第1章 半导体材料科学和集成电路,固体晶格结构

1、Semiconductor Physics半导体物理学应用物理2013级 任课教师任课教师 吴萍吴萍电话：电话：86503735邮箱：邮箱：答疑地点：新行政楼答疑地点：新行政楼316答疑时间：每周五下午答疑时间：每周五下午3：00-5：001Semiconductor Physics2特别致谢特别致谢 梁庭梁庭, 中北大学电子科学与技术系中北大学电子科学与技术系姚晓亮姚晓亮 清华大学清华大学 Integrated Microelectronic Device, J. A. del Alamo, H. L. Tuller, and J. Scholvin, MIT不知名的人不知名的人Semico

2、nductor Physics课程的意义3问题：为什么要学这门课问题：为什么要学这门课你的答案你的答案1，2，3，4，Semiconductor Physics也许不是答案的答案4看看你的身边：看看你的身边：手机手机智能手表智能手表电脑电脑教室里的投影仪教室里的投影仪互联网互联网。Semiconductor Physics你是否知道正是你是否知道正是IC使得梦想变为现实使得梦想变为现实lIC是是“集成电路集成电路”的英文的英文“Integrated Circuit”缩写，缩写，又称为又称为“芯片芯片”。l通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有

3、源器件有源器件和电阻、电容等和电阻、电容等无源器件无源器件，按照一定的电路互连，按照一定的电路互连，“集成集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内内 执行特定电路或系统功能执行特定电路或系统功能Semiconductor Physics6semiconductor material semiconductor devices IC In electronics, an integrated circuit (also known as IC, microcircuit, microchip, silicon chip, o

4、r chip) is a miniaturized electronic circuit (consisting mainly of semiconductor devices, as well as passive components) that has been manufactured in the surface of a thin substrate of semiconductor material. Integrated circuits are used in almost all electronic equipment in use today and have revo

5、lutionized the world of electronics. Computers, cellular phones, and other digital appliances are now inextricable parts of the structure of modern societies, made possible by the low cost of production of integrated circuits.VLSI very high large scale integration Very large scale integrationULSI ul

6、tra-high scale integration Transistor =transfer +resistorSemiconductor Physics7Semiconductor PhysicsSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics12http:/ 纳米等于十亿分之一米。纳米等于十亿分之一米。英特尔最新处理器上的晶体英特尔最新处理器上的晶体管宽度仅为管宽度仅为 32 纳米，前代处理器采用纳

7、米，前代处理器采用 45 纳米和纳米和 65 纳纳米架构。米架构。这进一步提高了晶体管的封装密度，并且在漏这进一步提高了晶体管的封装密度，并且在漏电率、发热量和切换速度方面优势明显，这使得处理器电率、发热量和切换速度方面优势明显，这使得处理器运行速度更快、功耗更低、能效更高。运行速度更快、功耗更低、能效更高。英特尔（英特尔（Intel） 酷睿酷睿i5-4690 22纳米纳米 Haswell全新架构全新架构盒装盒装CPU （LGA1150/3.5GHz/6M三级缓存）（三级缓存）（2004年年上市）上市）英特尔英特尔 酷睿酷睿 i5 处理器处理器 芯片：芯片：32 nmSemiconductor

8、 Physics13Intel新一代新一代i7旗舰曝光：旗舰曝光：8核核14nm 2015年年Semiconductor Physics14Intel Kaby Lake核心图核心图Kaby Lake产品产品采用的依然是采用的依然是14nm工艺工艺“14nm+”2017年年1月月5日日 Intel发布了第七发布了第七代酷睿系列处理代酷睿系列处理器产品器产品KabylakeSemiconductor PhysicsIC从哪里来？从哪里来？沙子沙子二氧化硅（二氧化硅（SiOSiO2 2）硅占整个地球总重量硅占整个地球总重量（质量）的（质量）的25%25%，仅次于，仅次于氧。氧。硅圆棒；硅圆棒；硅片

9、；硅片；光刻在硅片上集成芯片光刻在硅片上集成芯片封装；封装；性能评级；性能评级；出售。出售。Semiconductor Physics硅器时代硅器时代Semiconductor Physics第一块集成电路第一块集成电路Semiconductor Physics世界第一个单片世界第一个单片ICSemiconductor PhysicsSemiconductor Physics20 半导体材科的分类。 按其功能及应用按其功能及应用，可分为微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波半导体材料、气敏半导体材料等； 如按化学组成如按化学组成，则可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。Sem

10、iconductor Physics21课程意义课程意义半导体半导体微电子微电子IC电子计算电子计算信息技术信息技术传统行业传统行业电子计算机和信息技术最关键的基础就是ICIC的基础是微电子技术，微米,亚微米,纳米量级上的电子技术而微电子的基础就是半导体半导体物理是研究半导体的基本物理性质Semiconductor Physics22教材与参考书教材与参考书推荐教材推荐教材半导体物理与器件半导体物理与器件( (第四版第四版) )电子工业出版社，作者电子工业出版社，作者Donald Donald A.NeamenA.Neamen，赵毅强等译，赵毅强等译参考书：参考书：u刘恩科刘恩科 半导体物理学

11、半导体物理学，西安交通大学出版社，西安交通大学出版社，20032003u半导体物理基础半导体物理基础 黄昆黄昆 韩汝琦韩汝琦u半导体器件半导体器件 物理与工艺物理与工艺( (美美) )施敏施敏(S.M.Sze)(S.M.Sze)著，王阳元著，王阳元等译等译Semiconductor Physics23学时分配学时分配第一部分第一部分 半导体材料属性半导体材料属性 第第1章半导体材料科学和集成电路，固体晶格结构（章半导体材料科学和集成电路，固体晶格结构（2学时）学时） 第第3章章 固体量子理论初步固体量子理论初步 （4学时）学时） 第第4章章 平衡状态下的半导体（平衡状态下的半导体（5学时）学时

12、） 第第5章章 载流子输运现象（载流子输运现象（5学时）学时） 第第6章章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子 （6学时）学时）第二部分第二部分 半导体器件基础半导体器件基础 第第7章章 PN结结 （3学时）学时） 第第8章章 pn结二极管结二极管 （5学时）学时）第第14章章 专用半导体器件专用半导体器件 光器件器件原理与应用光器件器件原理与应用 （2学时）学时） 第第9章章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结 （5学时）学时） 第第10章金属章金属/氧化物氧化物/半导体场效应晶体管基础（半导体场效应晶体管基础（10学时）学时） 第第11章章 金属金属/氧化物

13、氧化物/半导体场效应晶体管（深入）（半导体场效应晶体管（深入）（10学时）学时） 第第12章章 双极晶体管（双极晶体管（10学时）学时） 第第13章章 结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（5学时）学时）总计：总计：72学时学时32学时学时Semiconductor Physics24绪论绪论 第一部分第一部分 半导体材料属性半导体材料属性 第第1章章半导体材料科学和集成电路（半导体材料科学和集成电路（2学时）学时） 固体晶格结构固体晶格结构 第第3章章 固体量子理论初步固体量子理论初步 （4学时）学时） 第第4章章 平衡状态下的半导体（平衡状态下的半导体（5学时）学时） 第第5章章 载流子输运

14、与过剩载流子现象（载流子输运与过剩载流子现象（5学时）学时） 第第6章章 半导体中的非平衡过剩载流子半导体中的非平衡过剩载流子 （6学时）学时）第二部分第二部分 半导体器件基础半导体器件基础 第第7章章 PN结结 （3学时）学时） 第第8章章 pn结二极管结二极管 （5学时）学时）第三部分第三部分 专用半导体器件专用半导体器件 第第14章光器件典型器件原理与应用章光器件典型器件原理与应用 （2学时）学时）Semiconductor Physics25本课程的目标本课程的目标了解电子科学与技术、微电子学专业的：了解电子科学与技术、微电子学专业的：l基础知识与基本技能、基础知识与基本技能、l应用领

15、域及研究热点、应用领域及研究热点、l学科方向与发展趋势学科方向与发展趋势麦可思调查显示：就业相关度麦可思调查显示：就业相关度Semiconductor Physics26考核与记分方式平时成绩占40，期末考试占60。考试采用闭卷形式。Semiconductor Physics27第1 章 固体晶格结构v1 1.1 .1 半导体材料半导体材料v典型半导体及分类典型半导体及分类v1.2 1.2 固体类型固体类型v三种固体形态三种固体形态v1.3 1.3 晶体的空间点阵结构晶体的空间点阵结构v晶体学基本概念和基本晶格结构晶体学基本概念和基本晶格结构v 金刚石结构和闪锌矿结构金刚石结构和闪锌矿结构v

16、米勒指数米勒指数v1.4 1.4 倒格子倒格子 （阅读内容）（阅读内容）v1.5 1.5 晶体中原子之间的价键晶体中原子之间的价键v离子、原子、金属及分子晶体离子、原子、金属及分子晶体v1.6 1.6 晶体中的缺陷与杂质晶体中的缺陷与杂质v缺陷类型和杂质类型缺陷类型和杂质类型v1.7 1.7 半导体单晶材料的生长半导体单晶材料的生长v单晶材料及外延生长单晶材料及外延生长v1.8 1.8 小结小结Semiconductor Physics282011072032刘智超男应用物理学(2011)2013072012郭舒婷女应用物理学(2013)2013072032戚李娟女应用物理学(2013)201

17、3072042阎道磊男应用物理学(2013)2013401115童树铭男应用物理学(2013)2014073001庄素娜女光电信息科学与工程(2014)2014073002谢皓男光电信息科学与工程(2014)2014073003朱婷玉女光电信息科学与工程(2014)2014073004龙浩毅男光电信息科学与工程(2014)2014073005吴紫君女光电信息科学与工程(2014)2014073006陆泽华男光电信息科学与工程(2014)2014073008陈思仪女光电信息科学与工程(2014)2014073009邱辉燕女光电信息科学与工程(2014)2014073010陈泽佳男光电信息科学与工

18、程(2014)2014073012张雪虹女光电信息科学与工程(2014)2014073013麦晓文女光电信息科学与工程(2014Semiconductor Physics29014073014何强枝男光电信息科学与工程(2014)2014073016岑颖欣女光电信息科学与工程(2014)2014073018梁宇航男光电信息科学与工程(2014)2014073020邓秋蓉女光电信息科学与工程(2014)2014073021蔡华志男光电信息科学与工程(2014)2014073022李广业男光电信息科学与工程(2014)2014073023温俊鹏男光电信息科学与工程(2014)2014073024唐

19、林男光电信息科学与工程(2014)2014073025阮爵梅女光电信息科学与工程(2014)2014073026陈兢男光电信息科学与工程(2014)2014073029罗紫茵女光电信息科学与工程(2014)2014073031莫汉斌男光电信息科学与工程(2014)2014073032蔡文娴女光电信息科学与工程(2014)2014073033林飞燕女光电信息科学与工程(2014)2014073034陈秋镇男光电信息科学与工程(2014)Semiconductor Physics3014073036关若梦女光电信息科学与工程(2014)2014073037关开峰男光电信息科学与工程(2014)20

20、14073039齐哲远男光电信息科学与工程(2014)2014073040胡肖殷女光电信息科学与工程(2014)2014073042林坤意女光电信息科学与工程(2014)2014073043陈颖妍女光电信息科学与工程(2014)2014073044刘韵怡女光电信息科学与工程(2014)2014073045陈凯琪女光电信息科学与工程(2014)2014073046许瑞诚男光电信息科学与工程(2014)2014073048黄正添男光电信息科学与工程(2014)2014073049卢桂良男光电信息科学与工程(2014)2014073052王靖男光电信息科学与工程(2014)2014073053彭飞辉

21、女光电信息科学与工程(2014)2014073054钟采阳女光电信息科学与工程(2014)2014073055谢粒敏女光电信息科学与工程(2014)2014073058窦家琪女光电信息科学与工程(2014)2014073059梁家伟男光电信息科学与工程(2014Semiconductor Physics311 1.1 .1 半导体材料半导体材料v半导体半导体(Semiconductor)，v电阻率介于电阻率介于1010-3-3 10106 6.cm.cm， 1041010cm,v介于金属（介于金属（1010-6-6.cm.cm）和绝缘体（）和绝缘体（10101212.cm.cm）之间）之间Se

22、miconductor Physics32你认识的半导体有哪些特性？你认识的半导体有哪些特性？v纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数域出现正温度系数v不同掺杂类型的半导体做成不同掺杂类型的半导体做成pnpn结后，或是金属与半结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整导体接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应流效应v具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导率会变化，即产生所谓光电导v半导体中存在着电子与空穴两种载流子半导体中存在

23、着电子与空穴两种载流子Semiconductor Physics331 1.1 .1 半导体材料半导体材料元素半导体与化合物半导体元素半导体与化合物半导体Semiconductor Physics341 1.1 .1 半导体材料半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素对称以四族元素对称III-V族和族和II-VI化化合物半导体合物半导体氮化物？氮化物？氧化物？氧化物？I-VIISemiconductor Physics351.2 1.2 固体类型固体类型固体固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的：处于凝固状态下的物体，通常

24、具有一定的形状和体积。按其内部原子的排列情况可分形状和体积。按其内部原子的排列情况可分为以下三种主要的结构类型，为以下三种主要的结构类型，即单晶、多晶即单晶、多晶和非晶。和非晶。固体材料的三种主要结构类型及其特征：固体材料的三种主要结构类型及其特征：（1 1）单晶单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；上）；（2 2）多晶多晶：长程无序，短程有序（团体有序，：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；常

25、是在微米的量级）；（3 3）非晶非晶（无定形）：基本无序（局部、个（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）几埃至几十埃的范围）Semiconductor Physics361.2 1.2 固体类型固体类型v单晶单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米毫米量级以上）；量级以上）；v多晶多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒

26、的：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在尺寸通常是在微米微米的量级）；的量级）；v非晶（无定形）非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即个原子或分子的尺度，即纳米纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）单晶单晶有周期性有周期性非晶非晶无周期性无周期性多晶多晶短区域内周期性短区域内周期性Semiconductor Physics371.3.2 1.3.2 空间点阵结构空间点阵结构固体最终形成使系统的能量最小的结构固体最终

27、形成使系统的能量最小的结构u保持电中性（静电能最小）保持电中性（静电能最小）u使离子间的强烈排斥最小使离子间的强烈排斥最小u使原子尽可能的靠近使原子尽可能的靠近u满足键的方向性满足键的方向性由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格为晶格Semiconductor Physics382 2.3.2 .3.2 空间点阵结构空间点阵结构v晶格的周期性晶格的周期性v晶格的周期

28、性通常用晶格的周期性通常用原胞原胞和和基矢基矢来描述。来描述。p原胞：一个晶格原胞：一个晶格最小最小的周期性单元的周期性单元原胞的选取不原胞的选取不是唯一的是唯一的;三维晶格的原三维晶格的原胞通常是一个平胞通常是一个平行六面体行六面体Semiconductor Physics391.3.2 晶体的空间点阵结构p晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个晶胞：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体。它独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体。它是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从而得到整个晶体，通常能够

29、反映出整块晶体所具有而得到整个晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性的对称性p相同点相同点l用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元p不同点：不同点：l固体物理学：固体物理学：原胞只强调晶格的周期性原胞只强调晶格的周期性，其最小重复单，其最小重复单元为原胞元为原胞 l结晶学：结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性。Semiconductor Physics401.3.2 1.3.2 晶体的空间点阵结构晶体的空间点阵结构p基矢：晶胞的三个相互独立的边矢量。基矢：晶胞的三个相互独立的边矢量。 如：简立方晶格的立方单元

30、就是最小的周期性单元，通常就如：简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：123aaiaa jaak Semiconductor Physics412 2.3.2 .3.2 晶体的空间点阵结构晶体的空间点阵结构p立方晶系基本的晶体结构：立方晶系基本的晶体结构：常见的三个基本的立方结构及其晶格常数，分别是常见的三个基本的立方结构及其晶格常数，分别是简单立方、体心立方和面心立方，立方体的边长即简单立方、体心立方和面心立方，立方体的边长即为晶格常数。为晶格常数。（1 1）简单立方结构（）简单立方结构（S

31、CSC）（2 2）体心立方结构（）体心立方结构（BCCBCC）（3 3）面心立方结构（）面心立方结构（FCCFCC）Semiconductor Physics421.3.2 晶体的空间点阵结构u简单立方结构简单立方结构Simple CubicSimple CubicSemiconductor Physics43Semiconductor Physics441.3.2 1.3.2 晶体的空间点阵结构晶体的空间点阵结构u体心立方结构体心立方结构Body-Centered-CubicBody-Centered-CubicSemiconductor Physics3.典型结构的配位数典型结构的配位数(

32、1)六角密积和立方密积的配位数都是十二。即晶六角密积和立方密积的配位数都是十二。即晶体中最大配位数为十二。体中最大配位数为十二。(2)当晶体不是由全同的粒子组成时，相应的配位当晶体不是由全同的粒子组成时，相应的配位数要数要减小减小。(3) 对称性和周期性，以及结合能最小、最稳固对称性和周期性，以及结合能最小、最稳固的因素：相应的配位数只能取的因素：相应的配位数只能取:8(CsCl型结构型结构)、6(NaCl型结构型结构)、4(金刚石型结金刚石型结构构)、3(层状结构层状结构)、2(链状结构链状结构)。Semiconductor Physics46金刚石结构：金刚石结构：面心立方原胞内还面心立方

33、原胞内还有有4个原子，位于个原子，位于体对角线的体对角线的1/4处处Semiconductor Physics47金刚石和石墨结构金刚石和石墨结构Semiconductor Physics481.5 1.5 晶体中原子之间的价键晶体中原子之间的价键原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达到最低。到最低。1. 1. 离子晶体：离子键（离子晶体：离子键（Ionic bondingIonic bonding），例如），例如NaClNaCl晶晶 体等；体等；2. 2. 共价晶体：共价键（共价晶体：共价键（Covalent bondin

34、gCovalent bonding），例如），例如 SiSi、GeGe以及以及GaAsGaAs晶体等；晶体等；3. 3. 金属晶体：金属键（金属晶体：金属键（Metallic bondingMetallic bonding），例如），例如 LiLi、NaNa、K K、BeBe、MgMg以及以及FeFe、CuCu、AuAu、AgAg等；等；4. 4. 分子晶体：范德华键（分子晶体：范德华键（Van der Waals bondingVan der Waals bonding），）， 例如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成分例如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成分 子晶体，子晶体，HFHF

35、分子之间在低温下也通过范德华键形成分子之间在低温下也通过范德华键形成 分子晶体。分子晶体。Semiconductor Physics49硅材料中共价键形成示意图硅材料中共价键形成示意图Semiconductor Physics501.6 1.6 晶体中的缺陷与杂质晶体中的缺陷与杂质理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处于理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美无晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美无缺，存在晶格的热振动。缺，存在晶格的热振动。一、点缺陷一、点缺陷 分为分为空位，间隙原子及杂质空位，间隙原

36、子及杂质 空位与间隙原子空位与间隙原子 由于晶格热振动，而且振动能量存在涨落，总有一部分原子由于晶格热振动，而且振动能量存在涨落，总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，脱离格点的位脱离格点的位置，使格点处出现空位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置的原子可能落入，离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中，成为晶格间隙之中，成为自间隙原子自间隙原子。靠的很近的空位和填隙原子会在两个点缺陷之间发生相互作用，靠的很近的空位和填隙原子会在两个点缺陷之间发生相互作用，形成形成弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷；或移动到晶体表面，形成或移动到晶体表面，形成

37、肖特基缺陷肖特基缺陷；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的间隙原子间隙原子。Semiconductor Physics51p反结构缺陷反结构缺陷对于化合物半导体存在一种反结构缺陷，即应该是对于化合物半导体存在一种反结构缺陷，即应该是A A原子的原子的格点上为格点上为B B原子所占据，应为原子所占据，应为B B原子的格点为原子的格点为A A原子所据。原子所据。反位反位Semiconductor Physics52杂质杂质晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质。来源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污

38、，来源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污，也有可能来源于人为的引入，用以控制其电学及其它特性。也有可能来源于人为的引入，用以控制其电学及其它特性。杂质在半导体中存在方式：杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式间隙式和替位式。间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如子半径较小，如H H、LiLiSemiconductor Physics53替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如、族在族在S

39、iSi、Ge(Ge(族族) )中的情况；中的情况；、族在族在化合物中。化合物中。Semiconductor Physics54杂质原子激活：杂质原子激活：人为引入的杂质原子，人为引入的杂质原子， 只有处于替位式时，才能激活，起只有处于替位式时，才能激活，起到改变和控制半导体材料导电性的作用。例如到改变和控制半导体材料导电性的作用。例如, , 族元族元素原子掺入素原子掺入SiSi、GeGe中，多以替位式存在。中，多以替位式存在。Semiconductor Physics55 晶体中引入杂质的方法称为晶体中引入杂质的方法称为掺杂（掺杂（DopingDoping），），掺杂的方法掺杂的方法可分为：可

40、分为：（1 1）高温扩散掺杂（）高温扩散掺杂（high temperature diffusionhigh temperature diffusion）（2 2）离子注入掺杂（）离子注入掺杂（Ion implantationIon implantation）；）；当杂质存在浓度梯度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温当杂质存在浓度梯度时，杂质要发生扩散，扩散强度与浓度梯度，温度，晶格尺寸密切有关。实验证明，扩散流密度度，晶格尺寸密切有关。实验证明，扩散流密度J J与杂质浓度梯度与杂质浓度梯度N N/ /x x成正比，有成正比，有比例系数比例系数D D称为扩散系数，分析表明：称为扩散系数，

41、分析表明：W W为杂质原子移动一个晶格位置需要的能量，与晶格常数有关。可为杂质原子移动一个晶格位置需要的能量，与晶格常数有关。可以看到，以看到，扩散系数和温度扩散系数和温度T T呈指数关系，因而呈指数关系，因而通常扩散工艺总是在高温通常扩散工艺总是在高温下进行下进行(700-1200)(700-1200)，以节约扩散时间。，以节约扩散时间。Semiconductor Physics56二、线缺陷二、线缺陷指位错，分为两类，刃位错和螺位错指位错，分为两类，刃位错和螺位错 刃位错、螺位错与混合位错刃位错、螺位错与混合位错刃位错刃位错Semiconductor Physics57螺位错螺位错Semi

42、conductor Physics58 三、面缺陷三、面缺陷 主要指层错主要指层错 层错层错Semiconductor Physics591.7 半导体单晶材料的生长硅单晶材料可以说是目前纯度最高的一种材料，其纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：1. 熔体生长法：又称为切克劳斯基（Czochralski）生长方法，或CZ法。籽晶直拉法。悬浮区融法FZ：进一步采用区熔再结晶方法提纯2. 外延生长法Semiconductor Physics60籽晶直拉法示意图2002：300 mm2012: 450mm直径以每直径以每9年增大年增大1.5倍倍的速度大型化的速度大型化Semiconductor Physics61分凝系数（分凝