo)體。n這些置換都要注意原子價(jià)的平衡。在垂直移動(dòng)時(shí)，原子價(jià)不發(fā)生變化，但在橫向移動(dòng)時(shí)，就要考慮兩個(gè)元素同時(shí)平移。n同時(shí)在原子價(jià)總和不變的前提下也可以用兩元素取代一個(gè)，例如ZnSe，Zn是二價(jià)，與可以用其左右的Cu與Ga取代，即CuGaSe2也是半導(dǎo)體材料。這樣可以導(dǎo)出三元化合物半導(dǎo)體。n另外可用莫塞（Mooser）-皮爾猻（Pearson） 法則來(lái)進(jìn)行推算，此法能預(yù)測(cè)大多數(shù)化合物是否具有半導(dǎo)體性質(zhì)，但對(duì)

9、某些化合物，如金屬的硼化物的判斷就不夠準(zhǔn)確。u由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱固溶體或混晶。u因?yàn)椴豢赡茏鞒鼋^對(duì)純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要?dú)埩粢欢〝?shù)量的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地?fù)饺胍欢ǖ碾s質(zhì)，在這些情況下，雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量較低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。u另一方面，固溶半導(dǎo)體又區(qū)別于化合物半導(dǎo)體，因后者是靠其價(jià)鍵按一定化學(xué)配比所構(gòu)成的。固溶體則在其固溶度范圍內(nèi)，其組成元素的含量可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。u固溶體增加了材料的多樣性，為應(yīng)用提供了更多的選擇性。u為了使固溶

10、體具有半導(dǎo)體性質(zhì)常常使兩種半導(dǎo)體互溶，如Si1-xGex（其中x p ，則，s = neme，n反之，若pn, s = pemp。2.2 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)我們首先看看單個(gè)原子的情況。我們首先看看單個(gè)原子的情況。n大家都知道原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，外圍的電子數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。n這些電子都有自己的能量，根據(jù)現(xiàn)代量子力學(xué)的理論，這些能量是量子化的，即有一定的數(shù)值，而且是不連續(xù)的，這些彼此不連續(xù)而有一定數(shù)值的能量稱為能級(jí)。n一個(gè)電子的能量只能從一個(gè)能級(jí)跳到另一個(gè)能級(jí)，不可能連續(xù)地變化，伴隨這種跳躍會(huì)吸收或放出一定的能量。n根據(jù)鮑林 (L.Pauling）的不相容理論，不可能有兩個(gè)電子

11、的量子數(shù)完全相同。這樣，在原子的一個(gè)能級(jí)上，只能有兩個(gè)電子，它們的量子數(shù)區(qū)別在于其自旋（spin)的正與反。n當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)當(dāng)許多原子彼此靠近而形成晶體時(shí)，各原子的電子間發(fā)生相互作用，各原子間原來(lái)在分散狀態(tài)的能級(jí)擴(kuò)展成為能帶，n這能帶是由彼此能量相差比較小的能級(jí)所組成的準(zhǔn)連續(xù)組。因?yàn)橹挥羞@樣才能保持電子能量的量子化并符合鮑林的不相容原理。n圖2.2 示出了元素銅的能帶形成過(guò)程，當(dāng)原子相靠近時(shí)能級(jí)擴(kuò)展為能帶的情形以及在形成晶體時(shí)，在晶體內(nèi)的原子間距（即晶格常數(shù)）上，能帶發(fā)生的搭接的現(xiàn)象。原子間距離a03p3d4s4pE=0能量圖2.2元素銅的能帶形成 （其中ao為晶格常數(shù)）許多原

12、子形成晶體的情況：許多原子形成晶體的情況：圖2.3 碳原子彼此接近形成金剛石的能帶示意圖 1一價(jià)帶；2一禁帶；3一導(dǎo)帶；ao金剛石晶格常數(shù)；xo一能帶搭接時(shí)的原子距離n圖2.3 示出了碳原子形成金剛石晶體時(shí)能帶的形成，以及能帶間禁帶的形成。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n按照能帶搭接或分立的情況，我們可以把金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別用圖2.4加以簡(jiǎn)單表示。原子間距離（）能量（eV）n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類：p一類是價(jià)帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；p另

13、一類則在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n在導(dǎo)體中：p一類材料是由于電子在價(jià)帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個(gè)能級(jí)上自由流動(dòng)，這需要的能量非常之??；p另一類材料雖然在價(jià)帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價(jià)電子很容易從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。n而半導(dǎo)體材料則因其價(jià)帶已填滿，在價(jià)帶和導(dǎo)帶間存在有禁帶，價(jià)電子必須要具有足夠的能量躍過(guò)禁帶才能進(jìn)入導(dǎo)帶而導(dǎo)電，在常溫或更高一些溫度下，由于能量的不均勻分布，總有一部分價(jià)電子能進(jìn)入導(dǎo)

14、帶，使其具有一定的電導(dǎo)率。n對(duì)絕緣體而言，其禁帶寬度大，以致在常溫或較高溫度下均不能使其價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶所以不能導(dǎo)電。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n能帶理論能帶理論是從固體的整體出發(fā)，主要考慮到晶體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程序的周期性晶體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程序的周期性。用這個(gè)理論容易說(shuō)明導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體之間的區(qū)別以及半導(dǎo)體材料的一些本性。n化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論主要從物質(zhì)的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列從物質(zhì)的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體材料的物性與化學(xué)組成、雜質(zhì)行為等問(wèn)題。n固體的化學(xué)鍵主

15、要有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵等。n它們的特征列入表2.1 中。2.3 化學(xué)鍵化學(xué)鍵表表2.1 化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)化學(xué)鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)圖2.5 不同化學(xué)鍵的電子分布n 各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電子對(duì)各個(gè)原子間的不同分配關(guān)系各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價(jià)電子對(duì)各個(gè)原子間的不同分配關(guān)系，圖2.5示出了前四種化學(xué)鍵的價(jià)電子分配關(guān)系。p 在離子鍵中，如NaCl，Na原子將其價(jià)電子完全給了原子將其價(jià)電子完全給了Cl而形成而形成Na+離子與離子與Cl-離子離子。這種物質(zhì)在常溫下為絕緣體，但在熔融狀態(tài)則靠離子導(dǎo)電。p 以金剛石為代表的是外圍價(jià)電子共用外圍價(jià)電子共用的共價(jià)鍵。p 以Ar為代表的范德華鍵是靠

16、瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)和引力瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)和引力形成的鍵。p以金屬M(fèi)g的外圍電子形成自由電子為正離子正離子Mg2+所共享，并被正離子產(chǎn)生的庫(kù)侖力所吸引。(a) 離子鍵(b) 共價(jià)鍵(c) 范德華鍵(d) 金屬鍵將硅作為半導(dǎo)體的代表，其共價(jià)鍵的示意圖見(jiàn)圖2.6。n從圖2.6 中可看出每個(gè)硅原子共有4個(gè)共價(jià)鍵，有8個(gè)電子。n按照鮑林的不相容理論，每個(gè)能級(jí)上只有一對(duì)電子。n這可用雜化軌道來(lái)解釋，即在組成晶體時(shí)，原子的勢(shì)場(chǎng)受到周圍原子的影響而產(chǎn)生微擾，從而雜化組成新的軌道。n從圖中可以看到，在這種共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)中沒(méi)有自由電子，這反映在絕對(duì)零度的溫度條件下，半導(dǎo)體是呈絕緣體的情形。圖2.6 硅的共價(jià)鍵圖2

17、.7 硅的本征激發(fā)示意圖n隨著溫度的升高，電子的能量也隨之增高，但能量在電子之間并非是均勻分布的能量在電子之間并非是均勻分布的，其中能量高的電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，如圖2.7所示。n這反映在能帶結(jié)構(gòu)上，就是電子從價(jià)帶進(jìn)電子從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶的空閑著的能級(jí)上入到導(dǎo)帶的空閑著的能級(jí)上。n從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生

18、一個(gè)空穴，在電場(chǎng)下如此連續(xù)傳遞就形成了電流場(chǎng)下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導(dǎo)電的原理。n當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（為本征導(dǎo)電（intrinsic conductivity） ，這種半導(dǎo)，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor)。n其特點(diǎn)是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖2.7中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2.7 硅的本征激發(fā)示意圖利用這個(gè)機(jī)可理，可以方便地解釋什么是空穴：利用這個(gè)機(jī)可理，可以方便地解釋什么是空

19、穴：n如果在硅中摻入磷(P)，P外圍有5個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si原子的位置時(shí)，在電子軌道上只能容納4個(gè)電子，另一個(gè)電子就成為自由載流子，如圖2.8 （a）所示。n但這時(shí)并未產(chǎn)生空穴，P原子由于失掉一個(gè)電子，就呈帶正電的離子，這種離子在固體中只能振動(dòng)，而不可能移動(dòng)，所以不能參加導(dǎo)電。圖2.8 硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；我們?cè)倏纯措s質(zhì)參加導(dǎo)電的情況：我們?cè)倏纯措s質(zhì)參加導(dǎo)電的情況：n每個(gè)P原子可貢獻(xiàn)一 個(gè)電子，如果P在硅中具有一定的濃度，當(dāng)它所貢獻(xiàn)的自由電子的數(shù)目明顯地超過(guò)由上述的本征激發(fā)所產(chǎn)生載流子的數(shù)目時(shí)，這種半導(dǎo)體就呈電子型導(dǎo)電，被稱為n型（negative-負(fù)的）

20、半導(dǎo)體。n這時(shí) P及其相類似雜質(zhì)就被稱為施主（donor-給予者）雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱施主。n 相反，如果雜質(zhì)是鋁（Al）而不是P，Al只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它占據(jù)Si的位置與其他Si原子形成共價(jià)鍵時(shí)，則少了一個(gè)電子子，見(jiàn)圖2.8（b）。n 別的Si原子的價(jià)電子可以來(lái)補(bǔ)充，這就形成帶正電的空穴載流子。n 同樣，當(dāng)Al 的濃度足夠高時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電是以空穴為主，稱為p型（positive-正的）半導(dǎo)體。n 類似Al這種雜質(zhì)被稱為受主（acceptor-接受者）雜質(zhì)，或受主。圖圖2.8 硅中雜質(zhì)的作用硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；的受主作用；從化學(xué)鍵的角度更容易理解各

21、種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性。從化學(xué)鍵的角度更容易理解各種半導(dǎo)體材料之間的性質(zhì)變化的規(guī)律性。n我們首先看看元素半導(dǎo)體，它們的化學(xué)鍵屬于單純的共價(jià)鍵。在周期表同一族內(nèi)，其原子序數(shù)愈大，共價(jià)鍵的鍵合能愈弱，因此它的熔點(diǎn)愈低，它的禁帶寬度也愈小，如表2.2所示。表2.2 IV族元素的原子序數(shù)與性質(zhì)這一規(guī)律性也基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖這一規(guī)律性也基本適用于化合物半導(dǎo)體。圖2.9示出了示出了III-V 族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度與原子序數(shù)和的關(guān)系。族化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度與原子序數(shù)和的關(guān)系。n化合物半導(dǎo)體的化學(xué)鍵較為復(fù)雜。因?yàn)閮煞N或兩種以上的元素對(duì)電子的親和力不可能完全相等，因此化合物的化學(xué)鍵就不

22、可能是純的共價(jià)鍵。n假定一個(gè)化合物由A，B兩個(gè)元素形成，如果A的價(jià)電子在形成化合物時(shí)完全給B，就形成了離子鍵，這種化合物就屬于絕緣體，它在室溫下不導(dǎo)電，而當(dāng)熔融時(shí)， 靠（A+）和（B-）的離子導(dǎo)電。n屬于化合物半導(dǎo)體的則是那種價(jià)電子朝一種元素靠近而與另一種疏遠(yuǎn)，但仍以共價(jià)鍵結(jié)合為主的化合物。n這種共價(jià)鍵有一定的離子性。n元素對(duì)電子的親和力稱為負(fù)電性，化合物化合物AB的負(fù)電性之差的負(fù)電性之差x = xB - xA可以在一定程度上反映化學(xué)鍵的極性可以在一定程度上反映化學(xué)鍵的極性，其中 xB， xA分別為 B ，A的負(fù)電性。 圖2.9 III-V族化合物原子序數(shù)（N1+N2）與禁帶寬度的關(guān)系禁帶寬度

23、（eV）原子序數(shù)（N1+N2）n從中可以看出，在同一平均原子序數(shù)的條件下，有極性的化合物半導(dǎo)體比元素半導(dǎo)體的禁帶寬度大。n這是因?yàn)殡x子鍵的存在會(huì)增加總鍵能，但在有極性的化合物之間卻不是完全按其負(fù)電性差來(lái)排列的，這反映了極性對(duì)其作用的復(fù)雜性。n極性對(duì)材料的載流子遷移率也有影響，但其作用就更為復(fù)雜了。極性對(duì)材料的載流子遷移率也有影響，但其作用就更為復(fù)雜了。表2.3極性對(duì)禁帶寬度的影響化學(xué)鍵的極性對(duì)半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有明顯的影響，表化學(xué)鍵的極性對(duì)半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有明顯的影響，表2.3示出了極性對(duì)禁帶寬度的影響。示出了極性對(duì)禁帶寬度的影響。材料性質(zhì)SiAlPGeGaAsInPAlSbZnSeSeInSb

24、CdTe平均原子序數(shù)14143232323232505050禁帶寬度1.13.00.621.351.251.522.60.080.181.4Dx00.600.40.50.30.900.20.4 2.4.1 單晶、多晶、微晶、非晶單晶、多晶、微晶、非晶p單晶是原子或離子沿著三個(gè)不同方向按一定的周期有規(guī)則地排列，并沿一致的晶體學(xué)取向所堆垛起來(lái)的遠(yuǎn)程有序的晶體。p多晶則是由多個(gè)單晶顆粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學(xué)取向彼此不同，其周期性與規(guī)則性亦在此處遭到破壞。p微晶是組成粒度小于一定尺寸（對(duì)半導(dǎo)體而言，大約小于小于100nm）的多晶體。p非晶材料的原子排列是近程有序遠(yuǎn)程無(wú)序，即最鄰近的原子

25、排列包括原子間距、配位數(shù)與單晶的情況相似，在次鄰近位置的原子則上述參數(shù)相差很大。在半導(dǎo)體材料中，單晶使用得最多，其次是多晶，非晶與微晶也開(kāi)始使用在半導(dǎo)體材料中，單晶使用得最多，其次是多晶，非晶與微晶也開(kāi)始使用。2.4 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶、化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)是從不同角度來(lái)闡述材料的本性的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)半導(dǎo)體的能帶、化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)是從不同角度來(lái)闡述材料的本性的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是能看得見(jiàn)并與材料的制備和應(yīng)用有著密切關(guān)系的，同時(shí)它又是上述的體的晶體結(jié)構(gòu)是能看得見(jiàn)并與材料的制備和應(yīng)用有著密切關(guān)系的，同時(shí)它又是上述的能帶結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵的一些特征的反映能帶結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵的一些特征的反映。我們

26、首先介紹一下有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)。2.4.2 晶胞與晶系晶胞與晶系n為了弄清晶體內(nèi)部的周期性與規(guī)律性，首先我們把構(gòu)成晶體的原子、離子看成分立的點(diǎn)，然后研究其構(gòu)成的點(diǎn)陣的特點(diǎn)。n這種點(diǎn)陣具有其不同的周期性、規(guī)律性，我們?nèi)缦胂笥弥本€把點(diǎn)陣中的“點(diǎn)”連接起來(lái)，就形成各種格子，稱為晶格。n布喇菲（Bravias ）證明，雖然晶體有多種多樣，但只存在14種晶格，稱為 布喇菲格子，如圖2.10所示，這些格子分屬于這些格子分屬于7大晶系大晶系。 圖2.10 布喇菲格子n每一種點(diǎn)陣都可以取一個(gè)體積最小的單元，這種單元呈平行六面體，將它沿著三個(gè)不同的方向位移，就可形成整個(gè)晶體。這個(gè)最小的單元稱為晶最小的單元稱

27、為晶胞（胞（unit cell），或原胞），或原胞。n晶胞的三個(gè)棱邊的單位矢量用a、b、c表示；夾角用a、b、g表示，見(jiàn)圖2.11。n用這用這6個(gè)參數(shù)可以決定晶體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)個(gè)參數(shù)可以決定晶體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表表2.4。 這里稱為矢量這里稱為矢量，是因?yàn)樗蔷哂忻鞔_方向的邊長(zhǎng)。n通常將晶胞所必需指明的矢量稱為將晶胞所必需指明的矢量稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)。 圖2.11 晶胞的矢量與夾角表2.4 晶系與布喇菲格子及其矢量圖2.12半導(dǎo)體材料的主要晶體結(jié)構(gòu)（a）金剛石型；（b）閃鋅礦型；（c）纖鋅礦型半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)也不盡相同，但就目前使用最廣的元素半導(dǎo)體及二元化合物半導(dǎo)體而言，最主要的晶體結(jié)構(gòu)是：金剛石型、

28、閃鋅礦型和纖鋅礦型，金剛石型、閃鋅礦型和纖鋅礦型，其結(jié)構(gòu)如圖2.12 所示。n其中金剛石型乍一看來(lái)，難以找到相應(yīng)的布喇菲格子，其實(shí)它是由兩個(gè)面心立方的布喇菲格子沿方向(體對(duì)角線）相互位移a/4套構(gòu)所形成的，n而閃鋅礦結(jié)構(gòu)則由不同原子的兩個(gè)面心立方格子套構(gòu)而成的，如圖2.13所示。n常用的硅、鍺都屬于金剛石型晶體結(jié)構(gòu)，n一些重要的化合物半導(dǎo)體如砷化鎵、磷化銦、碲化鎘等屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)。n纖鋅礦型屬六角晶系的布喇菲六角格子。硫化鋅、氮化鎵等具有這種結(jié)構(gòu)。兩套晶胞沿a/4套構(gòu)同種元素原子套構(gòu)不同元素原子套構(gòu)金剛石型閃鋅礦型面心立方晶胞圖圖2.13 金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)與面心立方晶胞的關(guān)系金剛石結(jié)構(gòu)、閃

29、鋅礦結(jié)構(gòu)與面心立方晶胞的關(guān)系材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、材料的晶體結(jié)構(gòu)與它的電子軌道、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵關(guān)系密切。n以硅為例，它的每個(gè)原子的四周雜化軌道以及它的共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)決定了它必然是面心立方的金剛石結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2.14。n而且周期表的4個(gè)IV族元素半導(dǎo)體都是這種結(jié)構(gòu)。n在化合物半導(dǎo)體中，以共價(jià)鍵為主的材料多呈閃鋅礦結(jié)構(gòu)。n閃鋅礦與金剛石完全是一種類型，只不過(guò)前者是兩種元素相互交替，而后者只是一種元素。n隨著極性的增大，有可能變成纖鋅礦結(jié)構(gòu)，但這種變化并非單一性的，因?yàn)闃O性對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的影響是復(fù)雜的。圖2.14 硅的雜化軌道與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系2.4.3 晶體結(jié)構(gòu)與

30、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系（a）硅的雜化軌道（b）晶體結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)n如上所述，不論晶體屬于何種晶系或晶格，都不是完全對(duì)稱的，因此單晶表現(xiàn)出各向異性不論晶體屬于何種晶系或晶格，都不是完全對(duì)稱的，因此單晶表現(xiàn)出各向異性。n為了標(biāo)明單晶的取向或晶面相對(duì)于上述晶胞所形成的晶軸的相互關(guān)系為了標(biāo)明單晶的取向或晶面相對(duì)于上述晶胞所形成的晶軸的相互關(guān)系，提出了晶面指數(shù)的概念，并以密勒指數(shù)密勒指數(shù)表示。n設(shè)晶面對(duì)x、y、z晶軸的截距分別為p、q、r，取其倒數(shù)之比為：u1/p：1/q：1/r = h：k：lu將將h、k、l化為互質(zhì)整數(shù)，就稱為密勒指數(shù)化為互質(zhì)整數(shù)，就稱為密勒指數(shù)。 圖2.15 立方晶

31、系的一些面的密勒指數(shù)2.4.4 晶面與晶面指數(shù)n按規(guī)定用()表示晶面，表示晶向。從圖中可以看出，每一種晶面是一個(gè)族， 用來(lái)表示族。在立方晶系中，各族包括的晶面為：n100 ：(100)，(100)，(010)，(010)，(001)，(001)共6個(gè)面；n110 ：(110)、(110)、(101)、(101)、(011)、(011)、(110)、(110)、(101)、(101)、(011)、（011）共12個(gè)面；n111：(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)共8個(gè)面。 圖2.15 立方晶系的一些面的密勒指數(shù)n如圖2.15所示的立方晶

32、系，其中（a）的上面的平面與x、y軸平行，截距為，與z軸相切，截距為r ，那么h:k:l = 1/:1/:1/r = 0:0:1，故上面的平面為（001 ）面，此面的法線方向?yàn)榉较颍源祟愅?。以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面 的一些特征列入表的一些特征列入表2.5 中。中。n我們可以看出111的面間距是大小交替地存在。在間距大的面上的鍵密度又最小，而110次之，因此它們之間的結(jié)合力最弱，最容易由此斷開(kāi)，這種斷裂現(xiàn)象稱為解理。n在半導(dǎo)體器件工藝中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。n硅、鍺的解理面為111及110。 表2.5 金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征晶體的各向異性也可以從晶格結(jié)

33、構(gòu)中看出。晶體的各向異性也可以從晶格結(jié)構(gòu)中看出。但對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)則不完全相同。但對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)則不完全相同。n例如磷化鎵，構(gòu)成 111面的原子不同，即一層鎵原子、一層磷原子交替地排列著。上面已講過(guò)，由于Ga與P對(duì)電子的親合力不同，而產(chǎn)生極性，這樣在這兩個(gè)面間不容易產(chǎn)生斷裂，所以對(duì)GaP而言它的解理面為110。n但對(duì)極性不夠強(qiáng)的化合物如砷化鎵，它的解理面以110 為主，但111也是它的解理面。 表2.5 金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能半導(dǎo)體材料1 半導(dǎo)體材料的特征半導(dǎo)體材料的特征n（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在10310-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W. c

34、m) ； 一般金屬為107104S/cm,而絕緣體則10-10，最低可達(dá)10-17。同時(shí)，同一種半導(dǎo)體材料，因其摻入的雜質(zhì)量不同，可使其電導(dǎo)率在幾個(gè)到十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)變化，也可因光照和射線輻照明顯地改變其電導(dǎo)率；而金屬的導(dǎo)電性受雜質(zhì)的影響，一般只在百分之幾十的范圍內(nèi)變化，不受光照的影響。n（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升高，它的電導(dǎo)率增大；而金屬導(dǎo)體則相反，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。n（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中是僅

35、靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，則靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。第一節(jié)：概述1.2半導(dǎo)體材料的類別對(duì)半導(dǎo)體材料可從不同的角度進(jìn)行分類例如：n根據(jù)其性能可分為高溫半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體、熱電半導(dǎo)體；n根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為金剛石型、閃鋅礦型、纖鋅礦型、黃銅礦型半導(dǎo)體；n根據(jù)其結(jié)晶程度可分為晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體，n但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學(xué)組成的按其化學(xué)組成的分類，依此可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶半導(dǎo)體三大類，見(jiàn)表1。在化合物半導(dǎo)體中，有機(jī)化合物半導(dǎo)體雖然種類不少，但至今仍處于研究探索階段，所以本書在敘述中只限于無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，簡(jiǎn)稱化合物半導(dǎo)體材料。1.2.1 元素半導(dǎo)體已

36、知有12個(gè)元素具有半導(dǎo)體性質(zhì)，它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢萌鐖D1.1所示。從這里也可以看出半導(dǎo)體材料與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。n化合物半導(dǎo)體材料的種類繁多，性能各異，因此用途也就多種多樣。n化合物半導(dǎo)體按其構(gòu)成的元素?cái)?shù)量可分為二元、三元、四元等。n按其構(gòu)成元素在元素周期表中的位置可分為III-V 族、II-IV-V族等等。n如果要問(wèn)哪些化合物是半導(dǎo)體，哪些不是，有沒(méi)有規(guī)律性？應(yīng)該回答說(shuō)，規(guī)律性是有的，但還沒(méi)有找到一個(gè)嚴(yán)密的公式可以毫無(wú)例外地判斷某個(gè)化合物是否屬于半導(dǎo)體。n常用的方法是先找到一個(gè)已知的化合物半導(dǎo)體，然后按元素周期表的規(guī)律進(jìn)行替換（參照?qǐng)D1.1） 。1.2.2 化合物半導(dǎo)體：u由兩個(gè)或兩個(gè)

37、以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱固溶體或混晶。u因?yàn)椴豢赡茏鞒鼋^對(duì)純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要?dú)埩粢欢〝?shù)量的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地?fù)饺胍欢ǖ碾s質(zhì)，在這些情況下，雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量較低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。u另一方面，固溶半導(dǎo)體又區(qū)別于化合物半導(dǎo)體，因后者是靠其價(jià)鍵按一定化學(xué)配比所構(gòu)成的。固溶體則在其固溶度范圍內(nèi)，其組成元素的含量可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。u固溶體增加了材料的多樣性，為應(yīng)用提供了更多的選擇性。u為了使固溶體具有半導(dǎo)體性質(zhì)常常使兩種半導(dǎo)體互溶，如Si1-xGex（

38、其中x 1)；也可將化合物半導(dǎo)體中的一個(gè)元素或兩個(gè)元素用其同族元素局部取代，如用Al來(lái)局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1-xInxAs1-yPy 等等。u固溶半導(dǎo)體可分為二元、三元、四元、多元固溶體；也可分為同族或非同族固溶體等（見(jiàn)表1.1 ）。1.2.3 固溶半導(dǎo)體第二節(jié) 基本原理s = nem m (2-1)其中： n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3; e 為電子的電荷，單位為C（庫(kù)侖），e對(duì)所有材料都是一樣，e=1.610-19C 。 m為載流子的遷移率，它是在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動(dòng)速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率s的單

39、位為S/cm(S為西門子）。我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因：(2-1)式中的遷移率的差別遷移率的差別：而半導(dǎo)體材料的遷移率一般都高于金屬， 例如金屬銅的室溫電子遷移率為30 cm2/V.s，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2/V.s。n載流子濃度載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的原因從（2-1）式看，只能是載流子濃度的差別。 在金屬中，價(jià)電子全部解離參加導(dǎo)電，例如導(dǎo)電性能好的金屬銅的載流子濃度為8.51022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在1061020/cm3范圍內(nèi)，與金屬相差可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量

40、級(jí)。于是，金屬的電導(dǎo)率一般要高于半導(dǎo)體材料是顯而易見(jiàn)的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導(dǎo)電。n既然金屬中的價(jià)電子全部參加導(dǎo)電，因此無(wú)法再增加載流子，也無(wú)法束縛住載流子，所以金屬的導(dǎo)電率難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻入雜質(zhì)和升溫會(huì)在一定程度上能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。n而半導(dǎo)體的載流子濃度可通過(guò)升溫、摻入雜質(zhì)、幅照予以大幅度地增加，使其電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。n為什么金屬的價(jià)電子會(huì)全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)電子只局部解離，而絕緣體又不解為什么金屬的價(jià)電子會(huì)全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)電子只局部解離，而絕緣體又不解離？離？這些將在能帶結(jié)構(gòu)等章節(jié)中加以說(shuō)明。n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖2.4，可以把固體材料分成兩大類

41、：p一類是價(jià)帶與導(dǎo)帶相互搭接，這是導(dǎo)體；p另一類則在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在著禁帶，這包括半導(dǎo)體與絕緣體。圖圖2.4 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導(dǎo)體絕緣體n在導(dǎo)體中：p一類材料是由于電子在價(jià)帶中并未填滿，電子可以在帶內(nèi)的各個(gè)能級(jí)上自由流動(dòng)，這需要的能量非常之?。籶另一類材料雖然在價(jià)帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價(jià)電子很容易從價(jià)帶進(jìn)入到導(dǎo)帶成為自由電子而導(dǎo)電。 早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個(gè)方向通過(guò)電流，在與電流的垂直方向加上磁場(chǎng)(H)，那么在樣品的第三個(gè)方向

42、就可以出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，稱霍爾電動(dòng)勢(shì)，此效應(yīng)稱霍爾效應(yīng)。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理l 負(fù)電荷 正電荷+dHIx（a）負(fù)電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子n從這個(gè)電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是洛侖茨力作用的結(jié)果，也就是當(dāng)電流通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，不管載流子是正還是負(fù)，只要電流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，這就使得載流子的分配偏在同一方向，如圖2.1所示。l 負(fù)電荷 正電荷+dHIx（a）負(fù)電荷載流子+dHIx（b）正電荷載流子n顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動(dòng)勢(shì)也不相同?？梢?jiàn)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向取決于載流子帶的電荷是正還是負(fù)。n用此法測(cè)量金屬時(shí)，證明絕大多數(shù)的金屬都是靠帶負(fù)電

43、荷的載流子-電子進(jìn)行導(dǎo)電的。圖2.1 霍爾效應(yīng)原理2.1.1 存在兩種載流子的證明n從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電場(chǎng)下如此連續(xù)傳遞就形成了電流場(chǎng)下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導(dǎo)電的原理。n當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生

44、載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（為本征導(dǎo)電（intrinsic conductivity） ，這種半導(dǎo)，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor)。n其特點(diǎn)是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖2.7中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2.7 硅的本征激發(fā)示意圖利用價(jià)鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：利用價(jià)鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面以金剛石結(jié)構(gòu)為例，將其晶面 的一些特征列入表的一些特征列入表2.5 中。中。n我們可以看出111的面間距是大小交替地存在。在間距大的面上的鍵密度又最小，而110次之，因此它們之間的結(jié)合力最弱

45、，最容易由此斷開(kāi)，這種斷裂現(xiàn)象稱為解理。n在半導(dǎo)體器件工藝中，常常利用解理把大晶片分割成小芯片。n硅、鍺的解理面為111及110。 表2.5 金剛石型結(jié)構(gòu)的晶面特征利用晶體結(jié)構(gòu)理論解釋具體的各向異性：利用晶體結(jié)構(gòu)理論解釋具體的各向異性：第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能 當(dāng)了解了上一章所述的一些基本概念之后，就可以深入地了解半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，可以理解半導(dǎo)體與導(dǎo)體、絕緣體的本質(zhì)的不同，從而可以認(rèn)識(shí)下述的半導(dǎo)體材料的性能以及與之相關(guān)的應(yīng)用。3.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 3.1.1 載流子的來(lái)源從上述的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵我們已知道了半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生的機(jī)理。下面我們?cè)侔演d流子產(chǎn)生的影響因素和載流子在輸運(yùn)過(guò)程中

46、的一些問(wèn)題進(jìn)行闡述，這樣就容易了解半導(dǎo)體導(dǎo)電的過(guò)程。n所有材料的導(dǎo)電率（s）可用下式表達(dá)：s=nem (2-1) 其中n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e 為電子的電荷，單位為C（庫(kù)侖）；m為載流子的遷移率，它是在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動(dòng)速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率單位為S/cm(S為西門子）。我們首先研究一下靠熱激發(fā)的本征導(dǎo)電。u在一定溫度下，由于電子能量的分布不均勻，一部分原子或分子中的電子由價(jià)帶升到導(dǎo)帶上的能級(jí)，如圖3.1所示 。u這在常溫下只有當(dāng)半導(dǎo)體材料很純、晶體完整性很好時(shí)，才能顯示出來(lái)。在這種本征導(dǎo)電的情況下，被熱激發(fā)的載流子是成對(duì)的，如n表示電子數(shù)、p表示空穴數(shù)，此時(shí)：

47、 n = p （3-1）u當(dāng)溫度明顯地高于絕對(duì)零度時(shí)，本征激發(fā)的濃度可近似地看作按波爾茲曼的統(tǒng)計(jì)分布即： n (p) Aexp-E/2kT (3-2)其中：A為比例常數(shù)；E為禁帶寬(eV)，k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度（K）。 圖3.1 本征導(dǎo)電原理示意圖+-電場(chǎng)方向?qū)Ы麕r(jià)帶從這里可以看出，半導(dǎo)體材料在特定溫度下，其電阻率是有上限的，即本征電阻率。當(dāng)經(jīng)過(guò)提純，使材料的雜質(zhì)濃度低于其本征載流子濃度時(shí)，如高純鍺，在此情況下，稱為本征鍺。這時(shí)，室溫電阻率就不能隨雜質(zhì)濃度的進(jìn)一步降低而增高，因此不能對(duì)應(yīng)地反映材料的純度。這就需進(jìn)行低溫測(cè)量。但對(duì)一些禁帶寬度較大的材料如硅，至今尚未能提純到本征純

48、度。 表3.1 室溫下幾種材料的本征性質(zhì)材料本征電阻率（Wcm）本征載流子濃度（個(gè)/cm3)Ge472.41013Si2.31051.451010GaAs1081.79106 在室溫下幾種半導(dǎo)體材料的本征性質(zhì)如表3.1所示。其中，本征電阻率是指當(dāng)材料很純時(shí)，僅由本征激發(fā)時(shí)所形成的電阻率。另一種導(dǎo)電機(jī)制是靠電活性雜質(zhì)形成的載流子導(dǎo)電，這種導(dǎo)電稱為雜質(zhì)導(dǎo)電。其原理如圖3.2所示。施主雜質(zhì)：以雜質(zhì)導(dǎo)電為主的、能向?qū)ж暙I(xiàn)電子的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)。對(duì)IV族元素半導(dǎo)體而言，V族元素就是施主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)：從價(jià)帶俘獲電子，而在價(jià)帶形成空穴的雜質(zhì)稱為 受主雜質(zhì)。對(duì)IV族素半導(dǎo)體而言，III族元素就是受主雜質(zhì)

49、。電離能：施主或受主分別向?qū)Щ騼r(jià)帶釋放電子或空穴所需的能量稱為電離能，分別用ED、 EA表示（見(jiàn)圖3.2）。圖3.2 雜質(zhì)導(dǎo)電示意圖+-電場(chǎng)方向?qū)Ы麕r(jià)帶+ + +- -DEDDEV施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)導(dǎo)電雜質(zhì)導(dǎo)電:n淺施主或淺受主：其電離能比較?。?T1 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體低溫高溫I外部負(fù)載金屬導(dǎo)流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖3.11 半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(a) 熱電電勢(shì)；(b) n型和p型半導(dǎo)體受熱后的載流子分布(T2T1)n在實(shí)際中利用這個(gè)現(xiàn)象可測(cè)量半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。n如果我們將熱端放到pn結(jié)處，如圖3.11(a)，則p 型冷端的正電位和n型冷端的負(fù)電位相加而形成熱

50、電動(dòng)勢(shì)。n而金屬的熱電效應(yīng)則只利用不同金屬的逸出功（見(jiàn)3.3 節(jié)）不同及電子密度不同而形成。T2 T1 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體低溫高溫I外部負(fù)載金屬導(dǎo)流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖3.11 半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(a) 熱電電勢(shì)；(b) n型和p型半導(dǎo)體受熱后的載流子分布(T2T1)我們?cè)倏纯窗雽?dǎo)體的帕爾帖效應(yīng)。圖3.12所示為其原理。從圖（a）可以看出，當(dāng)電流從n區(qū)進(jìn)入p區(qū)時(shí)，在pn結(jié)（1）處的載流子不斷地流走，因此需要相應(yīng)地產(chǎn)生新的載流子，為此需要消耗能量，如圖（b）所示，這就使溫度降低。當(dāng)載流子流向pn結(jié)（2）處時(shí)，兩種載流子是相迎地運(yùn)動(dòng)著，它就產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，從而放出

51、能量，如圖（b）所示，使溫度升高。這些效應(yīng)是半導(dǎo)體致冷與半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換應(yīng)用的基礎(chǔ)。圖3.12 半導(dǎo)體材料的波爾帖效應(yīng)示意圖(a) pn結(jié)處的載 流子的活動(dòng)；(b) 載流子的能量變化 n根據(jù)量子力學(xué)的概念，具有一定波長(zhǎng)的光具有能量hn，其中h為普朗克常數(shù)，n為光波的頻 率。當(dāng)hn Eg時(shí)，這個(gè)光子便可把價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而形成電子空穴對(duì)。這樣光子的能量hn被消耗在這種激發(fā)過(guò)程上了， 所以hn0 =Eg，n0就成為光吸收的邊界。這種吸收稱為本征吸收，見(jiàn)圖3.13。n除此之外還有自由載流子的吸收。由圖中可以看出載流子濃度N2N1，吸收系數(shù)也相應(yīng)為a2a1。n不同的雜質(zhì)對(duì)光亦有不同吸收作用。n晶

52、格本身，特別是具有離子性的晶體，具有顯著的吸收作用。紅外光學(xué)可根據(jù)這些關(guān)系，選擇相應(yīng)波長(zhǎng)的半導(dǎo)體透過(guò)材料。n從這里也可以看出半導(dǎo)體與金屬的區(qū)別。金屬無(wú)論在可見(jiàn)光區(qū)，還是在紅外區(qū)均是不透明的。 3.7 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)我們對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)材料如金剛石、磷化鎵等外，大多數(shù)材料對(duì)可見(jiàn)光是不透明的。但是半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的紅外光卻是透明的。這一點(diǎn)，當(dāng)明白了上節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)以后是容易理解的。 圖3.13 半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系吸收系數(shù)波長(zhǎng)EgN1N2n既然光子可形成本征激發(fā)，那么所形成的電子-空穴對(duì)就增大了材料的電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象就稱為光電導(dǎo)。圖3.14示出了鍺的光電導(dǎo)與光子

53、能量的關(guān)系。n靠光子的能量直接把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶形成的光電導(dǎo)稱為本征光電導(dǎo)。n當(dāng)能量低于由禁帶寬度Eg所確定的臨界頻率（波長(zhǎng)）時(shí)，還存在一個(gè)“尾巴”（見(jiàn)圖3.14)，這是與熱能聯(lián)合作用的結(jié)果，稱為“熱尾”。n當(dāng)光子能量大于臨界值后，光電導(dǎo)出現(xiàn)一個(gè)最大值，然后隨能量增大而光電導(dǎo)下降，這是由于能量高而迅速被表面吸收，同時(shí)表面復(fù)合速度又比體內(nèi)快的緣故。圖3.14 鍺的本征光電導(dǎo)光子能量eV臨界波長(zhǎng)熱尾波長(zhǎng)mm光電導(dǎo)（任意單位）第4章對(duì)半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求半導(dǎo)體材料第4章對(duì)半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求u半導(dǎo)體材料的實(shí)際應(yīng)用是以其作出的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體材料的實(shí)際應(yīng)用是以其作出的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。u器件對(duì)材料的

54、要求總的說(shuō)來(lái)有兩個(gè)方面器件對(duì)材料的要求總的說(shuō)來(lái)有兩個(gè)方面: :n一方面是根據(jù)器件的功能來(lái)選擇能滿足其性能的材料，這包括材料的能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、遷移率、光學(xué)性質(zhì)等；n另一方面，在材料選定后，要使材料具有相應(yīng)的物理參數(shù)與化學(xué)純度，以保證器件獲得良好的功能，同時(shí)為了保證器件工藝的實(shí)施，還要求材料具有相應(yīng)的幾何尺寸。u一般都要求材料的本底純度高、晶體缺陷少、晶體的尺寸大、加工精度高等。一般都要求材料的本底純度高、晶體缺陷少、晶體的尺寸大、加工精度高等。u這就涉及到材料的化學(xué)組成、晶體缺陷、幾何精度等方面的問(wèn)題。這就涉及到材料的化學(xué)組成、晶體缺陷、幾何精度等方面的問(wèn)題。4.1化學(xué)組成4.1.1 雜質(zhì)的

55、種類與行為1. 電活性雜質(zhì)。n根據(jù)2.3節(jié)所述，由于雜質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)與本體材料的價(jià)電子數(shù)不同，從而形成施主或受主。如果這些雜質(zhì)的能級(jí)是在導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近（圖3.2）稱為淺施主或淺受主。n這些雜質(zhì)會(huì)影響材料的電阻率、遷移率等。因此要將它們的濃度盡量降低。但在半導(dǎo)體材料或器件的制備過(guò)程中也常常利用某種淺施主或淺受主雜質(zhì)來(lái)形成n型或p型半導(dǎo)體。n這些雜質(zhì)都分布在周期表中與本體材料鄰近的一族中。由于它們所形成的能級(jí)與導(dǎo)帶或價(jià)帶靠得非常近，因此它們的解離能非常小，在室溫下就可以完全解離。n另一類電活性雜質(zhì)的電離能較大，它們的能級(jí)位置靠近禁帶的中部，這類雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)，它們常常有幾個(gè)能級(jí)，在室溫下

56、不全部電離，但對(duì)載流子起復(fù)合中心或陷阱作用，因此這類雜質(zhì)一般對(duì)材料是有害的，它們主要是元素周期表中的IB族，如銅、金和VIII族，如鐵、鎳等。2. 電中性雜質(zhì)。電中性雜質(zhì)。大多數(shù)的中性雜質(zhì)是與本體材料或本體材料的一個(gè)組成元素處于元素周期表的同一族。這些雜大多數(shù)的中性雜質(zhì)是與本體材料或本體材料的一個(gè)組成元素處于元素周期表的同一族。這些雜質(zhì)的價(jià)電子數(shù)與本體材料中的一種元素的相同，故又稱等電子雜質(zhì)。質(zhì)的價(jià)電子數(shù)與本體材料中的一種元素的相同，故又稱等電子雜質(zhì)。n這種等電子雜質(zhì)雖然不能釋放出電子與空穴，但它們電子層數(shù)與本體元素不同。例如在磷化這種等電子雜質(zhì)雖然不能釋放出電子與空穴，但它們電子層數(shù)與本體元

57、素不同。例如在磷化鎵中的氮，它與磷的價(jià)電子數(shù)都是鎵中的氮，它與磷的價(jià)電子數(shù)都是5，但它的價(jià)電子在，但它的價(jià)電子在L層，而磷在層，而磷在L層已填滿，它們價(jià)電子就層已填滿，它們價(jià)電子就在在M 層。因此氮就更容易俘獲電子，而成為等電子陷阱。類似地，如果雜質(zhì)對(duì)空穴的引力比層。因此氮就更容易俘獲電子，而成為等電子陷阱。類似地，如果雜質(zhì)對(duì)空穴的引力比較大，就成為空穴陷阱?？梢岳眠@些陷阱制作器件。較大，就成為空穴陷阱?？梢岳眠@些陷阱制作器件。n另外對(duì)所有類型的雜質(zhì)，包括電活性與電中性雜質(zhì)，由于它們的結(jié)合半徑與本體原子不同，另外對(duì)所有類型的雜質(zhì)，包括電活性與電中性雜質(zhì)，由于它們的結(jié)合半徑與本體原子不同，所

58、以會(huì)改變晶體的晶格常數(shù)與力學(xué)性能。晶格常數(shù)的變化可造成高純層與摻雜層的晶格失配，所以會(huì)改變晶體的晶格常數(shù)與力學(xué)性能。晶格常數(shù)的變化可造成高純層與摻雜層的晶格失配，當(dāng)然也可摻入一定數(shù)量雜質(zhì)（通常是電中性雜質(zhì)）以調(diào)整晶體的晶格常數(shù)。一些電中性雜質(zhì)也當(dāng)然也可摻入一定數(shù)量雜質(zhì)（通常是電中性雜質(zhì)）以調(diào)整晶體的晶格常數(shù)。一些電中性雜質(zhì)也可以用來(lái)改善材料的力學(xué)性能。可以用來(lái)改善材料的力學(xué)性能。3. 化學(xué)配比偏離。在實(shí)際的化合物半導(dǎo)體的晶體中，各組成元素的比例與理論的化學(xué)配比有所偏離。例如在砷化鎵中，砷原子與鎵原子不能按1:1組成。這樣，一些價(jià)電子不能相鍵合，便構(gòu)成載流子或形成點(diǎn)缺陷。因此在化合物的晶體制備中

59、，要采取相應(yīng)措施以盡量減少化學(xué)配比偏離。4.1.2 本底純度從上述的情況可以看出，在材料中雜質(zhì)的行為多種多樣，而所需要的雜質(zhì)的種類很少，卻要求有準(zhǔn)確的含量。所以可行的辦法是先把半導(dǎo)體材料進(jìn)行提純，把其中所有的雜質(zhì)降到一定的水平，使材料獲得較高的本底純度，然后再摻入所需的雜質(zhì)。這種本底純度當(dāng)然愈高愈好，但根據(jù)需要與可能至少使雜質(zhì)含量降到10-4%以下，有的則要求降到10-8%或更低。本底純度是衡量半導(dǎo)體材料質(zhì)量的、具有先決性的重要參數(shù)。4.1.3 雜質(zhì)分布的均勻性u(píng)在晶體制備的過(guò)程中，首先根據(jù)器件設(shè)計(jì)所要求的雜質(zhì)性質(zhì)與載流子濃度來(lái)進(jìn)行摻雜，摻雜量可以由計(jì)算求得。但摻入的雜質(zhì)在晶體中的分布卻是不均

60、勻的。不均勻度可分為宏觀的與微觀的。u因?yàn)槠骷话闶亲髟诰?，所以宏觀的縱向不均勻度，即晶體自頭部至尾部的雜質(zhì)濃度的差異，主要影響晶體的可用部分的大小；而徑向不均勻度則影響器件的質(zhì)量與成品率。u微觀不均勻度表現(xiàn)為雜質(zhì)條紋，它亦對(duì)一些器件的性能有明顯的影響。4.2 晶體缺陷u晶體內(nèi)的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區(qū)域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。u從這個(gè)意義上講，雜質(zhì)也是一類缺陷，因?yàn)槿魏蔚碾s質(zhì)都會(huì)使晶體的正規(guī)點(diǎn)陣遭到破壞，因此我們?cè)谶@里也將敘述雜質(zhì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)方面所引入的問(wèn)題。u晶體缺陷對(duì)半導(dǎo)體材料的使用性能影響很大，在大多數(shù)的情況下，它使器件性能劣化直