《半导体材料》PPT课件.ppt

第二章半导体材料,概述 了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半导体材料重要角色的关键。掌握这些知识，为理解简单的半导体器件如何能充当复杂微芯片世界的一部分提供了基础。,目标 通过本章学习，能够： 1.能够列出至少三种半导体材料 2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯片制造中的重要性 3.解释N型和P型半导体材料在组成和电性能方面的不同 4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料,2.1原子结构 自然界中任何事物都是由96种稳定元素和12种不稳定元素组成的。不同原子结构决定了不同的元素特性。 著名物理学家尼尔斯玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。,2.1.1玻尔原子模型 带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核在固定的轨道上运动。 带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。 每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道上。,元素：同种原子构成的最简单的物质，具有特定的物理和化学性质 分子：由两个或更多的原子构成，通过化学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一个独立单元 化合物：由两个或更多的原子构成，形成一种性质不同于组分原子的新物质,电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的轨道，每个壳层对应了一个特定的能级，以从K到Q得字母来区分。 电子能级：能量单位是电子伏特（ev），代表一个电子从低电势处移动到高出1V的电势处所获得的动能。 价电子层：给定一种原子，最外部的电子层就是价电子层，对原子的化学和物理性质具有显著的影响。,固体能带论：解释了固体材料中电子怎样改变轨道能级。 离子：当原子失去或得到一个或多个电子时成为离子。 电离：从原子中移去电子的过程，产生了带正电的原子或分子。 离子键：当价层电子从一种元素的原子转移到另一个原子上时，形成离子键。 共价键：不同元素的原子共有价层电子，原子通过共有电子来使价层完全填充而变得稳定。,2.1.2元素周期表 原子结构的规则 1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子 2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。“原子序数”就等于原子中质子的数目。 3、有相同最外层电子数的元素有着相似的性质。,4、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的，在化学性质上比最外层未填满的原子更稳定。 5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。,2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性 IA ：一个价电子，容易失去，低负电性 不稳定 非常活泼，爆炸性 形成离子键 由于污染问题，不推荐使用这族金属,IIA：2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属,IIIA：3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要 是B） 普通的互连导电材料（AL）,IVA：4个价电子 半导体材料 形成共价键 VA：5个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主 要是P和AS）,VIA：6个价电子 VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性 腐蚀性 非常活泼 形成离子键 在某些半导体应用中有用：作为刻蚀 和清洗化合物而使用,VIIIA：8个价电子 稳定，不活泼 惰性气体 应用在半导体制造的某些方面是安全的,IB：最好的金属导体 Cu正在取代AL的互连导体材料的位置 IVBVIB：难熔（高熔点）金属，一般用于 半导体制造中以改善金属化（尤其 是Ti、W、Mo、Ta和Cr） 与Si反应良好，形成具有优良电学 特性的稳定化合物,2.2材料分类 根据流经材料电流的不同可分为三类材料： 导体 绝缘体 半导体,2.2.1导体 导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只 需很小的能量。 在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子， 容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。 在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材 料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属 层之间的互连材料。 铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅 片制造中取代铝。,空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空 位 电子空穴对：每个导带电子必定存在一个价带 空穴与之对应，价带电子能够跃 入空穴的位置，从而推动电子的 移动和导电。这种状态称之为电 子空穴对。,复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能 量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复 合。 寿命：一个电子从导带移出直到复合所经历的时 间。 热能促使电子空穴对持续不断的产生并随之复合。,电导率与电阻率 材料传导电流的性质称为导电性。 用电阻率（ ）来表征材料的导电性。电阻率越低 的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与 几何形状无关。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米 以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。用公 式表示：,电阻 电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。 硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要参数。更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加了非理想效应的热损耗。,2.2.2绝缘体 绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电 子从价带移动到导带很困难，有很低的电 导率和很高的电阻率。 半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚 酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是 绝缘体。,电容 电容是被电介质分隔开的两个导电极板上的电荷存储装置。 在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。 介电常数：介电材料是电容器中的关键部分。介电常数K已经成为一个重要的半导体性能参数。,2.2.3半导体 具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。这种行为发生在半导体被加热时，因而其导电性随温度的增加而提高。 硅 它是一种半导体材料，有4个价电子，位于IVA族，硅中价层电子数目正好位于优质导体（1个价电子）和绝缘体（8个价电子）中间。,硅的熔点是1412，是一种质硬的脆性材料，变形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面一样平整。 本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9）。 掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中，可提高本征半导体的导电性。 两种特性：1.通过掺杂精确控制电阻率 2.电子和空穴导电,半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。,(2) 半导体在受到外界光照的作用时导电能力大大提高。利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。,2.3掺杂半导体的电阻率,2.4电子和空穴的传导 N型硅 导带电子多于价带空穴,P型硅,N型半导体中的电子传导,P半导体中的空穴传导,受主：在半导体材料中形成P型导电的掺杂剂 施主：在半导体材料中形成N型导电的掺杂剂 掺杂半导体的特性,2.5电子和空穴的输运 1、热运动 电子或空穴在半导体中的热运动是随机的，又是被碰撞过程所中断。所以热运动最终并不产生净 移位或长时间内的输运，电子随机热运动的速度 是温度的函数，在室温下这一速度近似为 8*106cm/s.,2、漂移运动 当在样品上加有电场时，就会有一个附加速度分量与载流子的热运动相迭加，这个附加分量就是漂移运动。 电子的漂移运动方向与电场的方向相反。 当漂移速度与热运动速度相当时，电场对漂移速度的作用开始减小。 电子和空穴漂移速度随电场的增强而增加。但漂移速度的增长速率逐渐减缓，最后达到一个最大的漂移速度。,单位面积上的电子和空穴漂移电流密度分别为： 总的漂移电流密度为,3、扩散运动 上述两种运动是指半导体中浓度均匀的载流子运动，在浓度不均匀的情况下，载流子还会在浓度梯度n、 p的影响下进行扩散运动，电子和空穴的扩散电流密度分别为：,总的电流扩散密度为：,2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。 载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载流子的迁移率的大小。,迁移率与扩散系数间满足,2.7硅中的载流子的寿命 在任一温度下，均可通过热过程在硅内部不断产生电子空穴对，同时，电子空穴对又通过复合不断消失。当电子空穴对的产生与复合率完全相同时便达到了平衡。 如果用一个高能源照射本征半导体表面，电子空穴对的数目将迅速增加。光照去去除后，电子和空穴浓度仍然相等，但两者的乘积却远远大于半导体在同一温度下的平均值 ，过剩的电子和空穴通过复合衰减，同时以光照和热的形式向晶格释放能量。,过剩电子空穴对复合所需时间为载流子寿命。对 硅而言，载流子寿命可高达几百 ，低至几ps。 硅中的电子空穴对可通过以下几种途径进行复合： 1.直接复合，在导带、价带之间直接跃迁所产生的复 合 2.间接复合，借助硅中杂质能级进行复合 3.表面复合,2.8PN结 PN结的形成,内建电场 内建电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响： 一是内电场将阻碍多子的扩散 二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。,当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即结处于动态平衡。结的宽度一般为0.5um。 PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。,2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构,它的特点是结面积小，因而结电容小，适用于高频(几百兆赫)电路。但它不能通过很大的电流，也不能承受高的反向电压。主要用于小电流整流和高额检波，也适用于开关电路。,2.面接触型二极管的结构,它的特点是 PN结面积大，能通过较大的电流，结电容也大，适用于整流电路，但工作频率较低。,3.平面型二极管的结构,它的特点是结面积较大时，能通过较大的电流，适用于大功率整流。结面积较小时，结电容较小，工作频率较高，适用于开关电路。,2.10半导体产品材料 锗和硅 锗的熔点为973 ，限制了高温工艺，表面缺少自然生成的氧化物，从而容易漏电。 硅的熔点为1415 ，允许高温工艺，且容易生成二氧化硅。,半导体化合物 化合物半导体由元素周期表中的第族、第族、第族、第族形成。其中用的最多的是砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、磷化铟（InP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）等。当电流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极管会发出可见的激光。也用于电子面板中的发光二极管。,砷化镓 1、载流子的迁移率比硅高，寄生电容和信号损耗小，这种特性使得在通信系统中比Si器件更快的响应高频微波并有效地把它们转变为电流。 2、抗辐射能力强。 3、半绝缘特性使得临近器件的欧姆最小化。 4、制造成本较Si大，而且没有天然的氧化物，脆性，有剧毒,碳化硅（SiC ） 在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 (SiC ) 功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点: 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。,这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级。,SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。,理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。但是，SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计至少还需要十几年的时间。,锗化硅 这样的结合把晶体管的速度提高到可以应用于超高速的对讲机和个人通信设施当中。 铁电材料 在对更快和更可靠的存储器研究中，铁电材料成为一种可行方案。叫做铁电随机存储器。,习题,1.描述导体、绝缘体、半导体之间的电性差异 2.本征半导体、掺杂半导体分别是怎样定义的？为什么要进行掺杂？ 3.列举出至少3种半导体材料？最常用的半导体材料是什么？为什么使用普遍？ 4.化合物半导体来自周期表中的哪些族？ 5.砷化镓相对于硅的优缺点是什么？,导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只需很小的能量。 绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电子从价带移动到导带很困难，有很低的电导率和很高的电阻率。 半导体：具有较小的禁带宽度，介于绝缘体和导体之间