半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識.2

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1、半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識講座李本成2007/06/25目錄一、什么是半導(dǎo)體？1.導(dǎo)體（Conductor）2.絕緣體（Insulator）3.半導(dǎo)體（Semiconductor）二、半導(dǎo)體材料的分類1.元素半導(dǎo)2.化合物半導(dǎo)體3.有機(jī)半導(dǎo)體4.無定形半導(dǎo)體三、半導(dǎo)體硅材料的制備1.冶金級硅（工業(yè)硅）的制備2.多晶硅的制備3.單晶硅的制備目錄四、半導(dǎo)體硅材料的加工1.硅切片2.硅磨片3.硅拋光片五、半導(dǎo)體硅材料的電性能特點六、半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)1.導(dǎo)電類型2.晶體結(jié)構(gòu)及缺陷3.電阻率4.少子壽命5.氧、碳含量6.晶體缺陷目錄七、半導(dǎo)體的主要電性能參數(shù)及其測量方法八、硅

2、中的雜質(zhì)及其測量方法半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識一、什么是半導(dǎo)體？大家知道，如果我們用物質(zhì)的存在狀態(tài)來區(qū)分世界上的各類物質(zhì)的話，就可以分為氣體、液體和固體三大類。但是如果我們用導(dǎo)電性能來區(qū)分世界上的各種物質(zhì)的話，也可以分為三大類，即：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體（conductor）：顧名思義，導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，如金、銀、銅、鋁等金屬材料。這類金屬材料的電導(dǎo)率很高，也就是說它們的電阻率極低，大約是10-6—10-8Ωcm。如金屬銅的電阻率僅為1.75×10-8Ωcm。絕緣體（Insulator）：這是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類物質(zhì)，如：玻璃、橡膠、石英等材料。絕緣體

3、的電阻率很大，一般來說，絕緣體的電阻率＞108Ωcm。半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體（Semiconductor）：這是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)，我們統(tǒng)稱為半導(dǎo)體?，F(xiàn)有已知的半導(dǎo)體材料有近百種，比較適用且已工業(yè)化的重要半導(dǎo)體材料有：硅、鍺、砷化鎵、硫化鎘等。半導(dǎo)體的電阻率一般在10-5—1010Ωcm。值得一提的是還有少量固體物質(zhì),如砷、銻、鉍等，它們的電阻率比一般金屬導(dǎo)體要高出100~1000倍，但卻不具備半導(dǎo)體材料的基本特性，則不能稱作半導(dǎo)體，我們把它叫做半金屬。因此半導(dǎo)體材料的定義應(yīng)該是：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo)體的基本特性的一類材料。那

4、么，世界上的物質(zhì)在導(dǎo)電性能上為什么會有這樣的差異呢？我們知道，世界上所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，在原子的中心位置上有一個帶正電荷的原子核，某一原子所帶正電荷的多少正好等于它在元素周期表中的原子序數(shù)，而原子核外則存在著一系列不連續(xù)的、半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識由電子運動軌跡構(gòu)成的殼層，原子核外的電子數(shù)目也正好等于原子序數(shù)，這就使得原子在無得失外層電子的情況下，整體上處于電中性狀態(tài)。我們常常把原子核最外層那些離原子核最遠(yuǎn)的電子叫作價電子。這些價電子受原子核的束縛較弱，在外電場或其它外力（如光照）的作用下，很容易擺脫原子核的束縛而成為自由電子。金屬導(dǎo)體之所以容易導(dǎo)電，是因為在金屬體

5、內(nèi)存在著大量的自由電子，在外電場的作用下，這些自由電子就會有規(guī)則地沿著電場的反方向流動，這就形成了電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在外電場的作用下，自由電子有規(guī)則流動的速度越快，則電流越大，它的導(dǎo)電性能越好，其電阻率就越低。電子流動時運載著一定的電荷量，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。常溫下，絕緣體內(nèi)只有極少極少的自由電子，因此，它對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體內(nèi)都存在少量的自由電子或空穴，所以在一定的條件下，它呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識以硅（Si）為例，硅的原子序數(shù)是14，硅的原子核帶有1

6、4個正電荷，其核外應(yīng)有14個電子分為三層繞核運動，第一層2個電子，第二層8個電子，最外層4個電子。（如圖示）硅原子結(jié)構(gòu)示意圖硅原子核半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識通常我們把原子核最外層的電子叫作價電子，Si原子外層有4個價電子，因此它是4價元素。在一定的條件下，這4個價電子就可能脫離原子核的束縛而成為自由電子，從而使之呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體材料從1782年發(fā)現(xiàn)其在導(dǎo)電性方面的某些特點而被稱為“半導(dǎo)體”以來，在其研究領(lǐng)域不斷取得新的突破，1883年人們發(fā)明了硒整流器。1931年英國科學(xué)家威爾遜發(fā)表了半導(dǎo)體的能帶理論，首次提出了本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體，施主和受主等概念。1947年

7、人們制得了鍺的點接觸晶體管，同年發(fā)現(xiàn)了鍺的PN結(jié)光伏效應(yīng)。1954年制作出硅的PN結(jié)太陽電池。1959年由美國的貝爾實驗室制成了僅有三個電子原件組成的世界上第一個集成電路。半導(dǎo)體硅材料從發(fā)現(xiàn)、發(fā)展至今不過200多年的歷史，由于它的特殊性質(zhì)而在電力電子、微電子和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。如今人們談?wù)摪雽?dǎo)體猶如談?wù)摷Z食和鋼鐵一樣，已是我們生活中不可或缺的。我們的家用電器、電腦和幾乎所有的自動控制系統(tǒng)無處不有半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體芯片的身影。就連我們常用的計算器、手機(jī)、電子表、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼DV等的芯片都是由半導(dǎo)體硅作的芯片而制成的。迄