半导体材料硅的基本性质

1、=WORD完好版-可编写-专业资料分享=半导体资料硅的基天性质一半导体资料1.1固体资料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率以下：图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2半导体又能够分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义以下：元素半导体：由一种资料形成的半导体物质，如硅和锗。化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。二元化合物GaAs砷化镓SiC碳化硅三元化合物AlGa11As砷化镓铝AlIn11As砷化铟铝1.3半导体依据其能否混杂又能够分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。非本征半

2、导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。1.4掺入本征半导体中的杂质，按开释载流子的种类分为施主与受主，它们的定义分别为：-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=施主：当杂质掺入半导体中时，若能开释一个电子，这类杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这类杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。图1.1（a）带有施主（砷）的n型硅(b)带有受主（硼）的型硅1.5掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。因为施主开释电子，所以在这样的半导体中电子为多半导电载流子（简称多子），而空穴为少量导电

3、载流子（简称少子）。如图1.1所示。掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。因为受主接受电子，所以在这样的半导体中空穴为多半导电载流子（简称多子），而电子为少量导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。二硅的基天性质1.1硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础资料，其物理化学性质（300K）如表1所示。性质符号单位硅（Si）原子序数Z14原子量M28.085原子密度个/cm35.001022晶体构造金刚石型晶格常数a?5.43熔点Tm1420密度(固/液)g/cm32.329/2.533介电常数011.9-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=本征

4、载流子浓度ni个/cm31.51010本征电阻率icm2.3105电子迁徙率ncm2/(VS)1350空穴迁徙率pcm2/(VS)480电子扩散系数Dn234.6cm/S空穴扩散系数Dp212.3cm/S禁带宽度（25）EgeV1.11导带有效态密度Nc-319cm2.810价带有效态密度N-319cm1.0410v器件最高工作温度250表1硅的物理化学性质（300K）1.2硅的电学性质硅的电学性质有两大特色：一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-41010cm二、导电率和导电种类对杂质和外界要素（光热，磁等）高度敏感。无缺点的、无混杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量

5、的电活性杂质，其电导率将会明显增添，称为非本征半导体。比如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为本来的千分之一。掺入不一样的杂质，能够改变其导电种类。当硅中混杂以施主杂质（族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中混杂以受主杂质（族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。以下图电阻率随杂质浓度的变化1.3硅的化学性质硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。硅晶体在常温下化学性质十分稳固，但在高温下，硅几乎与全部物质发生化学反应。硅的热氧化反响1100Si+O2SiO21000Si

6、+2H2OSiO2+H2在硅表面生成氧化层，其反响程度与温度有相当大的关系，随温度的高升，氧化速度加速。-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反响300Si+2Cl2SiCl4280Si+3HClSiHCl3+H2上边两个反响常用来制造高纯硅的基本资料SiCl4和SiHCl3。硅与酸的化学反响硅对多半酸是稳固的，硅不可以被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐化，但能够被其混淆液所腐化。（1）硅与HFHNO3混淆液的化学反响Si+4HNO3+6HFH2SiF6+4NO2+4H2OHNO3在反响中起氧化作用，没有氧化剂存在，

7、H就不易与硅发生反响。此反响在硅的缺点部位腐化快，对晶向没有选择性。（2）硅与HFCrO3混淆液有化学反响Si+CrO3+8HFH2SiF6+CrF2+3H2O此混淆液是硅单晶缺点的择优腐化显示剂，缺点部位腐化快。（3）硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,WSi2,MoSi等硅化物拥有优秀的导电性、耐高温、抗电迁徙等特征，能够用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。（4）硅与SiO2的化学反响1400Si+SiO22SiO在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔领会发生上述反响。反响生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，此外一部分溶解

8、在熔硅中，进而增添了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要根源。在拉制单晶时，单晶炉内须采纳真空环境或充以低压高纯惰性气体，这类工艺能够有效防备外界沾污，并且跟着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO堆积，以防止SiO粉末影响无位错单晶生长。1.4硅的晶体构造和化学键硅的晶体构造硅晶体为金刚石构造，四个近来邻原子构成共价四周体。如图2.1和图2.2所示。-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=图2.1共价四周体图2.2硅的晶体构造2硅晶体的化学键硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是经过价电子的共有化形成的。详细说来，共价键是由两原子间一对自旋相反

9、的共有电子形成的。电子的配对是形成共价键的必需条件。硅晶体中的每个原子都与4个近来邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。硅原子的最外层价电子散布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。3p能级最多可容纳6个电子，现只有个电子。依据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不一样的轨道，且自旋平行。那么，两个p电子将分别占有两个p轨道，而空出一个p轨道。这样，硅原子的价电子配布为：3s3p-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=依据这类配布，s轨道的两个电子已配成对了，不可以再配对。只有p轨道上的2个电子还没有配

10、对，能够和近来邻原子的价电子配成两对。这样每个原子只好和近来邻原子形成2个共价键，而实质上倒是4个共价键。这个矛盾靠轨道的杂化来解决。硅原子的3s上的电子能够激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：3s3psp3杂化轨道有4个未配对的电子，故能够形成4个共价键。固然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要必定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果系统更趋稳固。共价键有两个重要特征：饱和性和方向性。所谓饱和性是1个电子和1个电子配对此后，就不可以再与第3个电子配对了。硅原子轨道杂化此后，有4个未配对的价电子。这4个电子分别与近来邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。所以

11、，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数量最多为4。这个特征就是共价键的饱和性。所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。硅原子的四个3sp杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为10928。所以，它们的对称轴一定指向正四周体的四角。并且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道互相交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。所以，硅原子联合时的4个共价键取四周体顶角方向，因为2个近来邻原子的sp3杂化轨道在四周体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石构造。1.5硅的半导体性质硅原子能级图-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业

12、资料分享=图2.3一孤立硅原子能级图硅晶体的能带构造图2.4硅晶体的能带构造图晶体的能带代表的物理意义：反响了晶体中电子的运动状态拥有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特征。假想，固体中各个原子之间没有互相作用，相距较远，相互孤立，那么，很多电子都处在同样的能级上。实质上，原子经过电子，特别是外层电子的互相作用，改变了独立原子中电子的能量，N个孤立原子的一个能级扩层或分裂-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=成N个间隔很近的能级，构成一个能带。如图2.5所示。图2.5原子能级和能带导体、半导体及绝缘体的能带模型能带理论能够说明导体、半导体和绝缘体的差别，如图2.6

13、所示。金属导体有被电子部分占有的能带，称为导带。在导带中，空态的能量与被占态的能量相连结。能带填补状况很简单被外电场作用所改变，表现出优秀的导电性。半导体和绝缘体在T=0K时电子恰巧填满较低的一系列能带，其他能带全空着。最高被填补的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。外电场很难改变其能带填补状况，因此不产生电流。在T0K时，因为半导体的禁带宽度较窄，一般在12eV左右，会有少许电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同市价带中出现少许空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，所以，半导体拥有必定的导电性。绝缘体的禁带较宽，这类热激发极少，所以导电性很差。硅晶体的禁带

14、宽度Eg禁带宽度Eg是半导体资料的一个重要参数。Eg的大小大概上和光汲取的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围亲密联系着。较大的Eg有利于提升半导体器件的热稳固性。Eg的大小还与温度有直接的关系，在必定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T0K时，Eg趋于一个常数，如图2.7所示。-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=图2.7Si的禁带宽度Eg随温度的变化硅中杂质的能级和缺点能级理想的硅晶体，即无缺点无混杂的半导体硅，禁带中没有其他能级存在，拥有本征电导特征，称为本征半导体。当掺入杂质或出缺点时，禁带中将有杂质或缺点能及存在，将显然影响半导体性能，对电

15、导起主要作用。实质半导体都会有必定的杂质，所形成有电导超出本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。硅中的杂质能级如图2.8所示。图2.8硅中杂质能级浅能级杂质-完好版学习资料分享-=WORD完好版-可编写-专业资料分享=在硅中的，族元素，杂质能级特别凑近价带或导带，对硅的电学性能起着重点性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。深能级杂质在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，比如：金，银，铜，铁等重金属杂质。电子和空穴能够经过这些复合中心使少量载流子寿命降低。缺点（原生缺点和工艺诱生缺点）半导体资猜中各样缺点也能够在禁带中产生能级，增添少子复合机率，降低少子寿命。载流子浓度载流子浓度随温度的变化如图2.9所示。图2.9以温度为函数