第2章 半导体材料的基本性质

1、第2章 半导体材料的基本性质半导体材料的分类和基本性质硅的物理化学性质硅材料纯度表示方法多晶硅的分级21 半导体材料的分类及性质半导体材料的分类及性质（1）物质按导电性能分： 导体（电阻率10-6cm） 绝缘体（电阻率1010cm） 半导体（电阻率10-6cm1010cm）半导体材料的分类 按结构分：晶体和非晶体半导体 按化学组成分：无机半导体和有机半导体 无机半导体分为：单质半导体（Si，Ge，Se等） 化合物半导体（GaAs，InP，CdTe，InSb， CuInSe，-族化合物，-化合物， 氧化物，硫化物，稀土化合物等） 有机半导体可分为：有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。 有机物类

2、包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁酞菁、 孔雀石绿、若丹明B等。 硅本征半导体：(没有杂质，没有缺陷，结构完美的半导体单晶） 常温下载流子浓度为1.51010个/cm3 ，相应电阻率为2.3105cm，导电性能很差，通过掺杂，提高其导电性能（2）半导体材料的性质A 载流子浓度和带隙宽等性能对温度很敏感 载流子浓度：随温度升高而迅速上升 带隙宽（Eg）：随温度升高而下降B 电阻率随温度变化规律与金属导电材料相反 半导体的电阻率随温度上升迅速下降， 金属材料的电阻率随温度的升高而增加，导电性能下降C 具有光电效应 光照下，半导体材料产生电流或电流变化。包括“光导效应”（光照使半导体电阻改

3、变）；“光伏效应”（光照使半导体产生一定方向的电动势）D 具有压阻效应 对半导体材料施加外应力，除变形外，能带结构能带结构也会发生变化，造成电阻率（或电导率）发生变化E 热电效应 把热能转化为电能的过程（温差电动势）。半导体的温差电动势温差电动势，比金属大很多，且热能与电能的转化效率高。 半导体在温差发电器（塞贝克（Seebeck）效应）和半导体制冷（帕尔帖效应）等方面得到应用。 帕尔帖帕尔帖(peltire)效应效应 电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作

4、帕尔帖热。 对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。Seebeck效应效应 主要原因是热端的载流子往冷端扩散热端的载流子往冷端扩散，在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势温差电动势。自然，

5、p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。 可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。F 磁敏感效应（霍尔效应和磁阻效应）磁敏感效应（霍尔效应和磁阻效应） 通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。 磁阻效应：由于磁场而引起的半导体或导体电阻的变化。 磁阻效应（Magne

6、toresistance Effects）是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。 霍尔效应和磁阻效应，都是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。G 导电效应 半导体的导电，和金属不同，金属是靠自由电子导电，半导体是靠电子（e-）和空穴(h+)两种载流子导电，e- 和h+对电流都有贡献。导电性能（电阻

7、率），与载流子浓度由关。(测定测定P,B含量的依据含量的依据,要多次区熔提纯后，要多次区熔提纯后，去掉其它金属杂质，去掉其它金属杂质，才准确）才准确）22 硅的物理化学性质硅的物理化学性质2.2.1 硅的物理性质硅的物理性质 外层电子外层电子3S23P2（SP3轨道杂化后，轨道杂化后，4个外层电子个外层电子等价）等价） 固态（金刚石型结构和非晶硅）固态（金刚石型结构和非晶硅） 晶体硅，银灰色，金属光泽，摩氏硬度晶体硅，银灰色，金属光泽，摩氏硬度7，硬而脆，硬而脆，密度密度2.33g/cm3。 液态硅密度液态硅密度2.533g/cm3, 冷却结晶时体积增大冷却结晶时体积增大9%左右。左右。 其他

8、性质见表其他性质见表2-1A 硅的光学性质 Eg=1.12eV, 1240/Eg=1240/1.12=1107nm（阈值） 即：波长小于1107nm的光波，都可以被硅吸收，但可见光范围内是不透明的，近红外光可以透过；高折光率和高反射率B 硅的热学性质 具明显的热传导和热膨胀性质，熔化时体积缩小，凝固是体积增大，由于硅具有较大的表面张力系数，可以用悬浮区溶法生长单晶C 硅的力学性质 室温下，性脆，无延展性；800时，具明显塑性。硅的抗拉力性能远远高于抗剪切性能，加工过程中容易产生弯曲和翘曲。2.2.1 硅的化学性质硅的化学性质 4个外层电子，可+4价，+2 价，-4价，但没有Si+4，Si-4离

9、子。 常温下，单质Si化学性质很稳定，高温下性质活泼 Si +O2-SiO2（400） 常温下，表面有SiO2钝化层，容易改变表面态性质，Si表面也容易吸附一层氢，Si:H，保护硅片氧化钝化，但吸附的氢容易脱出（硅片加工过程常利用这一性质） Si + SiO2- SiO 高温熔化时和石英坩锅反应，形成气态的SiO，能降低晶体硅中的氧含量 3Si+2N2-Si3N4（1000以上） Si+Cl2-SiCl4 Si+HCl-HSiCl3 (H2SiCl2,H3SiCl,SiCl4等) 副反应很多，需要控制温度，需要催化剂，提高反应的选择性 Si不溶于所有的酸，包括HF（氧化活性比较底，弱酸，F的电

10、负性太大，H+不容易离解）,但溶于HF 和HNO3混合溶液（氧化还原反应） Si + 4HNO3 + 6HF- -H2SiF6 +4 NO2(g) +4H2O 3Si + 4HNO3 + 18HF-3H2SiF6 +4 NO (g) +8H2O 硅片的酸洗、制绒和腐蚀（显微结构缺陷）技术（各向同性腐蚀，反应比较激烈，制绒几分钟就可以） HNO3和和HF的作用是不同的。的作用是不同的。 Si +4 HF -SiF4 +2H2(g) Si + 2NaOH + H2O-Na2SiO3 + H2(g) （反应比较慢，需加热，各向异性腐蚀制绒，单晶硅）（反应比较慢，需加热，各向异性腐蚀制绒，单晶硅） 与

11、金属的反应 Si+2Mg-Mg2Si（放热反应，隔绝空气，严格控制温度在500-550，否则影响产品的性质。制备硅烷的重要原料，也是硅烷法制备高纯硅工艺的重要基础原料） 大于700：（ MgSi+Mg) 小于700：（ Mg2Si+Si) 大于1000：（ Mg+MgSi)（Mg2Si+4NH4Cl(液氨）-SiH4+2MgCl2+4NH3）与金属离子的置换反应 硅单质能置换Cu2+,Pb2+,Ag+,Hg+等不活泼的金属离子。23 硅材料的纯度及多晶硅标准硅材料的纯度及多晶硅标准 ppm (parts per million,百万分之一10-6), ppb（parts per billion 十亿分之一，10-9） ppt （parts per trillion 万亿分之一，10-12） 还有个重要的纯度表示方法，100%的硅晶体，原子密度为：4.991022 atm/cm3 1mol Si=6.022051023 个Si 原子(阿伏加德罗常数) 1cm3 Si=2.33g=2.33/28.86=0.0807 mol =