半导体材料课件

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半導體材料*半導體材料

半導體導電能力介於導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。它是一類具有半導體性能、可用來製作半導體器件和積體電路的電子材料，其電阻率在104～1010

歐姆·釐米範圍內。半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻

入少量雜質可以控制這類材料的電導率。正是利用半導體材料的這些性質，才製造出功能多樣的半導體器件。

半導體材料是半導體工業的基礎，它的發展對半導體技術的發展有極大的影響。

*半導體材料9.1半導體材料的分類

1.元素半導體

它大約有十幾種處於ⅢA－ⅦA族的金屬與非金屬的交界處，如Ge（鍺）,Si（矽）,Se（硒）,Te（碲）等。

2.化合物半導體

1）二元化合物半導體

AIIIA族和ⅤA族元素組成的化合物半導體。即Al(鋁)、Ga（鎵）、In（銦）和P（磷）、As（砷）、Sb（銻）組成的9種化合物半導體，如AsP,AlAs,GaP等。

BⅡB族和ⅥA族化合物半導體，即Zn,Hg,Cd和O,S,Se,Te組成的12種化合物半導體，如CdS,CdTe等。

CⅣA族元素之間組成的化合物半導體，如SiC等。

DⅣA與ⅥA族化合物半導體，如GeS,GeSe,SnTe等共9種。

EⅤA和ⅥA族元素組成的化合物半導體，如AsSe3，AsS3等。

*半導體材料2)

多元化合物半導體

A.ⅠB-ⅢA－（ⅥA）2組成的多元化合物半導體，如AgGeTe2等。

B.ⅠB-ⅤA—（ⅥA）2組成的多元化合物半導體，如AgAsSe2等。

C.

（ⅠB）2－ⅡB－ⅣA－（ⅥA）4組成的多元化合物半導體，如Cu2CdSnTe4等。*半導體材料3.固溶體半導體

固溶體是由二個或多個晶格結構類似的元素、化合物互溶而成。又有二元系和三元系之分，如ⅣA－ⅣA組成的Ge－Si固溶體;ⅤA－ⅤA組成的Bi－Sb固溶體。

由三種組元互溶的固溶體有：（ⅢA－ⅤA）－（ⅢA－ⅤA）組成的三元化合物固溶體，如GaAs－GaP組成的鎵砷磷固溶體和（ⅡB－ⅥA）（ⅡB－ⅥA）組成的，如HgTe－CdTe兩個二元化合物組成的連續固溶體碲鎘汞等。

*半導體材料4.非晶態半導體

原子排列短程有序、長程無序的半導體稱為非晶態半導體，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半導體及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半導體。

5.有機半導體

有機半導體分為有機分子晶體、有機分子絡合物和高分子聚合物，一般指具有半導體性質的碳－碳雙鍵有機化合物。*半導體材料9.2半導體材料的結構與鍵合

一、金剛石結構金剛石結構是一種由相同原子構成的複式晶格。元素半導體材料Sｉ、Ge、Sn（灰錫）都具有金剛石結構。

圖9－l金剛石結構（立方晶胞圖）相關連的原子共有18個。此結構的一個重要特點是每個原於有４個最近鄰，它們處在一個正四面體的頂角位置。

*半導體材料二、閃鋅礦和纖鋅礦結構１．閃鋅礦結構（立方ZnS結構）

下圖給出其立方晶胞圖，它是由兩種不同元素的原子分別組成面心晶格套構而成，套構的相對位置與金剛石結構相對位置相同。閃鋅礦結構也具有四面體結構，每個原子有4個異類原子為最近鄰、後者位於四面體的頂點，具有立方對稱性。圖9－2閃鋅礦型結構

*半導體材料

許多重要的化合物半導體如III一V族化合物GaAs，InSb，GaP，InAs，BSb，AlSb，GaSb等，II－VI族比合物CdTe，ZnSe，HgSe，HgTe等和IV－IV族SiC，都為閃鋅礦結構。由圖9－l和圖9－2對比可以看出，閃鋅礦結構除去由兩類不同原子佔據著晶格的交替位置外，與金剛石結構是完全相同的。兩種不同原子之間的化學鍵主要是共價鍵，同時又具有離子鍵成分即混合鍵。因此閃鋅礦結構在半導體特性及電學、光學性質上除與金剛石結構有許多相同處外又有許多不同之處。

*半導體材料

閃鋅礦結構中的離子鍵成分，使電子不完全公有，電子有轉移，即“極化現象”。這與兩種原子的電負性之差△X＝XA－

XＢ有關，兩者之差愈大，離子鍵成分愈大，導致極化愈大。表７－１為電負性與離子鍵比例關係。

表9－１電負性與離子鍵比例*半導體材料

2．纖鋅礦結構（六方硫化鋅結構）*半導體材料

2．纖鋅礦結構（六方硫化鋅結構）圖７－３給出其晶胞圖。它是由兩種不同元素的原子分別組成hｃｐ晶格適當錯位套構而成的，並且也有四面體結構，具有六方對稱性。其中Ｓ２－位於整個六方柱大晶胞的各個角頂和底心以及由六方柱劃分出的六個三方柱中的相間的三個三方柱的軸線上，

Zn２＋則位於各個三方柱的棱上及相間的三個三方柱之軸線上。相當於Ｓ２－構成簡單六方緊密堆積，而Zn２＋則填塞於半數的四面體間隙中，即每個原子均處於異種原子構成的正四面體中心，配位數均為4。纖鋅礦是閃鋅礦的同素異構體，晶體結構差別只是第三最近鄰的相對位置，閃鋅礦結構在（111）方向上下兩層不同原子錯開60o，纖鋅礦結構在（111）方向上下兩層不同原子是重疊的。因此纖鋅礦晶體結構更適合於電負性差別大的兩類原子組成的晶體。例如III－V族化合物中的BN、GaN、InN，III－VI族化合物中的ZnO、ZnS、CdS、HgS有纖鋅礦結構。但是有些化合物在不同的生長條件下，可以按不同方式結晶。*半導體材料３．氯化鈉結構氯化鈉結構可看成是由兩種不同元素原子分別組成的兩套面心立方格子沿1／2［100］方向套構而成的，如圖７－4所示。這兩種元素的電負性有顯著的差別，其中金屬原子失去電子成為正離子，非金屬原子得到電子成為負離子，它們之間形成離子鍵。具有氯化鈉結構的半導體材料，主要有CdO、PbS、

PbSe、PbTe、SnTe等。圖9－4氯化鈉型結構圖

*半導體材料４．四面體共價鍵與軌道雜化矽、鍺和灰錫都具有金剛石結構，每個原子和4個最近鄰原子形成四面體共價鍵。根據軌道雜化理論，當四價元素形成晶體時，原子相互靠近，改變了孤立原子狀態，主要表現在使價電子的狀態發生變化，即有1個S軌道和3個P軌道，混合組成4個SP3雜化軌道，使原子有強的成健能力，原有電子處於現在4個雜化軌道狀態，電子雲幾率分佈沿四面體頂角方向最大，在這4個方向上，一個原子和周圍最近鄰原子之間形成共價鍵，鍵和鍵之間的夾角為109o28。碳、矽、鍺和灰錫都有四面體共價鍵，成鍵數都等於價電子數4，只是原子半徑從矽至灰錫逐漸增大，它們的共價鍵強度逐漸減小。對於III

－V族和II－VI族化合物半導體是與IV族元素半導體等電子的，它們每個原子所具有的平均價電子數也是4，仍以Sp3雜化軌道成鍵形成四面體配位的晶體，只是由於它們是兩種原子組成的化合物，形成了閃鋅礦結構或纖鋅礦結構。*半導體的共價鍵結構

矽晶體的空間排列*半導體的共價鍵結構矽和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構價電子：最外層原子軌道上具有的電子（4個）。*半導體材料

9.3半導體材料的物理基礎

研究半導體中載流子運動的基本規律、基本物理過程、物理現象及物理性質是認識、發展和開發半導體功能材料的基礎。一、導電特性

載流子晶體中參與導電的粒子被稱為載流子。半導體中對電導有貢獻的載流子：導帶中的電子，價帶中的空穴，它倆是具有不同符號的電荷。對純淨半導體，理想情況下，半導體內不存在可以自由移動的電子，電子均被束縛在原子核周圍，其中價電子構成共價鍵。

本征激發當外界對半導體有某種作用時，如光照、加熱等，價電子獲得足夠能量，擺脫共價鍵束縛，成為自由電子，而原來共價鍵上留下一個空位叫空穴，即產生電子一空穴對，這個過程叫本征激發。電子和空穴都可參與導電，它們數目接近叫做本征半導體。在室溫下鍺的本征載流子濃度ni=2.3X1019個／m3，矽的ni=1.5

X1019個／m3。*第7章半導體材料

實際用的半導體材料中總會有雜質存在，其中有的雜質會使半導體中自由電子數增加，成為以電子為主要載流子的n型半導體；有的雜質使半導體中空穴數增多，成為以空穴為主要載流子的P型半導體。

例如在半導體材料中摻入比其多一個價電子的元素，多餘的價電子不能進入共價鍵，但仍受雜質中心的約束，只是比共價鍵約束弱得多，只要很小的能量就會擺脫約束，成為自由導電電子。同樣在半導體材料中摻入比其少一個價電子的元素，組成共價鍵時，形成一個空穴狀態，只要很小的能量就會從附近原子接受一個電子，把空狀態轉移到附近共價鍵裏，這就是空穴，空穴數增多並參與導電。以上兩種情況發生時，雜質原子分別形成正電中心和負電中心，都可以近似用類氫系統和載流子的有效品質來處理。

半導體材料的導電特點即是具有兩種載流子，而且可以人為地改變其種類和數目，這也是半導體材料可以得到廣泛應用的重要原因。*本征半導體本征半導體——化學成分純淨的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態。空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發而產生的自由電子和空穴對。空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。*雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。（Negative負的字頭）P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。（Positive正的字頭)*

1.N型半導體

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多餘的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。*

2.P型半導體

因三價雜質原子在與矽原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由熱激發形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。*

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

T=300K室溫下,本征矽的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征矽的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜後N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

3.雜質對半導體導電性的影響*半導體材料二、能帶結構固體物理學中常用能帶來表示電子的各種行為。

能帶結構通常把能帶、禁帶寬度以及電子填充能帶的情況統稱為能帶結構，其中能帶和禁帶寬度取決於晶體的原子結構和晶體結構，而電子填充要遵從能量最小原理和泡利不相容原理。

帶邊價帶頂和導帶底都稱為帶邊，分別用Ev和Ec表示它們的能量，帶隙寬度Eg=Ev-Ec。用晶體中電子的能量E與波矢k的函數關係來描述電子在能帶中的填充，對半導體起作用的常常是接近於導帶底或價帶頂的電子。**

純淨材料的導電性能與材料的電子結構有直接的關係。電子結構由一系列能級組成，電子有序地填充在這些能級中。金屬有部分能級沒有填滿，因此，電子可以在這些能級間自由地移動也就是說，電子可以在金屬中流動。絕緣體的能級是被電子填滿的，並且，兩個能級之間的能量差距很大。電子只有獲得足夠的能量才能從一個能級級躍遷到另一個能級。能級之間的能量差距越大，電子躍遷就越困難，絕緣性能也就越好。半導體和絕緣體一樣，存在滿帶，但由於能隙較小，它的電子在躍遷時需要的能量就較少。因此一些電子有足夠的能量來躍遷。當然電子的平均能量是溫度的函數，因此半導體的導電性也與溫度有關。*半導體材料三、p-n結（PN結的形成及特性）

1.PN結的形成

2.PN結的單向導電性

3.PN結的反向擊穿*

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最後,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。

對於P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴散運動

由雜質離子形成空間電荷區

*1.PN結的形成（1）擴散運動

（2）PN結（3）漂移運動***

2.

PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高於N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結加正向電壓時PN結加正向電壓時的導電情況

低電阻大的正向擴散電流PN結的伏安特性*PN結的伏安特性

(2)PN結加反向電壓時PN結加反向電壓時的導電情況

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。*

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。*

3.

PN結的單向導電性

(3)PN結V-I特性運算式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）*

2.2.3

PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆PN結的電流和溫升不斷增加，使PN結的發熱超過它的耗散功率。電擊穿——可逆雪崩擊穿：由於碰撞電離使載流子產生倍增效應，使反向電流急劇增大。齊納擊穿：在雜質濃度特別大的PN結中加有較高的反向電壓，破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子空穴對，使反向電流急劇增大。*半導體材料

9.4半導體材料中的雜質

一、雜質的種類按雜質原子存在方式分兩類：單個原子，複合體。以單個原子存在的位置分兩類：替代式，間隙式。按雜質原子對半導體材料電學性質的影響分為5類：受主雜質、施主雜質（Ⅲ族和Ⅴ族）、兩性雜質（Si中的Au）、中性雜質（Ⅳ族矽中鍺、碳和錫）和深能級雜質（IB族和過渡族金屬雜質）。*半導體材料二、雜質對半導體材料電學性能的影響

1．雜質對半導體材料導電類型的影響當材料中施主雜質和受主雜質共存時，有補償作用，材料的導電類型，取決於哪一種佔優勢。設雜質在室溫下全部電離，ND表示施主雜質濃度，NA表示受主雜質濃度，當ND≥

NA時半導體呈n型，如若ND≤NA呈P型，當ND≈

NA或ND=

NA時，雜質高度補償，呈弱n或弱p型，甚至是本征的。人們常常利用擴散或注入法，改變材料中某一區域的導電類型，製作各種器件；同時人們在選擇半導體材料時，也提出對補償度的要求，保證器件的品質和穩定性。

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2．雜質對半導體材料電阻率的影響材料中有多種雜質，並且飽和電離時，電阻率用ρ表示。在有補償的情況下，電阻率主要由有效雜質濃度（ND-NA

）或（NA-ND

）決定，但總的雜質濃度N1=NA+ND

，也對電阻率有影響，因為雜質濃度很大時，對載流子散射將加強，則遷移率下降，電阻率增加。有補償時，電阻率數值偏高，數據不可靠。因此製備半導體材料，應提純達到規格要求。

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3．雜質對非平衡載流子壽命的影響半導體中深能級雜質對材料的平衡態電學性能影響較小，對非平衡態的電學性能影響較大。在禁帶中有多重能級，對電子和空穴的複合起中間站作用，稱為複合中心或陷阱中心，大大縮短了非平衡載流子的壽命，因此一般在製備材料時要嚴防重金屬玷污，它們對光電器件特別有害，而對一些特殊器件還可以人為注入微量重金屬來降低非平衡載流子壽命。

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9.5元素半導體中的缺陷

晶體的缺陷半導體晶體中原子的週期性排列經常受到局部破壞，這些被破壞的區域稱為晶體的缺陷。

晶體的缺陷的分類按它們區域的大小分為點、線、面、體四類。

研究晶體的缺陷的意義各種缺陷的相互作用，與雜質原子的相互影響，形成複合體，對材料和器件的性能會產生重大影響，因此材料中的缺陷是材料應用研究中的一個中心問題。

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一、點缺陷（熱缺陷）

半導體晶體中點缺陷的類型有肖特基缺陷、填隙原子缺陷和弗侖克爾缺陷等。熱缺陷不斷產生、複合，在一定溫度下有確定的平衡濃度，應用統計物理方法可得到空位的數目：

填隙原子的數目：

式中，N、N’分別為單位體積中的原子數和間隙位置數，Evf、Eif分別是一個空位、一個填隙原子形成能。

弗會克爾缺陷的數目為

其中，EFf是一個弗會克爾缺陷的形成能。

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二、位錯

1．可能的位錯組態根據位錯理論可知，位錯線應在晶體的滑移面上，而滑移面常常是原子面密度大的低指數晶面，金剛石結構晶體面密度最大的是（111）面，其次是（110）面和（100）面，位錯線的滑移方向多是原子的密排方向「110］，因此最短的柏氏向量在[110]方向。

2．位錯對材料和器件性能的影響位錯對材料性能的影響表現在對刃型位錯存在一串原子帶有未飽和的懸掛鍵，可起施主或受主作用（與單晶類型有關），使材料電阻率改變。位錯還會影響遷移率和電導率，並具有明顯的方向性。位錯的存在還會改變少數載流子的壽命。

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實驗表明“清潔的”位錯對器件特性沒什麼影響，但是當雜質原子沿位錯線沉積，特別是貴金屬雜質的沉積，會引起p－n結漏電、V－I特性“軟化”。位錯線還會使雜質的擴散增強，特別在淺結n－P－n電晶體中引起器件失效。提高材料純度，減少工藝過程中的雜質玷污，消除誘生位錯，是提高器件性能和成品率的重要措施。另一方面“吸除工藝”，它是利用非有源區的位錯，吸除有源區的有害雜質、點缺陷，則能改善性能，提高器件的成品率。

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3、堆垛層錯

層錯的來源：（1）外延生長時，由於襯底表面存在機械損傷、表面沾汙、微氧化斑、小合金點等都可成為層錯成核中心，外延生長時可生成本征型和非本征型層錯。（2）單晶生長時，在固液介面上有掉渣、熱應力、籽晶和熔體浸潤不好等情況，也可引入層錯。（3）矽片熱氧化或熱處理時引入層錯。

層錯對材料和器件性能的影響層錯可以引起雜質不規則擴散和不均勻分佈，使器件結構不規則，引起漏電流增大，二次擊穿，局部擊穿甚至短路。層錯也成為重金屬等有害雜質聚集、沉澱核心，引起擊穿。層錯還成為載流子的複合中心和散射中心，使少數載流子壽命和遷移率下降，使器件放大係數下降，增大反向電流和正向電壓下降，降低截止頻率。層錯還增加電晶體雜訊。*半導體材料

4.化合物半導體中的缺陷主要關注點缺陷，以GaAs為例。（1）Ga原子和As原子本身產生空位和間隙原子。（2）肖特基缺陷，按嚴格化學計量比，產生As空位同時形成相等數目的Ga空位。（3）弗倫克爾缺陷，產生As空位的同時形成相等數目的As間隙原子、（4）代位原子，即產生As占Ga的代位原子或Ga占As的代位原子。（5）反結構缺陷，即產生As占Ga的代位原子的同時，產生相同數目的Ga占As的代位原子。*半導體材料

9.6典型半導體材料一、矽材料矽是當前最重要、產量最大、發展最快、用途最廣的半導體材料，95％以上的半導體器件是用矽材料製作。據報導，1996年世界矽半導體器件的市場規模為1851億美元，消費矽片則達33.46億平方英寸。

1.矽材料概況矽在地殼中的含量為27％。矽晶體具有灰色金屬光澤，硬而脆，熔點1420℃，室溫下本征電阻率為23X105Ω·cm。常溫下矽的化學性質穩定，升溫時，很容易同氧、氯等多種物質發生反應，高溫下極活潑。矽不溶於鹽酸、硫酸、硝酸及王水，但容易溶於HF－HNO3混合液，後者常用來作為矽的腐蝕液；矽容易與堿反應，可用來顯示晶體缺陷；矽與金屬作用能生成多種矽化物，它們具有導電性良好、耐高溫、抗電遷移等特性，可用來製作大規模和超大規模積體電路內部引線、電阻等。*第7章半導體材料

2．矽單晶的製備單晶矽的生長方法有直拉法（CZ）、懸浮區熔法（FZ）、磁控拉制法（MCZ）和採用外延法（EPI）製備矽外延片。

CZ法是在盛有熔矽的坩堝內，引入籽晶作為非均勻晶核，然後控制溫度場，將籽晶旋轉並緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。

CZ法是目前生長元素和Ⅲ一V族化合物半導體單晶的最主要方法，工藝成熟。CZ單晶矽的特點是直徑大、機械強度高、電阻率低、氧含量較高，適於生產中、低阻，大直徑單晶，主要用於製造積體電路、電晶體、低電壓小功率二極體、感測器和太陽能電池。由CZ法生長的單晶，由於坩堝與材料反應和電阻加熱爐氣氛的污染，雜質含量較大，生長高阻單晶困難。

FZ法不使用坩堝，它是將區域提純與晶體生長結合起來制取高純單晶，該法在高純石墨舟前端放上籽晶，後面放上原料錠。建立熔區，將原料錠與籽晶一端熔合後，移動熔區，單晶便在舟內生長。FZ單晶矽的特點是電阻率高、補償度小、少數載流子壽命長、NTD單晶矽電阻率均勻性好，主要用於製作電力電子器件（SR、SCR、GTO等）、高反壓電晶體、射線探測器、高壓整流器、可控矽。*第7章半導體材料

9．6．1．3矽單晶中的做缺陷在矽材料的發展過程中，人們曾把拉制無位錯單晶作為提高材料性能和器件成品率的最佳要求，但在實踐應用中發現無位錯單晶矽中存在微缺陷，其中有一類稱為旋渦缺陷，人們對它研究的比較深入廣泛。區熔單晶中微缺陷研究開展得較早，文獻較多，對其分類及特徵大致如表10－－5所示，但對其形成原因和本質的研究又提出多種模型，如早期迪考克的“空位團模型”，後來較為流行的有“非平衡間隙原子模型”和“平衡間隙原子模型”，還有人提出“液滴模型”、“St。C4複合體”、“純空位模型”等，目前還沒有統一的理論解釋微缺陷的形成。直拉單晶中微缺陷和區熔單晶中微缺陷在成因和性質上又很不相同。嫋10－5桂單矽中的微缺陷一微缺陷的存在引起人們的極大重視。在微缺陷上會產生金屬微沉澱、絕緣微沉澱及層錯，使器件性能變壞，如導致p－n結漏電流增大，載流子遷移率降低，對大規模積體電路會帶來更大的危害，所以微缺陷已成為影響器件成品率的重要因素。*第7章半導體材料

10．6．1．罩住單晶中的日和碳由於原材料和生長時氣氛和環境站汙的影響，矽單晶中一般都含有一定數量的氧和碳。如CZ－Si中氧含量可達101’個／。m－‘，碳101’個／cm－‘；FZ－－Si中氧可達10“～10’‘個／cm－‘，碳10“個／cm－’，因此矽中氧、碳一直是人們研究的重要課題。氧在矽中大部分處於間隙位置，形成St一O－－St鍵，在1106cm－‘處產生紅外吸收帶，它與空位複合還產生836cm－‘紅外吸收帶，氧在矽中一般認為有兩個施主能級，三個受主能級，擴散係數為D一隊23exp（一2．561士0．005／k。T）。氧在矽中的作用有害也有利，因此應綜合考慮其含量與作用。對氧含量較高的CZ矽，熱處理時會產生熱施主（450t左右）或新施主（550～800t長時間處理），在1000oC以上氧以g－SIO。微沉積形式析出，高於1300℃熱處理氧重新處於分散的間隙位置。關於新施主的結構和產生機理至今還不很清楚。碳在矽中為替位式，是非電活性雜質，高碳樣品在830cm－‘處有Si－C吸收峰，熱處理時在450t拆出沉澱物SIC，700oC時溶質破開始消失。其在矽中擴散係數為D—0．33exP［一（2．9士0．25）從。Ti。碳對矽器件有害，應儘量減少其含量。*第7章半導體材料

10．6．1．5住單晶中缺陷的控制和利用為了消除缺陷給材料和器件帶來的危害，人們一直是在如下兩個方面努力的。（1）消除缺陷通過提高原材料的純度、改善多晶、籽晶、襯底的品質，改進材料加工技術、單晶製備、熱處理和器件製造工藝，控制氧、碳、氮和其他雜質含量和均勻分佈，改善超淨條件，減少治汙等措施來消除缺陷，製備高度完整的晶體。化）利用缺陷實踐證明，完全消除缺陷是難於實現的，人們就通過控制並利用晶體在拉制和加工過程中產生的缺陷，來保證和提高積體電路的性能，有人稱之為“缺陷工程”具體方法很多，可分為兩類：①內吸除，又稱“本征吸除”（IG），主要用於間隙氧含量較高的矽片，具體做法是用CZ矽片在一定熱處理制度下，使矽片內部生成氧沉澱、位錯、層措等缺陷複合作，而在距表面的一定深度內形成無氧層，矽片內部缺陷通過和表面層內雜質、缺陷交互作用，對表面吸除，獲得表面完整層（DZ）的優質矽片；②外吸除，利用外部因素來處理矽片，減少矽片表面活性層（有源區）的污染和防止缺陷的產生，常用的外吸除方法有在背面製造劃傷或研磨傷痕、離子注入，擴磷、硼，引入位錯，附一層St。N4膜，鐳射照射、聲波衝擊等產生畸變場，也能施以對表面的吸附作用，以也獲得DZo實驗表明，內吸除和外吸除工藝配合可以產生更好的作用，且適用於低氧含量矽片。*第7章半導體材料10．6．1．6掛材料的主要應用矽材料是目前可以獲得的純度最高、完整性最好、直徑最大、用途最廣和消耗量最大的半導體材料，已成為半導體工業的重要基礎材料。如前所述，95％以上的半導體器件均用矽製成，而在這些器件中積體電路（IC）又占60％～80％。根據矽材料的不同性優製作的半導體器件主要有晶體二極體、三極管、IC（利用整流效應、離子注入）、熱敏電阻（利用熱電效應）、霍爾器件（利用霍爾效應）、變容二極體（利用p－n結電容效應）、混頻二極體（利用肖特基勢壘效應）、光敏電阻（利用光電效應）、光電二極體和雪崩光電二極體（利用光電導和光伏效應）、雪崩渡越二極體（利用P－n結雪崩倍增效應）、晶閘管（利用整流效應）等，其應用領域涉及通信、雷達、廣播、電視、各種電腦、自動控制和各種儀錶；太陽能電池（利用光生伏特效應）應用於空間或地面發電；半導體探測器（利用內光電效應）、核輻射探測器（利用本征激發或雜質電離）應用於原子能、分析、光量子檢測；利用超純矽對l～7ym紅外光透過率高達90％～95％這一特性，製作紅外聚焦透鏡，用以對紅外輻射目標進行夜視跟蹤，照相等；其他加整流器和可控矽應用於整流、高頻振盪器、超聲波振盪器。

*第7章半導體材料10．6．1．7健材料的發展狀況矽作為最主要的半導體材料，自從1948年發明第1只矽電晶體後，借助矽的優越性，已在20世紀50年代製成了可控矽和在別世紀助年代實現了集成電路（IC），這為開創微電子工業和開發半導體工業奠定了基礎。從此，矽材料的產量逐年上升，據西方國家統計，1990年世界矽多晶產量已接近萬噸。從矽單晶的生產情況看，至1998年世界f125mm（sin）和f150mm（6in）的矽單晶片產量已占矽片生產總量的70％以上，同時各國都在大力擴大f200mm（出山片的生產能力，f300mm（12i）的單晶矽也已問世。另一方面，高壓大功率器件的發展，區熔矽單晶生產水準也有很大提高，f100mm（4in和fi25mm（sin）區熔矽單晶已可工業化生產，曆n的也已研製成功，並投入生產。近年來矽單晶生產的平均增長率達20％，直徑幾乎每兩年增加lin，f200mm（sin）的矽片現已成為常規產品，f300mm（12in）的矽片已在最近幾年逐步投入器件生產線。矽片品質是隨後制出的器件和積體電路性能的關鍵，為提高電腦的貯存容量的速度以及不斷地降低成本，要求其貯存器晶片儘量減少每個元件的面積共提高集成度，這需要大面積無缺陷的矽單晶片作保證。國外對單晶矽的要求重點在於穩定和提高大直徑矽片的品質，其中主要是氧含量、均勻性和尺寸精度，即平整度和表面品質。表10－6列出1998～2014年隨機動態記憶體（DRAM）的發展趨勢和性能要求。宗10－61998～2014年隨機動態記憶體（DRAM）的發展和性能基求——

我國矽材料生產和研究的整體水準落後於先進國家，雖然已能生產100～150mm各種規格的電路級拋光片和100in外延片，品種和規格基本滿足國內電子工業的需要，但在大批量生產、大尺寸和矽片品質等方面還與國外同類產品有一定的差距。當前，矽材料的國產化關鍵在於提高矽片尺寸和品質。與此同時，研究原料與矽材料的關係，矽材料與器件的關係以及開展與之有關的基礎和應用研究等也十分重要。

*************10.6典型半導體材料一、矽材料1.1矽材料的製備1.2矽單晶的微缺陷1.3矽單晶中的氧和碳1.4矽單晶中缺陷的控制和利用（1）消除缺陷（2）利用缺陷：內消除和外吸除1.5矽材料的應用二極體、三極管、熱敏電阻、光敏電阻、太陽能電池、半導體探測器、整流器和可控矽等方面。*二、鍺材料三、砷化鎵材料四、碲鎘汞材料五、鎵砷磷材料六、薄膜半導體材料七、高溫半導體材料八、碳化矽九、人造金剛石薄膜*十、非晶半導體材料1、分類：（1）共價鍵非晶半導體1）四面體非晶半導體如Si、Ge、SiC、InSb2）“鏈狀”非晶半導體如S、Se、Te、As2S33）交鏈網路非晶半導體Ge－Sb－Se2）3）兩類都還有S、Se和Te，稱為硫系化合物（2）離子鍵非晶半導體主要是氧化物玻璃V2O5-P2O5、MnO-Al2O3-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2*2、非晶態半導體器件的研究和應用（1）光碟（2）太陽能電池（3）薄膜場效應電晶體（4）感測器*半導體材料的介紹

電子陶瓷材料*

按IEC標準，陶瓷電容器被分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三大類型。

Ⅰ型陶瓷電容器是電容量隨溫度變化穩定度較高的電容器，主要用於高頻諧振回路中，常被稱為高頻陶瓷電容器。按照介電常數高低，Ⅰ型陶瓷電容器又可分為低介高頻瓷與高介高頻瓷，其中，高介高頻瓷包括了熱補償高頻瓷、熱穩定高頻瓷。

陶瓷電容器的分類*

Ⅱ型陶瓷電容器以高介電常數為主要特徵，其材料主體是具有鈣鈦礦型結構的鐵電強介磁料，其基本組成主要有和弛豫鐵電體。鐵電強介質陶瓷的高介電常數來源與材料中存在的自發極化隨外電場而呈現的其介電常數高達

。由於介電常數受溫度影響很大，電容器容量溫度特性通常用在規定溫度範圍內的上、下極值容量相對於室溫下的容量變化百分比來表示。

*

用這種材料製作的電容器在頻率超過一定範圍時衰減幅度很大，因而主要應用於低頻電路或對容量要求不大苛刻的中高頻電路。最为常见的Ⅱ型陶瓷電容器有以下幾類特性：Y5V、Y5U、X7R特性。*

Ⅲ型陶瓷電容器又被稱為半導體陶瓷電容器，它是一種利用特殊的顯微結構（晶粒或瓷體半導體，晶界或表面絕緣化）來獲取巨大的宏觀效益的高性能陶瓷電容器，用於製作這類電容器的主要材料有鈦酸鋇和鈦酸鍶。這類電容器的結構類型主要有晶界層（BLC）和表面阻擋層（SLC）兩種。晶界層陶瓷電容器具有介電常數高（30000～50000），使用頻率寬（0～

Hz），溫度變化率及介電*

損耗相對較小的特點，這種重要的性能優勢使晶界層電容器對于优化电子线路、提高电路工作频率特性和温度适用范围、改善整机性能具有重要作用，如容量温度变化率在范围之内、介质损耗小于的晶界层电容器，在技术发达国家被广泛用于各种高性能电子仪器设备中。被晶界层电容器制作的小型大容量穿心电容器应用于电源及微波电路滤波接口时，可增加各种人为或自然的电磁干扰型号的抑制、消除功能，从而提高军事电子装备的抗电磁干扰能力。*

號的抑制、消除功能，從而提高軍事電子裝備的抗電磁干擾能力。

Ⅰ型陶瓷電容器常用来表示温度每变化1℃時介電常數的相對變化率，可用下式表示：

*1.

Ⅰ型陶瓷電容器瓷的分類*1.

值不同的原因有正、負、零，取決於不同溫度下質點的極化程度，也決定於相應溫度下單位體積的質點數。a、

TiO2、CaTiO3b、

CaSnO3、CaZrO3c