第01章 硅基础

1、第一章第一章 Si的晶体结构的晶体结构六大高新六大高新技术技术材料材料信息信息生物生物能源能源海洋海洋空间空间半导体材料半导体材料Si材料材料通信、计算通信、计算机、自动化机、自动化微电子技术微电子技术Si集成电路集成电路煤煤石油石油Si太阳电池太阳电池第一章第一章 Si的晶体结构的晶体结构固体固体晶体晶体非晶体非晶体单晶体单晶体多晶体多晶体第一章第一章 Si的晶体结构的晶体结构l单晶单晶Si（Single Crystal Siliconc-Si）l由单一晶格周期性重复排列构成的晶体结构由单一晶格周期性重复排列构成的晶体结构l多晶多晶Si（Polycrystalline Siliconpoly

2、-Si）l由很多具有不同晶向的晶粒无规则堆积而成，晶粒由很多具有不同晶向的晶粒无规则堆积而成，晶粒内部是单晶结构，而晶粒之间为无序的晶粒间界。内部是单晶结构，而晶粒之间为无序的晶粒间界。l非晶非晶Si（Amorphous Silicon-Si）l短程有序而长程无序的无规则网络结构。短程有序而长程无序的无规则网络结构。第一章第一章 Si的晶体结构的晶体结构l多孔硅（多孔硅（Porous Silicon-PS）l用电化学方法制备的，具有一定数量和尺寸孔洞的新形态用电化学方法制备的，具有一定数量和尺寸孔洞的新形态Si材料。首次实现了室温的材料。首次实现了室温的Si基材料光发射。基材料光发射。l纳米晶

3、纳米晶Si薄膜（薄膜（Nanocrystalline Silicon Filmsnc-Si）l由大量纳米级晶粒和包围这些晶粒的界面组成的纳米结构由大量纳米级晶粒和包围这些晶粒的界面组成的纳米结构lSi量子点（量子点（Silicon Quantum DotsSi-QD）l尺寸为几个纳米的，具有三维量子限制效应的结构。尺寸为几个纳米的，具有三维量子限制效应的结构。第一章第一章 Si的晶体结构的晶体结构c-Sipc-Si-Sinc-Si1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点l本节通过介绍晶体学上的几个概念来了解本节通过介绍晶体学上的几个概念来了解Si晶体的结构特点。晶体的结构特点。一一晶格晶格l任

4、一晶体都可以看成由质点（原子、分子、离子）任一晶体都可以看成由质点（原子、分子、离子）在三维空间中按一定规则做周期性重复排列所构在三维空间中按一定规则做周期性重复排列所构成的。晶体的这种周期性结构称为晶体格子，简成的。晶体的这种周期性结构称为晶体格子，简称晶格。称晶格。见书见书p1p1图图1.11.1。l晶格是重复的格子，不一定是立方体。晶格是重复的格子，不一定是立方体。1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点二二晶胞晶胞1.定义：能够最大限度地反映晶体立方对称性质的定义：能够最大限度地反映晶体立方对称性质的最小重复单元。最小重复单元。2.晶胞不一定是晶体中最小的重复单元，但是它是晶胞不一定是

5、晶体中最小的重复单元，但是它是能反映晶体结构的立方对称性的最小重复单元。能反映晶体结构的立方对称性的最小重复单元。l晶体中的最小重复单元称为原胞。晶体中的最小重复单元称为原胞。l立方晶系中，晶格即晶胞立方晶系中，晶格即晶胞=原胞。但其他晶系却不一原胞。但其他晶系却不一定。定。1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点3.Si的晶胞的晶胞l由面心立方单元中心到由面心立方单元中心到顶角引八条对角线，在顶角引八条对角线，在其中不相邻的四条线的其中不相邻的四条线的中点各加一个原子，即中点各加一个原子，即为为Si的晶胞结构。的晶胞结构。金刚金刚石结构。石结构。l还可以认为是两个重叠还可以认为是两个重叠在一

6、起的面心立方晶格在一起的面心立方晶格沿体对角线位移四分之沿体对角线位移四分之一长度套构而成。一长度套构而成。1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点三三晶格常数晶格常数l立方晶胞的边长为立方晶胞的边长为a，称为晶格常数。，称为晶格常数。l故，虽然故，虽然Si、Ge、金刚石有相同的晶格结构，但由、金刚石有相同的晶格结构，但由于组成的原子不同，晶格常数也是不同的。于组成的原子不同，晶格常数也是不同的。l300K时，时，5.4305 ,5.6463SiGeaA aA1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点四四原子密度原子密度l定义：定义：lSi、Ge每个晶胞所含的原子数为每个晶胞所含的原子数为lSi

7、、Ge的原子密度为的原子密度为lSi：51022/cm3,Ge：4.41022/cm3晶胞所含的原子数原子密度晶胞的体积11864882 38a1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点五五共价四面体共价四面体l在在Si、Ge晶体中，每一个原子都晶体中，每一个原子都有有4个最近邻的原子，它们处在个最近邻的原子，它们处在四面体的四面体的4个顶角上。个顶角上。l原子之间是共价键，构成一个四原子之间是共价键，构成一个四面体形状。面体形状。l键角键角=10928l键长键长=34a1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点六六Si晶体内部的空隙晶体内部的空隙lSi晶体的内部不是全部被晶体的内部不是全部被Si

8、原子填满的，而是存原子填满的，而是存在相当大的在相当大的“空隙空隙”。l晶体的空间利用率晶体的空间利用率33488Si3SiSira个球的体积晶胞的体积328Sira原子间距34%1.1 Si晶体结构的特点晶体结构的特点l晶 体 中 有 很 大 的晶 体 中 有 很 大 的 “ 空空间间”，可以为，可以为Si或其它或其它杂质原子在杂质原子在Si晶体内部晶体内部的运动提供条件。的运动提供条件。l空间主要是晶胞内部没空间主要是晶胞内部没被被Si原子占据的另外原子占据的另外4条条线。线。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型1.2.1 晶向晶向一一定义定义l对于任何一种晶体来说，晶格中的原

9、子总可以被对于任何一种晶体来说，晶格中的原子总可以被看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。晶体的许多性质都同晶列方种直线系称为晶列。晶体的许多性质都同晶列方向有关，故实际工作中就要对不同晶列方向有所向有关，故实际工作中就要对不同晶列方向有所标记。标记。l通常用通常用“晶向晶向”来表示一族晶列所指的方向来表示一族晶列所指的方向。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型二二晶向的表示法晶向的表示法l以晶胞为基础，建立笛以晶胞为基础，建立笛卡尔坐标系来描述晶向。卡尔坐标系来描述晶向。l以晶胞的某一个格点作以晶胞的某一个格点作为原

10、点，立方体的三个为原点，立方体的三个边作为基矢边作为基矢x,y,z，则其，则其他所有格点的位置可由他所有格点的位置可由基矢基矢L来表示。来表示。123Ll xl yl z 1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型l任何一个晶向，可由连接晶列中相邻格点的矢量任何一个晶向，可由连接晶列中相邻格点的矢量A表示。表示。lm1，m2，m3为互质的整数，若三者不互质，那么为互质的整数，若三者不互质，那么表明在这条线上，这两个格点之间一定还包括其他表明在这条线上，这两个格点之间一定还包括其他格点。格点。l实际上，只用这三个互质整数来标记晶向，写作实际上，只用这三个互质整数来标记晶向，写作m1,m2,

11、m3，称为，称为晶向指数晶向指数。123Am xm ym z 1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型l由于晶胞是立方对称的，所以虽然晶向的方向不同，由于晶胞是立方对称的，所以虽然晶向的方向不同，但其性质毫无差别，这些晶向称为但其性质毫无差别，这些晶向称为等价方向等价方向，可用，可用来统一表示。来统一表示。l例如例如100，010，001，-100，0-10，00-1为等价方向，可统一表示为为等价方向，可统一表示为。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型l原子线密度原子线密度l定义：单位晶向长度内的原子数。定义：单位晶向长度内的原子数。l计算计算l:l:l:作业作业l单晶单晶

12、Si、非晶、非晶Si、多晶、多晶Si的概念。的概念。l金刚石结构描述。金刚石结构描述。lSi晶格常数、原子密度、空隙率。晶格常数、原子密度、空隙率。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型 1.2.2 晶面晶面一一定义定义l晶格中的所有原子不但可以看作是处于一系列方晶格中的所有原子不但可以看作是处于一系列方向相同的平行直线上，而且也可以看作是处于一向相同的平行直线上，而且也可以看作是处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为晶面晶面。二二标记标记1.晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）l不同晶面上的原子排列情况一般是不同的，所以不同晶面上的原

13、子排列情况一般是不同的，所以不同的晶面，标记也就不同。不同的晶面，标记也就不同。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型l可以用相邻的两个平行晶面在矢量可以用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z上的截距来标记上的截距来标记。它们总可以表示为它们总可以表示为x/h1，y/h2，z/h3。lh1，h2，h3为正或负的整数，且是互质的。通常就用为正或负的整数，且是互质的。通常就用h1，h2，h3标记晶面，标记晶面，记作记作( h1，h2，h3)，称为晶面指数（密勒指数）。，称为晶面指数（密勒指数）。2.简单的晶面指数求法简单的晶面指数求法l法一：对于一个给定平面，取该平面在三个坐标轴上的截法一

14、：对于一个给定平面，取该平面在三个坐标轴上的截距的倒数，然后化成与之具有相同比率的三个互质整数即距的倒数，然后化成与之具有相同比率的三个互质整数即可。可。l法二：求出与某一个给定晶面垂直的晶向指数，该晶面的法二：求出与某一个给定晶面垂直的晶向指数，该晶面的晶面指数与晶向指数相同。晶面指数与晶向指数相同。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型3.立方晶系的几种主要晶面立方晶系的几种主要晶面l从图中可以看出来，由于晶格的对称性，有些晶面是彼此从图中可以看出来，由于晶格的对称性，有些晶面是彼此等效的，例如（等效的，例如（100）（）（010）（）（001）（）（-100）（）（0-10）（

15、00-1）这）这6个晶面是等效的。通常用大括号个晶面是等效的。通常用大括号100表示晶表示晶面族。其他晶面同理。面族。其他晶面同理。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型三三原子面密度原子面密度lSi晶体不同镜面上的原子分布情况是不同的，图晶体不同镜面上的原子分布情况是不同的，图1.7所示所示的是三个主要晶面上的原子分布情况。和下图是一致的。的是三个主要晶面上的原子分布情况。和下图是一致的。1.定义：晶面上单位面积的原子数即为原子面密度。定义：晶面上单位面积的原子数即为原子面密度。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型2.计算三个主要晶面的原子面计算三个主要晶面的原子面密度

16、密度（100）晶面上的原子面密度）晶面上的原子面密度l位于位于4个角上的个角上的4个原子时属个原子时属于于4个相邻晶胞（个相邻晶胞（100）面所）面所共有的。共有的。l位于面心上的位于面心上的1个原子时为个原子时为一个晶胞所独有。一个晶胞所独有。l（100）面单位面积为）面单位面积为a2。l原子面密度为原子面密度为2211424aa 1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型（110）面上的原子面密度）面上的原子面密度l4个角上的原子为个角上的原子为4个晶胞个晶胞共有。共有。l2个边上的原子为两个晶个边上的原子为两个晶胞共有。胞共有。l面内的面内的2个原子为一个晶个原子为一个晶胞独占。胞

17、独占。l原子面密度为原子面密度为221142242.834222aaaa 1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型（111）面上的原子面密）面上的原子面密度度l两种算法两种算法2222113322.362,13322221124242.3423322aaaaaaaa 三角形晶胞，立方晶胞1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型 1.2.3 堆积模型图堆积模型图l和和Si晶体金刚石结构相关的堆积模型是配位数为晶体金刚石结构相关的堆积模型是配位数为12（最大）（最大）的密堆积模型。的密堆积模型。l六角密堆积和立方密堆积。六角密堆积和立方密堆积。1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面

18、和堆积模型l右图为面心立方晶格结构。右图为面心立方晶格结构。l可以看出其为立方密堆积。可以看出其为立方密堆积。l（111）面为密排面。）面为密排面。ABC面心立方晶胞ABBBBBCCCCC1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型 1.2.4 双层密排面双层密排面l金刚石结构是两套面心立金刚石结构是两套面心立方晶格套构而成，所以他方晶格套构而成，所以他的的111面也是原子密排面也是原子密排面，但是其每一层都是双面，但是其每一层都是双层的。层的。l双层密排面的面内间距为双层密排面的面内间距为l双层密排面的面间距离为双层密排面的面间距离为312a34a1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和

19、堆积模型l双层密排面的重要特点是：在晶面内原子结合力强，晶面与晶面之间的双层密排面的重要特点是：在晶面内原子结合力强，晶面与晶面之间的距离较大，共价键少，结合弱。距离较大，共价键少，结合弱。1.由于由于111双层密排面本身结合牢固，而双层密排面之间相互结合脆弱，在外双层密排面本身结合牢固，而双层密排面之间相互结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着力作用下，晶体很容易沿着111晶面劈裂。晶体中这种易劈裂的晶面称为晶晶面劈裂。晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。体的解理面。2.由于由于111双层密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，所以腐蚀后容双层密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，

20、所以腐蚀后容易暴露在表面上。易暴露在表面上。3.因为因为111双层密排面之间距离很大，结合弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩双层密排面之间距离很大，结合弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展。展。4.111双层密排面结合牢固，表明这样的晶面能量低。所以，在晶体生长中有双层密排面结合牢固，表明这样的晶面能量低。所以，在晶体生长中有一种使晶体表面为一种使晶体表面为111晶面的趋势。晶面的趋势。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷l对对Si晶体结构完美性的破坏会引入缺陷。晶体结构完美性的破坏会引入缺陷。l在集成电路的制造中，其所使用的在集成电路的制造中，其所使用的Si晶体已经可以做晶体已经可以做到无位错，但是

21、在制造过程中，由于采用了各种工艺，到无位错，但是在制造过程中，由于采用了各种工艺，故必然会再引入缺陷，使原本没有缺陷的晶片变得不故必然会再引入缺陷，使原本没有缺陷的晶片变得不完整。完整。l晶体中的缺陷，根据其维数，可以分为四种：晶体中的缺陷，根据其维数，可以分为四种：l点缺陷点缺陷在各个方向上都没有延伸在各个方向上都没有延伸l线缺陷线缺陷在一个方向上延伸在一个方向上延伸l面缺陷面缺陷在二维方向上有延伸在二维方向上有延伸l体缺陷体缺陷在三维方向上有延伸在三维方向上有延伸1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷l1.3.1 点缺陷点缺陷l只要晶体的温度不是绝对零度，就会出现本征缺陷。只要晶体的温度不是

22、绝对零度，就会出现本征缺陷。l点缺陷在扩散、掺杂、氧化方面有重要影响。点缺陷在扩散、掺杂、氧化方面有重要影响。点缺陷点缺陷本征缺陷本征缺陷非本征缺陷非本征缺陷自间隙原子自间隙原子与空位有关的点缺陷与空位有关的点缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷外来原子外来原子（替位式、间隙式）（替位式、间隙式）1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷自间隙原子自间隙原子肖特基缺陷肖特基缺陷一个晶格正常一个晶格正常位置上的位置上的Si原原子跑到晶片表子跑到晶片表面，留下一个面，留下一个空位空位弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷一个晶格原子进入间隙并产一个晶格原子进入间隙并产生一个空位，二者同时存在生一个空位，二

23、者同时存在替位杂质替位杂质占据晶格位置的杂质原子占据晶格位置的杂质原子间隙杂质间隙杂质处于处于Si晶格晶格间隙中的杂间隙中的杂质原子质原子1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷一一自间隙原子自间隙原子l存在于存在于Si晶格间隙中的晶格间隙中的Si原子。原子。l在室温下，晶格上的原子热振动平均能量为在室温下，晶格上的原子热振动平均能量为0.026eV，即，即使在使在2000K的高温下也只有的高温下也只有0.17eV。l对密堆积的对密堆积的Si晶体来说，格点位置上的晶体来说，格点位置上的Si原子要跑到间隙原子要跑到间隙中，大约需要几个中，大约需要几个eV的能量（约的能量（约1.5eV），所以晶格原子

24、），所以晶格原子靠热振动或辐射所得的平均能量是很难离开格点位置的。靠热振动或辐射所得的平均能量是很难离开格点位置的。l但是，晶格振动能量存在涨落，因而晶体中会有少量的原但是，晶格振动能量存在涨落，因而晶体中会有少量的原子获得足够的能量，离开格点进入间隙中。子获得足够的能量，离开格点进入间隙中。 1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷l在热平衡情况下，间隙原子的密度可由阿列尼乌斯在热平衡情况下，间隙原子的密度可由阿列尼乌斯（Arrhenius）函数描述：）函数描述：lNi晶体中间隙的密度晶体中间隙的密度lEi形成一个间隙原子所需要的激活能形成一个间隙原子所需要的激活能lk波尔兹曼常数波尔兹曼常数E

25、ikTiinN e1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷二二空位空位l定义：当晶格上的定义：当晶格上的Si原子进入间隙，形成自间隙原子的同原子进入间隙，形成自间隙原子的同时，它们原来的晶格位置上就无原子占据，是空格点，称时，它们原来的晶格位置上就无原子占据，是空格点，称为空位。为空位。l肖特基缺陷肖特基缺陷如果一个晶格上的原子跑到表面，在体内如果一个晶格上的原子跑到表面，在体内留下一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷留下一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。l弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷如果一个晶格原子进入间隙并产生一个如果一个晶格原子进入间隙并产生一个空位，二者同时存在于体内，这种缺陷为弗伦克尔缺陷。空位

26、，二者同时存在于体内，这种缺陷为弗伦克尔缺陷。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷l空位密度空位密度lNv原子密度，也即格点密度，原子密度，也即格点密度，5.021022/cm3lEv形成一个空位的激活能，形成一个空位的激活能，Si为为2.6eV量级。量级。l在室温下，其他方面都完美的晶体中，在室温下，其他方面都完美的晶体中，1044个晶格位置中仅个晶格位置中仅有一个是空位，而当温度升到有一个是空位，而当温度升到1000时，时，Si中的空位缺陷上中的空位缺陷上升到每升到每1010个晶格位置中就有一个。个晶格位置中就有一个。l空位起受主作用空位起受主作用lSi晶体每个原子与晶体每个原子与4个最近

27、邻的原子形成共价键，当空位形成个最近邻的原子形成共价键，当空位形成时，时，4个共价键断开，自由电子很容易与断开的键配对，形个共价键断开，自由电子很容易与断开的键配对，形成能量较低的杂化键，所以晶体中空位起受主作用。成能量较低的杂化键，所以晶体中空位起受主作用。EvkTvvnN e1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷三三外来原子外来原子l当杂质原子占据晶格的正常位置，或处于原子间当杂质原子占据晶格的正常位置，或处于原子间隙时，会破坏晶格的完整性，引起点阵的畸变，隙时，会破坏晶格的完整性，引起点阵的畸变，引起缺陷。引起缺陷。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷1.3.2 线缺陷线缺陷一一定义：原子

28、在某一方向上的排列，偏离了周期性，定义：原子在某一方向上的排列，偏离了周期性，相对位置发生了错乱。相对位置发生了错乱。二二种类：种类：l刃位错刃位错位错线与滑移矢量垂直的位错。位错线与滑移矢量垂直的位错。l螺位错螺位错位错线与滑移矢量平行的位错。位错线与滑移矢量平行的位错。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷1.刃位错刃位错l描述描述刃位错如同把半个额外的晶刃位错如同把半个额外的晶面挤入规则晶体中的晶面之面挤入规则晶体中的晶面之间的情形。间的情形。位错线为位错线为AD，沿，沿AD挤入的挤入的一行原子，各具有一个未成一行原子，各具有一个未成键的电子，即悬挂键。键的电子，即悬挂键。1.3 Si晶体

29、中的缺陷晶体中的缺陷l刃位错的运动刃位错的运动l滑移滑移l滑移是位错线在不沿着该位错滑移是位错线在不沿着该位错线的其他方向上的移动。这是线的其他方向上的移动。这是剪切应力作用的结果。剪切应力作用的结果。l滑移时，晶格的一个原子面断滑移时，晶格的一个原子面断裂成两个面，其中的一个与原裂成两个面，其中的一个与原先额外的位错面合成一个连续先额外的位错面合成一个连续的新的晶面，另一个半原子面的新的晶面，另一个半原子面成为一个新的位错。成为一个新的位错。l这个运动可以连续进行，直到这个运动可以连续进行，直到整个晶片都移动一个位置。整个晶片都移动一个位置。l攀移攀移l晶体中的空位或间隙原子依靠晶体中的空位

30、或间隙原子依靠热运动，可运动到位错处。热运动，可运动到位错处。l成为位错线的一部分，是位错成为位错线的一部分，是位错线伸长或收缩。线伸长或收缩。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷2.螺位错螺位错l把晶体沿把晶体沿ABCD面切开，面切开，并使两边的晶体前后相对并使两边的晶体前后相对滑移一个原子间距，然后滑移一个原子间距，然后黏合起来。黏合起来。l在在AD线附近的局部区域线附近的局部区域内的原子排列位置就会发内的原子排列位置就会发生错乱，形成螺位错缺陷。生错乱，形成螺位错缺陷。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷三三滑移面滑移面l定义：在晶体中沿某些晶面往往容易发生滑移，定义：在晶体中沿某些晶面

31、往往容易发生滑移，这样的晶面称为滑移面。这样的晶面称为滑移面。l构成滑移面的条件是，该面上的原子密度大，而构成滑移面的条件是，该面上的原子密度大，而晶面之间的原子价键密度小，间距大。晶面之间的原子价键密度小，间距大。lSi111面满足这些条件，因此滑移常沿面满足这些条件，因此滑移常沿111面面发生，位错线也常在发生，位错线也常在111面之间。面之间。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷四四位错产生的原因位错产生的原因1.热塑性应力的作用热塑性应力的作用l如果一个相当大的温度差作用到晶片上，晶片会发生非均如果一个相当大的温度差作用到晶片上，晶片会发生非均匀膨胀，因而在晶片内形成热塑应力。匀膨胀，

32、因而在晶片内形成热塑应力。l当晶片受到刚性挤压并加热，或者晶片在加热时上面已经当晶片受到刚性挤压并加热，或者晶片在加热时上面已经生长了若干不同膨胀系数的薄膜层，也会产生热塑应力。生长了若干不同膨胀系数的薄膜层，也会产生热塑应力。2.在晶体中存在高浓度的替位型杂质在晶体中存在高浓度的替位型杂质l这些替位原子与周围本体原子的大小不同，形成内部应力，这些替位原子与周围本体原子的大小不同，形成内部应力，应力将降低打破化学键所需的能量，产生空位。应力将降低打破化学键所需的能量，产生空位。3.物理损伤物理损伤l在某些工艺过程中，晶片表面受到其他原子的轰击，这些在某些工艺过程中，晶片表面受到其他原子的轰击，

33、这些原子将足够的能量传递给晶格，使得化学键断开，产生空原子将足够的能量传递给晶格，使得化学键断开，产生空位和间隙原子，一旦产生高浓度的点缺陷，它们总是倾向位和间隙原子，一旦产生高浓度的点缺陷，它们总是倾向于结团，形成位错或其它高维缺陷。于结团，形成位错或其它高维缺陷。1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷1.3.3 面缺陷面缺陷l定义：原子在一个平面定义：原子在一个平面内，即二维方向上的排内，即二维方向上的排列发生错乱。列发生错乱。l举例举例l多晶多晶Si的晶粒间界的晶粒间界l堆垛层错堆垛层错1.3 Si晶体中的缺陷晶体中的缺陷1.3.4 体缺陷体缺陷l杂质中杂质中P、B、As等在等在Si中只能

34、形成有限固溶体，中只能形成有限固溶体，当掺入的数量超过当掺入的数量超过Si晶体可接受的浓度时，杂质将晶体可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。在晶体中沉积，形成体缺陷。l晶体中的空隙也是一种体缺陷。晶体中的空隙也是一种体缺陷。1.4 Si中的杂质中的杂质l半导体的电阻率的高低与所半导体的电阻率的高低与所含杂质的浓度有密切关系。含杂质的浓度有密切关系。一一本征半导体本征半导体l不含有任何杂质的纯净半导体。不含有任何杂质的纯净半导体。其载流子浓度由材料自身的本其载流子浓度由材料自身的本征性质决定。征性质决定。l本征半导体中的载流子是依本征半导体中的载流子是依靠热激发产生的电子靠热激发产生

35、的电子-空穴对。空穴对。l载流子浓度与载流子浓度与Eg和和T有关。有关。l电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度n=p=ni(T)SiSiSiSiSiSiSiSiSi1.4 Si中的杂质中的杂质二二杂质半导体杂质半导体1.掺杂半导体：在半导体材料中人为地掺入一定数掺杂半导体：在半导体材料中人为地掺入一定数量的某种原子，以便控制导电类型和导电能力。量的某种原子，以便控制导电类型和导电能力。l最常用的杂质为最常用的杂质为AA族和族和AA族元素。族元素。l这些杂质原子在这些杂质原子在SiSi中一般占据晶格位置，并能在适当中一般占据晶格位置，并能在适当的温度下施放电子或空穴，以控制半导体的导电能力的温度下施

36、放电子或空穴，以控制半导体的导电能力和导电类型。和导电类型。1.4 Si中的杂质中的杂质2.施主半导体（施主半导体（n型半导体）型半导体）施主杂质（施主中心）：处施主杂质（施主中心）：处于晶格中正常格点位置上，于晶格中正常格点位置上，并且能贡献电子的原子为施并且能贡献电子的原子为施主杂质。主杂质。l具有向导带施放电子的能具有向导带施放电子的能力，而杂质本身由于施放力，而杂质本身由于施放电子而带正电。电子而带正电。施主能级：当施放电子后，施主能级：当施放电子后，剩余的电子被束缚在施主中剩余的电子被束缚在施主中心时，其能量低于导带底的心时，其能量低于导带底的能量，相应的能级称为施主能量，相应的能级

37、称为施主能级。能级。SiSiSiSiPSiSiSiSi1.4 Si中的杂质中的杂质施主电离能：施主向导带施放电子所需的最小能施主电离能：施主向导带施放电子所需的最小能量。量。lA族杂质的电离能族杂质的电离能0.01-0.05eV，与室温下的，与室温下的kT=0.026eV同量级，所以在室温下，施主杂质几乎全同量级，所以在室温下，施主杂质几乎全部电离。部电离。DCDEESiSiSiSiBSiSiSiSi1.4 Si中的杂质中的杂质3.受主半导体（受主半导体（p型半导体）型半导体）受主杂质（受主中心）：处于受主杂质（受主中心）：处于晶格中正常格点位置上，并且晶格中正常格点位置上，并且能接受电子的原

38、子为施主杂质。能接受电子的原子为施主杂质。l具有向价带施放空穴的能力，具有向价带施放空穴的能力，而杂质本身由于接受电子而而杂质本身由于接受电子而带负电。带负电。受主能级受主能级l受主杂质上的电子态的相应能级受主杂质上的电子态的相应能级称为受主能级。称为受主能级。1.4 Si中的杂质中的杂质受主电离能受主电离能l在空穴能量较低时，负电中心将空穴束缚在自己的周围，在空穴能量较低时，负电中心将空穴束缚在自己的周围，形成空穴的束缚态。形成空穴的束缚态。l当空穴具备一定能量时，就可以脱离这种束缚进入价带，当空穴具备一定能量时，就可以脱离这种束缚进入价带，所需要的能量就是受主电离能。所需要的能量就是受主电

39、离能。l A族受主杂质的电离能很小，在室温下基本全部电离。族受主杂质的电离能很小，在室温下基本全部电离。AAVEE1.4 Si中的杂质中的杂质4.浅能级杂质与深能级杂质浅能级杂质与深能级杂质l浅能级杂质浅能级杂质l杂质所形成的能级在禁带中很靠近价带顶或导带底，杂质所形成的能级在禁带中很靠近价带顶或导带底，这样的杂质为浅能级杂质。这样的杂质为浅能级杂质。l他们在室温下基本全部电离，对电性能有重要影响。他们在室温下基本全部电离，对电性能有重要影响。l深能级杂质深能级杂质l杂质的能级位于禁带中线附近，为深能级杂质。杂质的能级位于禁带中线附近，为深能级杂质。l深能级杂质的电离能较大，其在深能级杂质的电离能较大，其在Si中大多数产生多重中大多数产生多重能级。能级。1.4 Si中的杂质中的杂质5.杂质补偿杂质补偿l定义：不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象，称为杂质定义：不同类型