半导体基础知识

1、半导体基础知识半导体基础知识+14硅原子结构图最外电子结构图2 8 4Si2 2、硅的基本化学性质、硅的基本化学性质硅在化学周期表中第硅在化学周期表中第1414号元素，分子量为号元素，分子量为28.08528.085。由于原子最外电子层只有。由于原子最外电子层只有4 4个价电子，因此其化学性质比个价电子，因此其化学性质比较稳定（如图一）。较稳定（如图一）。 图一3 3、晶体、硅晶体、晶体、硅晶体 晶体是指具有一定几何形状，其构成粒子按某种规律排晶体是指具有一定几何形状，其构成粒子按某种规律排列，占有一定空间体积的纯净物。一般所说的晶体，是指多列，占有一定空间体积的纯净物。一般所说的晶体，是指多

2、晶体。但用于半导体业时，必须为单晶体。单晶体和多晶体晶体。但用于半导体业时，必须为单晶体。单晶体和多晶体的区别在于前者是长程有序的排列，后者不具有。相反，排的区别在于前者是长程有序的排列，后者不具有。相反，排列无规则、无秩序的称为非晶体。硅原子最外层结构只的四列无规则、无秩序的称为非晶体。硅原子最外层结构只的四个电子决定了它们之间只通过共价电子对形成晶体。其晶体个电子决定了它们之间只通过共价电子对形成晶体。其晶体结构一般被称为结构一般被称为“金刚石结构金刚石结构”。这个结构的一个重要特点。这个结构的一个重要特点是：每个原子有是：每个原子有4 4个最近邻，它们正好在一个正四面体的顶个最近邻，它们

3、正好在一个正四面体的顶角位置（如图二所示）。角位置（如图二所示）。图二：硅的金钢石结构形状4 4、硅晶体原子排列结构、硅晶体原子排列结构 最外层四个电子以共价键最外层四个电子以共价键组合形成的硅晶体（如图三所组合形成的硅晶体（如图三所示）。根据硅原子排列示）。根据硅原子排列“长程长程有序有序”与与“长程无序长程无序”分单晶分单晶硅和多晶硅（如图四）。硅和多晶硅（如图四）。图三：硅晶体原子顺序结构晶体非晶体晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体，即远程有序。晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体，即远程有序。非晶体：内部质点在三维空间无规则排列的固体，即短程有序而远程无序。非晶体

4、：内部质点在三维空间无规则排列的固体，即短程有序而远程无序。多晶：原子在不同方向上长程无序排列单晶：原子按一定的方向长程有序排列图四1111116 6、晶面与晶向、晶面与晶向 晶面是把一个晶格单元放在三维坐标系中特殊定义的，它遵循密勒指数法则（如图五）。籽晶就晶面是把一个晶格单元放在三维坐标系中特殊定义的，它遵循密勒指数法则（如图五）。籽晶就是沿同一组晶面研磨而成的。是沿同一组晶面研磨而成的。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)图五7 7、晶向即为晶体生长的方向，它与晶面垂直、晶向即为晶体生长的方向，它与晶面垂直, ,同一组晶面用圆括号同一组晶面用圆括号“（）（）”标识，晶向用方括

5、号标识，晶向用方括号“”“”标识，予以区分（如图六）。标识，予以区分（如图六）。(100)面(110)面(111)面111111图六8 8、晶体缺陷、晶体缺陷 当硅晶体结构中发生格点移动或晶格移动时，便产生晶体点缺陷（如图七）。点缺陷会影响硅片电当硅晶体结构中发生格点移动或晶格移动时，便产生晶体点缺陷（如图七）。点缺陷会影响硅片电学性质，如电阻、少子寿命等。学性质，如电阻、少子寿命等。间隙缺陷空位缺陷Frenkel 缺陷点缺陷间隙缺陷空位缺陷Frenkel 缺陷图七 当点缺陷进一步恶化时，产生位借或层错（如图八）。位错或层错除了影响硅片的电学性质外还会影当点缺陷进一步恶化时，产生位借或层错（如

6、图八）。位错或层错除了影响硅片的电学性质外还会影响其它包括机械强度的力学性质，即当内部存在大量位错或层错时，硅片容易产生翘曲、崩边、破片等。响其它包括机械强度的力学性质，即当内部存在大量位错或层错时，硅片容易产生翘曲、崩边、破片等。位错额外原子层或劈型层错图八沉淀位错间隙层错空穴9 9、硅的导电性、硅的导电性固体材料按导电能力以分为导体、半导体和绝缘体（如表二）。导体价带与导带交叠，导电需要小的重叠能量。绝缘体禁带宽度一般大于2半导体介于绝缘体和导体之间的禁带能量级别。（为1.11)导体半导体绝缘体电阻率(m) 10-810-4 10-4108 1081020 禁带-较小较大价带非满带满带满带

7、类型性质表二10、半导体分类（根据导电类型分）本征半导体纯的半导体。P型半导体空穴导电。N型半导体电子导电。 导电类型有P型和N型，由硅融液中的掺杂物种类来决定。具有代表性的掺杂物和导电类型如下所示。 P型掺杂（硼） N型掺杂（磷），(锑)，(砷)SiBSiSiSiSi空穴空穴当在硅或锗的晶体中掺入三价元素时如硼，当在硅或锗的晶体中掺入三价元素时如硼，如右图硼原子与周围的四个硅原子形成共价如右图硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数是键后，硼原子的外层电子数是7 7比稳定结构比稳定结构少一个价电子，这样将产生一个空穴，空穴少一个价电子，这样将产生一个空穴，空穴可以环绕可以环绕

8、B B离子运动，当通电时空穴为主要离子运动，当通电时空穴为主要载流子产生定向运动导电，主要是以空穴为载流子产生定向运动导电，主要是以空穴为半导体的导电方式。半导体的导电方式。P P型半导体型半导体当在硅或锗的晶体中掺入五价元素时如磷、当在硅或锗的晶体中掺入五价元素时如磷、砷和锑等。如右图磷原子与周围的四个硅砷和锑等。如右图磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数原子形成共价键后，磷原子的外层电子数是是 9 9 ，比稳定结构多一个价电子，多余的，比稳定结构多一个价电子，多余的价电子环绕价电子环绕P P离子运动离子运动, ,通电时自由电子作通电时自由电子作为主要的载流子发生定向运动

9、导电，主要为主要的载流子发生定向运动导电，主要是以自由电子为半导体的导电方式。是以自由电子为半导体的导电方式。N N型半导体型半导体SiPSiSiSiSi多余多余电子电子1.1.半导体产业的发展历程：半导体产业的发展历程：1.19061.1906年年 发明了由两个电极和一个栅极封入真空玻璃容器用来放大电子信号的三极真空管发明了由两个电极和一个栅极封入真空玻璃容器用来放大电子信号的三极真空管3.1947.123.1947.12月由贝尔电话实验室的月由贝尔电话实验室的 ( (威廉威廉 肖克利肖克利) )发明了第一个用锗制成的固体晶体三极管发明了第一个用锗制成的固体晶体三极管4.19544.1954

10、年年 公司的公司的 制造了第一个硅晶体管制造了第一个硅晶体管5.19575.1957年年 公司在硅上制造出第一个商用硅基平面晶体管公司在硅上制造出第一个商用硅基平面晶体管6.19596.1959年年 公司的公司的 发明硅基材料上制造的集成电路，发明硅基材料上制造的集成电路， 公司的公司的 发明了在锗基材料上制造的集成电路发明了在锗基材料上制造的集成电路单晶、多晶、晶向单晶体内所有的原子都是按同一顺序排列起来的。多晶由很多的小晶粒（单晶）组成。晶向晶体具有各向异性，沿晶体不同方向物理特性不一样。用晶向矢量在x、y、z三个坐标轴上投影表示其晶向。导体、半导体、绝缘体导体价带与导带交叠，导电需要小的

11、重叠能量。绝缘体禁带宽度一般大于2半导体介于绝缘体和导体之间的禁带能量级别。（为1.11)导体、半导体、绝缘体能带图3.晶体结构结点：一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵，把空间点阵中的几何点或者等同点成为结点。空间格子：联结分步在三维空间内的结点就构成了空间格子。原胞结点晶面符号：在立方晶体中选定一个直角坐标系，晶面在三个坐标轴的截距系数晶面符号：在立方晶体中选定一个直角坐标系，晶面在三个坐标轴的截距系数p p、q q、r r的倒数比的倒数比1 1：1 1：1 1，简化后按轴次序连写在一起，在加小括号而得。其通式为（简化后按轴次序连写在一起，在加小括号而得。其通式为（),),

12、其中其中h h、k k、l l称为晶面的米氏指数。称为晶面的米氏指数。XYZrqp()ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)晶棱符号：晶棱符号只规定晶棱等直线在晶体上得方向而不涉及它得具体位置，所以任何晶棱都可以假设平晶棱符号：晶棱符号只规定晶棱等直线在晶体上得方向而不涉及它得具体位置，所以任何晶棱都可以假设平移到坐标轴得交点，然后在次晶棱上任取一点，它在三个坐标轴上的坐标为移到坐标轴得交点，然后在次晶棱上任取一点，它在三个坐标轴上的坐标为X X、Y Y、Z Z，然后以相应的轴单位，然后以相应的轴单位来度量该坐标值，取它们的比值后连写并加以方括号，即为晶棱符号。，晶棱符号的通式为来度

13、量该坐标值，取它们的比值后连写并加以方括号，即为晶棱符号。，晶棱符号的通式为。硅晶体结构硅晶体结构半导体的特性半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於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元件(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

14、导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，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)的其他元素(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*10223的硅中掺进大约5*10153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.半导体材料元素半导体：A 族的硅和锗化合物半导体： - 族化合物半导体如砷化镓等- 族化合物半导体如碲化镉和硒化锌等其他化合物半导体如锗硅和氮化镓等硅材料简介为什么选用硅作为主要的半导体材料：硅的丰裕度（25%）,不必担心原料枯竭，无害更高的熔化温度允许更高的工艺容限更宽的工作温度范围带隙宽单晶制造成本低硅和锗的基本性质的比较性质（300K）硅锗原子量28.0972.60禁带宽度（）1.120