半导体材料特性自学为主

第二章半导体材料特性,半导体制造技术,课程大纲,描述原子，包含其价电壳、能带理论与离子。解释周期表关于主族元素的部分，同时说明离子键与共价键如何形成。由电流之流动观点说明材料之3大分类。解释电阻率、电阻与电容，并能详细叙述这些参数于晶圆制造时之重要性。叙述纯硅，同时说明为何其能成为最重要半导体材料之4项原因。解释掺杂并且说明为何加入3价与5价掺质可使得硅成为有用之半导体材料。讨论p型硅(受体)与n型硅(施体)，描述加入掺质如何改变其电阻率并解释pn接面。讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料。,原子结构,原子：包含中子、带正电荷的质子和带负电荷的电子元素：同种原子构成的最简单的物质，具有特定的物理和化学性质电子电子能级价电子层固体能带理论离子,钠和氯原子的电子壳层,固体能带宽度,圖2.4,禁带,禁带,离子：当一个原子失去或得到一个或多个电子时成为离子。带上相反电荷的离子相互吸引，能够构成化学键形成离子化合物。,7,NaCl,圖2.5,周期表,常用元素特性离子键共价键,9,元素週期表,圖2.6,元素周期表的元素框,在任何原子中都有数量相等的质子和电子。任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。有相同最外层电子数的元素有着相似的性质。最外层被填满或者拥有8个电子的元素是稳定的，这些原子在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定。原子会试图与其他原子结合，而形成稳定的条件各轨道被填满或者最外层有8个电子。,离子键：当价电层的电子从一种元素的原子转移到另一种原子上时就形成了离子键。,氯化钠的离子键,共价键：不同元素原子通过共有电子来使价电层完全填充而变得稳定。,氯化氢的共价键,材料分类,导体：电子容易以电流方式通过的材料绝缘体：对电流通过具有很高阻值的材料半导体：既能充当导体也能充当绝缘体,材料传导电流的性质称为导电性。材料的导电性通常用电导率或是电阻率表示。这两个参数只与材料本身相关。C=1/C=电导率；=电阻率，以欧姆厘米(cm)表示,三种最好的电导体分别为铜、银、金它们出现在元素周期表中处于同一列。,17,铜原子,铜(Cu)中的自由电子流,18,线的尺寸如何影响电阻,绝缘体：有很高的禁带宽度来分隔开价带电子和导带电子。日常生活中的绝缘体有橡胶、塑料和陶瓷等。绝缘体的电导率可以通过掺入杂质而增加，如在水中加盐。半导体制造中得绝缘体包括二氧化硅和氮化硅等。,水中加入杂质以增加其导电性,电容：电容是把电荷存储在被电介质分隔开的两个导电极板上的存储装置。单位是法拉。集成电路中常用单位是pF或是fF。在半导体电路中，MOS结构、不同的金属层之间都会形成电容。,基本的电容器结构,K=介电常数(F/cm)A=极板面积(cm2)S=极板之间距离(cm),电池对电容器的充电,电容器保存电荷,低k介电材料,金属2介质材料*金属1,电容,*低k介质减小金属层间的电容,半导体：具有较小的禁带宽度（Si为1.1eV），其值介于绝缘体与导体之间。半导体制造中最重要的半导体材料是硅。锗材料与化合物半导体砷化镓也被用来制造集成电路。,硅,纯硅为何采用硅？掺杂硅掺杂剂材料n型硅p型硅掺杂硅的电阻率Pn结,4A族元素半导体,硅的共价键,为什么硅能成为主要的半导体材料？硅的丰裕度更高的熔化温度允许更宽的工艺容限更宽的工作温度范围氧化硅的自然生产（稳定的绝缘层，保护硅不受沾污，避免漏电）,硅晶片上的SiO2,半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。但是通过一种叫做掺杂的工艺，可以把特定的元素引入到本征半导体材料中。这些元素可以提高本征半导体的导电性。掺杂是通过加入某种元素到纯硅中以明显增加半导体导电性的过程。掺杂时加入的元素称为掺杂剂或杂质。掺杂硅：又称非本征硅。,掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们是固态器件的基础。这两种特性是：（1）通过掺杂精确控制电阻率；（2）电子和空穴导电。,硅的掺杂,把在半导体材料中形成P型导电的掺杂剂叫做受主(acceptor)。在半导体材料中形成N型导电的掺杂剂叫做施主(donor)。,硅掺杂材料,掺杂硅的电阻率与掺杂程度的关系（把材料中的电子或空穴叫做载流子。纵坐标为载流子浓度。）,图中有两条曲线：N型与P型。这是因为在材料中移动一个电子或空穴所需的能量是不同的（移动一个电子比移动一个空穴所需的能量要小）。如图所示，在硅中要达到指定的电阻率，N型所需掺杂的浓度要比P型小。,杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,N型半导体,为理解N型半导体，下面以N型硅为例。如下图所示，将很少量的砷（As）掺入硅（Si）中。假定混合后每一个砷原子也被硅原子所包围。,原子试图通过在外层有8个电子来达到稳定。这时，砷原子表现为与其邻近的硅原子共享4个电子。但是，砷来自第V族，外层有5个电子，直接的结果是其中的4个电子与硅中的电子配对，最后一个留下来。这一个电子可以作为传导电子。,n型硅中的自由电子流,P型半导体,P型半导体与N型半导体类似。下面以P型硅为例。我们使用来自元素周期表中第III族的硼（B）来形成P型硅。,当硼混入硅中，它也与硅原子共享电子。不过，硼只有3个外层电子，所以在外层会有1个无电子填充的位置。这个未填充的位置就叫做空穴。,在掺杂的半导体材料中有很多的活动：电子和空穴不停地形成。电子会被吸人未填充的空穴，从而留下一个未填充的位置，也就是另一个空穴。看起了就好像是空穴在移动。空穴是P型硅中的主要载流子,在电路中，人们对载流子（空穴和电子）移动所需的能量和其移动的速度，都感兴趣。移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低。在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素。,对导体、绝缘体、半导体的电特性进行一个总结,化合物半导体,有很多半导体化合物由元素周期表中第族、第III族、第IV族和第VI族的元素形成。在这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、砷铝化镓(GaAlAs)和磷镓化铟(InGaP)。这些化合物有一些特定的性质。例如，当电流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极管会发出可见的激光。这些材料可用于电子面板中的发光二极管(LED)。,砷化镓,砷化镓的优点：高迁移率，速度快寄生和信号损耗小电阻率高，隔离好抗辐射性能好,砷化镓,砷化镓的缺点：缺乏天然氧化物材料的脆性镓相对匮乏，提纯能量消耗大，成本高砷的剧毒性,砷化镓,砷化镓的应用：微波二极管，耿氏二极管、变容二极管等;微波晶体管:场效应晶体管(FET).高电子迁移率晶体管(HEMT)，异质结双极型晶体管(HBT)等;集成电路:微波单片集成电路(MMIC)、超高速集成电路(VHSIC)等;红外发光二极管:(IRLED);.可见光发光二极管(LED，作衬底用);.激光二极管(LD);.光探测器;高效太阳电池;霍尔元件等,磷化铟,磷化铟的优点：1.速度快2.传输损耗小3.良好的噪声特性和温度系数特性4.较大的输出功率5.抗辐射性能好,磷化铟,磷化铟的应用：光电器件,包括光源(LED、LD)和探测器(PD、APD雪崩光电探测器)等,主要用于光纤通信系统。电子器件包括高速高频微波器件(金属绝缘场