半导体硅知识

半导体硅知识 1 1 1导体 绝缘体和半导体 物体的导电能力 一般用材料电阻率的大小来衡量 电阻率越大 说明这种材料的导电能力越弱 表1 1给出以电阻率来区分导体 绝缘体和半导体的大致范围 2 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 1几种常见元素的原子结构硅太阳电池生产中常用的硅 Si 磷 P 硼 B 元素的原子结构模型如图1 2 1所示 3 原子最外层的电子称为价电子 有几个价电子就称它为几族元素 若原子失去一个电子 称这个原子为正离子 若原子得到一个电子 则成为一个带负电的负离子 原子变成离子的过程称为电离 1 2半导体材料硅的晶体结构 4 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 2晶体结构固体可分为晶体和非晶体两大类 原子无规则排列所组成的物质为非晶体 而晶体则是由原子规则排列所组成的物质 晶体有确定的熔点 而非晶体没有确定熔点 加热时在某一温度范围内逐渐软化 1 2 3单晶和多晶在整个晶体内 原子都是周期性的规则排列 称之为单晶 由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶 5 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 4硅晶体内的共价键硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起 硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对 这种共有电子对就称为 共价键 如图1 2 2所示 图1 2 2 6 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 5硅晶体的金刚石结构晶体对称的 有规则的排列叫做晶体格子 简称晶格 最小的晶格叫晶胞 图1 2 3表示一些重要的晶胞 7 1 2半导体材料硅的晶体结构 金刚石结构是一种复式格子 它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1 4互相套构而成 见图1 2 4 为了简便明了 以后分析问题时只要采用图1 2 2所示的平面结构示意图即可 8 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 6晶面和晶向晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上 这些平面就称为晶面 每个晶面的垂直方向称为晶向 图1 2 5是几种常用到的晶面和晶向 图1 2 5 9 1 2半导体材料硅的晶体结构 1 2 7原子密排面和解理面 在晶体的不同面上 原子的疏密程度是不同的 若将原子看成是一些硬的球体 它们在一个平面上最密集的排列方式将如图1 2 6所示 按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面 图1 2 6 10 1 2半导体材料硅的晶体结构 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格 而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起 相互之间 沿着晶胞体对角线方向平移1 4而构成的 我们来看面心立方晶格中的原子密排面 按照硬球模型可以区分在 100 110 111 几个晶面上原子排列的情况 如图1 2 7所示 金钢石晶格是由面心晶格构成 所以它的 111 晶面也是原子密排面 它的特点是 在晶面内原子密集 结合力强 在晶面之间距离较大 结合薄弱 由此产生以下性质 a 由于 111 密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱 在外力作用下 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体的解理面 b 由于 111 密排面结合牢固 化学腐蚀就比较困难和缓慢 而 100 面原子排列密度比 111 面低 所以 100 面比 111 面的腐蚀速度快 选择合适的腐蚀液和腐蚀温度 100 面腐蚀速度比 111 面大的多 因此 用 100 面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果 可以使硅片表面产生许多密布表面为 111 面的四面方锥体 形成绒面状的硅表面 11 1 2半导体材料硅的晶体结构 12 1 3固体的能带理论 1 3 1能带的形成在原子中内层电子受原子核束缚较紧 相应的能量较小 外层电子 价电子 能量较大 图1 3 1表示所谓能级图 13 晶体由大量原子组成 一个原子的电子不仅受到这个原子的作用 还将受到相邻原子的作用 相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭 通过轨道的交迭 电子可以从一个原子转移到相邻的原子上去 这时电子已不属于个别原子而成为整个晶体所共有 这种电子运动称为 共有化 电子在原子之间的转移不是任意的 电子只能在能量相同的轨道之间发生转移 图1 3 2表示出这种共有化轨道的能级图 1 3固体的能带理论 图1 3 2 14 从图中可见 晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组 分别和各原子能级相对应 每一组都包含着大量的能量很接近的能级 这样一组密集的能级看上去象一条带子 所以被称之为能带 能带之间的间隙叫做禁带 未被电子填满的能带称为导带 已被电子填满的能带称为满带 导体 半导体 绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明 图1 3 3 1 3固体的能带理论 15 图1 3 3 1 3固体的能带理论 16 1 4半导体的导电特性 半导体之所以得到广泛的应用 是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能 1 4 1导电能力随温度灵敏变化导体 绝缘体的电阻率随温度变化很小 导体温度每升高一度 电组率大约升高0 4 而半导体则不一样 温度每升高或降低1度 其电阻就变化百分之几 甚至几十 当温度变化几十度时 电阻变化几十 几万倍 而温度为绝对零度 273 时 则成为绝缘体 1 4 2导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时 它们的导电能力就会变得很强 没有光线时 它的导电能力又会变得很弱 1 4 3杂质的显著影响在纯净的半导体材料中 适当掺入微量杂质 导电能力会有上百万的增加 这是最特殊的独特性能 1 4 4其他特性温差电效应 霍尔效应 发光效应 光伏效应 激光性能等 17 1 5半导体的纯度 半导体有如此之多的独特性能 是建立在半导体材料本身纯度很高的基础上的 半导体的纯度常用几个 9 来表示 比如硅材料的纯度达到6个 9 就是说硅的纯度达到99 9999 其余0 0001 即10 6 为杂质总含量 半导体材料中的杂质含量 通常还以 PPb 与 PPm 来表示 一个PPb就是十亿分之一 10 9 一个 PPm 就是百万分之一 10 6 几种纯度表示法的相互关系如表1 2所列 表1 2 18 1 6半导体的导电原理 1 6 1半导体中的 电子 和 空穴 本征半导体纯净的半导体 在不受外界作用时 导电能力很差 而在一定的温度或光照等作用下 晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子 同时形成一个电子空位 称之为 空穴 从能带图上看 就是电子离开了价带跃迁到导带 从而在价带中留下了空穴 产生了一对电子和空穴 如图1 6 1所示 通常将这种只含有 电子空穴对 的半导体称为本征半导体 本征 指只涉及半导体本身的特性 半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的 因此 电子和空穴被统称为载流子 19 1 6半导体的导电原理 图1 6 1 20 1 6半导体的导电原理 1 6 2产生和复合由于热或光激发而成对地产生电子空穴对 这种过程称为 产生 空穴是共价键上的空位 自由电子在运动中与空穴相遇时 自由电子就可能回到价键的空位上来 而同时消失了一对电子和空穴 这就是 复合 在一定温度下 又没有光照射等外界影响时 产生和复合的载流子数相等 半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡 此时 电子和空穴的浓度保持稳定不变 但是产生和复合仍在持续的发生 1 6 3杂质和杂质半导体纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子 那么 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子 对硅的导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子 还有些杂质如金 铜 镍 锰 铁等 在硅中起着复合中心的作用 影响寿命 产生缺陷 有着许多有害的作用 21 1 6半导体的导电原理 1 6 3 1N型半导体磷 P 锑 sb 等五族元素原子的最外层有五个电子 它在硅中是处于替位式状态 占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置 如图1 6 2 磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键 另一个不在价键上 成为自由电子 失去电子的磷原子是一个带正电的正离子 没有产生相应的空穴 正离子处于晶格位置上 不能自由运动 它不是载流子 因此 掺入磷的半导体起导电作用的 主要是磷所提供的自由电子 这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体 简称N型半导体 图1 6 3表示N型半导体材料的能带图 而为半导体材料提供一个自由电子的v族杂质原子 通常称为施主杂质 22 1 6半导体的导电原理 23 1 6半导体的导电原理 图1 6 3 24 1 6半导体的导电原理 1 6 3 2P型半导体硼 B 铝 AL 镓 GA 等三族元素原子的最外层有三个电子 它在硅中也是处于替位式状态 如图1 6 4所示 硼原子最外层只有三个电子参加共价键 在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补这个空位 就在这个邻近价键上形成了一个新的空位 这就是 空穴 硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子 它不能移动 不是载流子 因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子 这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体 简称P型半导体 图1 6 5表示P型半导体材料的能带图 为半导体材料提供一个空穴的 族杂质原子 通常称之为受主杂质 25 1 6半导体的导电原理 图1 6 4 26 1 6半导体的导电原理 图1 6 5 27 1 7补偿 实际 一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质 常常同时含有施主和受主杂质 此时 施主杂质所提供的电子会通过 复合 而与受主杂质所提供的电子相抵消 使总的载流子数目减少 这种现象就成为 补偿 在有补偿的情况下 决定导电能力的是施主和受主浓度之差 若施主和受主杂质浓度近似相等时 通过复合会几乎完全补偿 这时半导体中的载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由电子和空穴的浓度 这种情况的半导体称之为补偿型本征半导体 在半导体器件产生过程中 实际上就是依据补偿作用 通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件 28 1 8少数载流子和多数载流子 在掺有杂质的半导体中 新产生的载流子数量远远超过原来未掺入杂质前载流子的数量 半导体的导电性质主要由占大多数的新产生的载流子来决定 所以 在P型半导体中 空穴是多数载流子 而电子是少数载流子 在N型半导体中 电子是多数载流子 空穴是少数载流子 掺入的杂质越多 多载流子的浓度 单位体积内载流子的数目 越大 则半导体的电阻率越低 它的导电能力越强 29 1 9平衡载流子和非平衡载流子 一块半导体材料处于某一均匀的温度中 且不受光照等外界因素的作用 即这块半导体处于平衡状态 此时半导体中的载流子称为平衡态载流子 半导体一旦受到外界因素作用 如光照 电流注入或其它能量传递形式 时 它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度 半导体就从平衡状态变为非平衡状态 人们把处于非平衡状态时 比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流子 30 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后 非平衡载流子不会永久地存在下去 但也不是一下全部都消失掉 而是随着时间逐渐减少消失的 他们的存在时间有些长些 有些短些 有一个平均的存在时间 这就是我们所说的 非平衡载流子的寿命 半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因 非平衡载流子也就是由于外界因素引起产生的电子 空穴对复合的主要方式有三种 直接复合 间接复合和表面复合 31 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 1 10 1直接复合电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合 复合的过程在是电子直接在能带间跃进 中间无须经过任何间接过程 这种复合称为直接复合 一般的杂质半导体寿命是和多数载流子的密度成反比的 或者说半导体的电阻率越低 则寿命越短 电阻率越低 多数载流子浓度越高 这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合 所以寿命就越短 图1 10 1 32 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 1 10 2间接复合某些杂质元素即使是很少量地存在于半导体材料中便对材料的寿命数值有决定性的影响 晶体中的缺陷也有类似的作用 这说明晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用 这种复合与直接复合不同 它是通过禁带中某些杂质 缺陷 能级做为 跳板 来完成的 靠禁带中的杂质 缺陷 能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合 那些起复合作用的杂质 缺陷 能级被称为复合中心 复合中心是不断地起着复合作用 而不是起了一次复合作用就停止了 通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多 这是因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少 相当于分阶段放出能量 所以容易得多 因而间接复合过程大多情况下决定着半导体材料得寿命值 33 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 图1 10 2 直接复合和间接复合都是在半导体内部完成得 所以也称为 体内复合 34 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 1 10 3表面复合半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子 半导体表面存在着表面缺陷 这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构在表面中断 表面原子出现悬空键 或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力 造成在体内更多的缺陷和晶格畸变 这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级 表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的 实际上表面复合过程属于间接复合 此时的复合中心位于半导体材料的表面 35 1 10非平衡载流子的复合及其寿命 图1 10 3 36 1 11载流子的漂移运动和迁移率 半导体中的载流子在不停地作无规则的热运动 没有固定方向的流动 所以半导体中并不产生电流 若在半导体两端加上一个电压 即半导体处于一个电场中 载流子在电场加速作用下 获得了附加的运动 这就称之为载流子的漂移运动 实际的晶体中有杂质原子 缺陷 晶格原子也不停地振动 这些因素都使晶体中载流子的运动状态或运动方向不断发生变化 载流子运动方向不断发生变化的现象 称之为散射 由于散射的作用 漂移运动是曲折前进的运动 迁移率是衡量半导体中载流子平均漂移速度的一个重要参数 其数值等于在单位电场作用下电子和空穴的定向运动速度 因此 它反映了载流子运动的快慢程度 载流子的迁移率随着温度 掺杂浓度和缺陷浓度变化 同一种半导体材料 温度升高 迁移率下降 掺杂浓度 缺陷浓度增加 迁移率同样逐渐下降 37 1 11载流子的漂移运动和迁移率 迁移率还和载流子的有效质量有关 电子的有效质量比空穴小 所以电子的迁移率比空穴大 迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数 掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂浓度 另一方面取决于迁移率的大小 38 1 12载流子的扩散运动 扩散系数 扩散长度 向半导体中注入非平衡载流子时 注入部分的载流子密度比其它部分高 载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移 这种现象叫做载流子的扩散运动 扩散的强弱是由载流子浓度的变化决定的 浓度梯度越大 扩散也越容易 同时 扩散的强弱还与载流子的种类 运动的速度以及散射的次数等有关 我们用扩散系数来表示载流子扩散能力的强弱 非平衡载流子在扩散运动过程中不断地复合而消失 结果非平衡载流子密度由注入部分开始向密度小的方向逐渐减小 在连续注入的条件下 非平衡载流子密度由大到小形成一个稳定的分布 由注入部位到非平衡载流子密度减小到1 e数值位置之间的距离称为载流子的扩散长度 如图1 12 1所示 它也是半导体材料的重要参数之一 扩散长度可以理解为 非平衡载流子在平均寿命时间内经扩散运动所通过的距离 39 1 12载流子的扩散运动 扩散系数 扩散长度 图1 12 1 40 1 13PN结 1 13 1平衡PN结在一块完整的半导体晶体中 如果一部分是N型半导体 另一部分是P型半导体 在N型半导体中 多数载流子是电子 电子浓度远远超过少数载流子空穴的浓度 而在P型半导体中 空穴是多数载流子 空穴浓度远远超过少数载流子电子的浓度 如图1 13 1所示 图1 13 1 41 1 13PN结 在N型和P型半导体的交界面处存在有电子和空穴浓度梯度 N区中的电子就向P区渗透扩散 扩散的结果是N型区域中邻近P型区域一边的薄层内有一部分电子扩散到N型中去了 由于这个薄层失去了一些电子 在N区就形成带正电荷的区域 同样 P型区域中邻近N型区域一边的薄层内有一部分空穴扩散到N型区域一边去了 由于这个薄层失去了一空穴 在P区就形成了带负电荷的区域 这样在N型区和P型区交界面的两侧形成了带正 负电荷的区域 叫做空间电荷区 如图1 13 2 42 1 13PN结 空间电荷区中的正负电荷间形成电场 电场的方向是由N型区域指向P型区域 这个由于载流子浓度不均匀而引起扩散运动后形成的电场称为自建电场 我们知道 载流子在电场作用下 会产生漂移运动 自建电场将N区向P区扩散的电子接回到N区 把P区向N区扩散的空穴接回到P区 由此可见 在空间电荷区内 自建电场引起电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向正好相反 开始时 电子和空穴的扩散占优势 随着电子和空穴的不断扩散 空间电荷的数量不断增强自建电场也越来越强 直到载流子的漂移运动和扩散运动相抵消时 即大小相等 方向相反 这时 N型区域内的电子和P型区域的空穴不再减少 空间电荷区也不再加厚 达到了动态平衡 空间电荷区也叫阻挡层 意思是阻止电子和空穴的继续扩散 就是我们通常讲的PN结 PN结时许多半导体组件的核心 PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点 如 存在两种载流子 载流子有漂移扩散和产生 复合等基本运动的形成 所以 P N结是半导体组件入门的基础 43 1 13PN结 1 13 2P N结的整流现象当P N结正向连接时 即P型半导体区域接到电池的正极 N型半导体区域接到电池的负端 P N结正向电阻很小 通过P N结的正向电流很大 这是由于外加电池再P N结中所产生的电场方向相反 阻挡层厚度减小 P区的空穴和N区的电子再这个外加的电场的吸引下不断地流过交界处 使它的电阻大大降低电流很容易通过 若外加电压继续上升 则自建电场被减弱和抵消 所以正向电流随着外加正向电压的增加而逐渐上升 当P N结反向连接时 P区接电池负端 N区接电池正端 P N结呈现很大的电阻 通过P N结中的电流很小 这是由于外加电池在P N结中所产生的电场方向用P N结自建电场方向相同 阻挡层变厚 加强了电场阻止电子和空穴流通的作用 电阻大大增强 电流很难流过 这就是方向连接的电流很小的原因 44 1 14硅的物理性质和常数 45 1 15硅的主要化学性质 硅在高温下能与氯 氧 水蒸气等作用 生成四氯化硅 二氧化硅 硅不溶于HCl H2SO4 HNO3以及王水 3HCL 1HNO3 硅与HF可以发生反应 但反应速度比较缓慢 硅和硝酸 氢氟酸的混合液起作用 46 1 15硅的主要化学性质 它利用浓HNO3的强氧化作用 使硅表面生成一层SiO2 另一方面利用HF的络合作用 HF酸能与SiO2反应生成可溶性的六氟硅酸络合物H2 SiF6 硅能与碱相互作用生成相应的硅酸盐 硅能与Cu 2 Pb 2 Ag Hg 2等金属离子发生置换反应 硅能溶解在熔融的铝 金 银 锡 铅等金属之中 形成合金 硅和这些金属的量可在一定范围内变化 在高温下硅与镁 钙 铜 铁 铂