第一章半导体物理基础ppt课件

1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计第 1 章 半导体物理根底主要内容主要内容l1.1 硅资料浅谈l1.2 半导体的构成与能带l1.3 本征半导体l1.4 杂质半导体l1.5 费米能级和载流子浓度统计分布l1.6 半导体的导电性l1.7 非平衡载流子固体资料：超导体固体资料：超导体: 大于大于106(cm)-1 导导 体体: 106104(cm)-1 半导体半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体半导体半导体掺入某些元素的微量原子能灵敏改动其导电性。掺入某些元素的微量原子能灵敏改动其导电性。温度温度 、光照、压力等外界要

2、素会使其导电才干改动。、光照、压力等外界要素会使其导电才干改动。1.1 硅资料浅谈硅资料浅谈硅的原子最外层有四个电子，每个原子和临近的四个硅的原子最外层有四个电子，每个原子和临近的四个原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子可以看成是四面体的中心金刚石构造。可以看成是四面体的中心金刚石构造。金刚石构造金刚石构造1.1.1 重要的半导体资料重要的半导体资料硅硅用扫描隧道显微镜察看到的硅晶体外表的原子陈列 硅资料是当代电子工业中运用最多的半导体资料，它还是目前可获得的纯度最高的资料之一，其实验室纯度可达12 个“9的本征级，工业化大消费也能到达7

3、11个“9的高纯度。 1.1.2 硅资料的分类硅资料的分类1 1、按形状分：、按形状分：薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所用薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所用的硅资料很少。的硅资料很少。体资料块状硅：通常以硅片方式出现体资料块状硅：通常以硅片方式出现单晶硅片晶圓单晶硅片晶圓2 2、按纯度分：、按纯度分：名称名称英文缩写英文缩写杂质总含量杂质总含量主要用途主要用途合金级硅合金级硅AG-Si1N炼合金炼合金冶金级硅冶金级硅MG-Si2N炼合金及化工等炼合金及化工等太阳级硅太阳级硅SOG-Si6N太阳能电池等太阳能电池等半导体级硅半导体级硅（电子级）（电子级）SEG-Si（

4、EG-Si）9N半导体芯片等半导体芯片等随着纯度上升，本钱呈指数上升随着纯度上升，本钱呈指数上升3 3、按构造分：、按构造分：单晶硅：一切的硅原子按一定规律整齐陈列，构造完全单晶硅：一切的硅原子按一定规律整齐陈列，构造完全是金刚石型的。长程有序是金刚石型的。长程有序多晶硅：有众多小晶粒，陈列方向不同。多晶硅：有众多小晶粒，陈列方向不同。非晶硅：短程有序，长程无序非晶硅：短程有序，长程无序各种硅资料的电子迁移率各种硅资料的电子迁移率单晶硅锭单晶硅锭(片片)、多晶硅锭、多晶硅锭(片片)上述上述3 3种分类普通要综合，例如：种分类普通要综合，例如：非晶硅薄膜非晶硅薄膜多晶硅薄膜多晶硅薄膜单晶硅锭片单

5、晶硅锭片多晶硅锭片多晶硅锭片 半导体级的硅才干制成单晶硅，太阳级硅半导体级的硅才干制成单晶硅，太阳级硅那么只能制成多晶硅锭，非晶硅普通以薄膜方那么只能制成多晶硅锭，非晶硅普通以薄膜方式出现。式出现。 1.1.3 硅资料的制备硅资料的制备 由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很艰苦的影响，所由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很艰苦的影响，所以工业消费要求运用高纯硅，以满足器件质量的需求。以工业消费要求运用高纯硅，以满足器件质量的需求。在硅资料的提纯工艺流程中，普通说来，化学提纯在先在硅资料的提纯工艺流程中，普通说来，化学提纯在先， 物理提纯在后。缘由是：一方面化学提纯可以从低纯物理提纯在后。缘由是：一方面

6、化学提纯可以从低纯度的原料开场，而物理提纯必需使器具有较高纯度的原度的原料开场，而物理提纯必需使器具有较高纯度的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染，而料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染，而物理提纯那么没有这些污染。物理提纯那么没有这些污染。概略由硅石概略由硅石粗硅粗硅高纯多晶硅纯度在高纯多晶硅纯度在99.9999999以上以上单晶硅单晶硅1 1 粗硅的制备粗硅的制备粗硅又称工业硅或结晶硅冶金级硅，纯度在粗硅又称工业硅或结晶硅冶金级硅，纯度在9595 9999。这种硅是石英砂在电炉中用碳复原方法冶。这种硅是石英砂在电炉中用碳复原方法冶炼而成的。炼而成的。反响要点：高温反响要

7、点：高温16001600 18001800缘由：缘由：SiO2(s)SiO2(s)十十2C(s)2C(s)Si(s)Si(s)十十2CO(g) 2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有粗硅中杂质多，主要有FeFe、AlAl、C C、B B、P P、Cu Cu 等，等，其中其中Fe Fe 含量最多。可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需含量最多。可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯。进一步提纯。2 2 多晶硅的制备多晶硅的制备由粗硅合成由粗硅合成SiHCl3 SiHCl3 改良西门子法或改良西门子法或SiCl4SiCl4或或SiH4SiH4中中间体，精馏提纯后，用氢气复原或热分解而制得多晶硅间体，精馏提纯

8、后，用氢气复原或热分解而制得多晶硅三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的主要方法主要方法SiHCl3SiHCl3的制备多用粗硅与枯燥氯化氢在的制备多用粗硅与枯燥氯化氢在200200以上反响以上反响 SiSi十十3HCl=SiHCl3+H2 3HCl=SiHCl3+H2 除生成除生成SiHCl3SiHCl3外，还能够生成外，还能够生成SiH4SiH4、SiH3ClSiH3Cl、SiH2Cl2SiH2Cl2、SiCl4SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反响是等各种氯化硅烷，其中主要的副反响是2Si2Si十十7HCl7HClSiHCl3S

9、iHCl3十十SiCl4SiCl4十十3H23H2 SiHCl3性质又称硅氯仿，构造与SiCl4类似，为四面体型。SiHCl3稳定性稍差，易水解SiHCl3十2H2O=SiO2十3HCl十H2留意要点(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或银粉作为催化剂(2)反响放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率(3)须严厉控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管道造引起事故。而氧气那么会与SiHCl3或H2反响，引起熄灭或爆炸SiHCl3的提纯的提纯精馏利用杂质和精馏利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分别提纯沸点不同用精馏的方法分别提纯多晶硅的制备多晶硅的制备精

10、馏提纯后的精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气复原得到多晶硅用高纯氢气复原得到多晶硅SiHCl3十十H2=Si十十3HCl 上述反响是生成上述反响是生成SiHCl3的逆反响。反响得到的多晶硅还的逆反响。反响得到的多晶硅还不能直接用于消费电子元器件，必需将它制成单晶体并在单晶不能直接用于消费电子元器件，必需将它制成单晶体并在单晶生长过程中生长过程中“掺杂，以获得特定性能的半导体。掺杂，以获得特定性能的半导体。3 3、单晶硅的制备、单晶硅的制备 多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方面是晶化让硅原子排成金刚石构造，另一方面也有提纯面是晶化让硅

11、原子排成金刚石构造，另一方面也有提纯作用分凝效应。作用分凝效应。区熔区熔(FZ) (FZ) 法法直拉法直拉法(CZ) (CZ) ：将多晶硅融解：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种渐渐拉出单晶后，再利用硅晶种渐渐拉出单晶硅晶棒。一支硅晶棒。一支8585公分长，重公分长，重76.676.6公斤的公斤的 8 8寸寸 硅晶棒，约需硅晶棒，约需 2 2天半时间长成。天半时间长成。 区熔单晶硅区熔单晶硅(FZ-Si) (FZ-Si) 主要用于制造电力电子器件主要用于制造电力电子器件(SR(SR、SCRSCR、GTOGTO等等) )、射线探测器、高压大功率晶体管等；直、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉单晶硅

12、拉单晶硅(CZ- Si) (CZ- Si) 主要用于制造主要用于制造LSILSI、晶体管、传感器及硅、晶体管、传感器及硅光电池等。光电池等。 浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池等。等。1.1.4 多晶硅资料相关产业链产品多晶硅资料相关产业链产品 半导体硅系列产品和设备产业链半导体硅系列产品和设备产业链太阳能光伏系列产品和设备产业链太阳能光伏系列产品和设备产业链 多晶硅副产物系列产品和设备产业链多晶硅副产物系列产品和设备产业链 1.2 半导体的构成与能带半导体的构成与能带1.2.1 原子能级与晶体能带1、原子结合成晶体前 电子在各自的

13、轨道上做圆周运动，每一壳层对应相应的能量。 2、构成晶体后3S2P电子共有化运动电子共有化运动能带的构成能带的构成禁带禁带禁带禁带允带允带允带允带允带允带 原子能级原子能级 能带能带电子分布原那么：电子分布原那么：1、能量最低原理、能量最低原理 2、泡利不相容原理、泡利不相容原理N个原子，能级N度简并。1.2.2 导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带

14、底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差晶体能带构造晶体能带构造导带底导带底EC: 导带中能量最低的能级导带中能量最低的能级价带顶价带顶EV：价带中能量最高的能级价带中能量最高的能级禁带宽度禁带宽度Eg:导带底与价带顶的能量差导带底与价带顶的能量差 Eg = EC - EV导带导带禁带禁带价带价带电子能量电子能量导带底导带底 Ec价带顶价带顶 Ev空穴能量空穴能量Eg (禁带宽度禁带宽度)绝缘体、半导体和导体的能带表示图绝缘体、半导体和导体的能带表示图传导电流的条件：存在使电子运动形状改动的外界作用； 电子能量添加后要进入的新能级必需是空的1.3 1.3 本征半导体本征半导体1.

15、3.1 1.3.1 本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构1、本征半导体的定义、本征半导体的定义intrisic) 没有掺杂的半导体没有掺杂的半导体 Si、Ge: 正四面体正四面体 共价键晶体共价键晶体 共价键共价键+共价键共价键共价键中共价键中的电子的电子原子核原子核2、本征半导体的能带、本征半导体的能带特点：禁带中无能级特点：禁带中无能级半导体中的载流子：可以导电的自在粒子半导体中的载流子：可以导电的自在粒子3、本征半导体的导电机构、本征半导体的导电机构电子：电子：Electron，带负电的，带负电的导电载流子，是价导电载流子，是价电子脱离原子束缚电子脱离原子束缚 后构成的自在电子，后构

16、成的自在电子，对应于导带中的电对应于导带中的电子子空穴：空穴：Hole，带正电的导电，带正电的导电载流子，是价电子载流子，是价电子脱离原子束缚脱离原子束缚 后构后构成的电子空位，对成的电子空位，对应于价带中的电子应于价带中的电子空位空位二种导电机构：二种导电机构： 电子与空穴电子与空穴本征载流子浓度：本征载流子浓度： n0=p0=ni n0p0=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关1.3.2 本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子本征激发：产生与复合本征激发：产生与复合载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空

17、穴穴 浓浓 度度 p硅硅:锗：锗：1031.5 10 (300)incmTK13310 (300)incmTK1.4.1 施主杂质和受主杂质施主杂质和受主杂质 donor accepter 1. 4、杂质半导体、杂质半导体半导体坚持电中性半导体坚持电中性1.4.2 N型半导体型半导体 和和 P型半导体型半导体 施主能级和施主电离施主能级和施主电离 受主能级和受主电离受主能级和受主电离DEgEgECECEVEVEDEAEAE1.4.3 深能级杂质深能级杂质 1.5 1.5 费米能级和载流子浓度统计分布费米能级和载流子浓度统计分布1. 5.1 费米费米荻拉克分布函数荻拉克分布函数1.5.2 波尔兹

18、曼分布波尔兹曼分布 其中其中 ()/1( )1FE EkTf Ee/EkTFAe()/( )E EkTFE kTBfEeAe费米分布函数与温度关费米分布函数与温度关系曲线系曲线A、B、C、D分别是分别是0、300、1000、1500K时的时的f(E)曲线曲线1.5.3 能级能级E被空穴占据的几率为：被空穴占据的几率为：()/()/1( )1FFE EkTE EkTef Ee()/1( )FE EkTf Ee1.5.4 半导体中的费米能级半导体中的费米能级EF电子填充能量程度的高低电子填充能量程度的高低本征半导体费米能级本征半导体费米能级Ei位于禁带中央位于禁带中央本征半导体P型半导体N型半导体

19、EFEiEFEFEiEiEVEcEVEcEVEc2CViEEE费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化1.5.5半导体中载流子浓度半导体中载流子浓度1、热平衡、热平衡2、平衡载流子浓度、平衡载流子浓度00CFiFFViFEEEEkTkTCiEEEEkTkTVinN enepN epe3、载流子浓度乘积、载流子浓度乘积4、本征半导体中载流子浓度、本征半导体中载流子浓度2gEkTiCVnN N e普通取:310105 . 1cmni319108 . 2cmNC1931.04 10VNcmevEg12. 1Si : 300K热平衡方程200( )inp

20、n T热平衡方程热平衡方程对于特定的半导体资料，热平衡形状下 np 是一个与温度有关的常数5、 杂质半导体杂质半导体00ADnNNpADNNn0DANNp0N型型p小忽略小忽略P型型n小忽略小忽略l例题例题1.1 分别计算掺有施主杂质浓度分别计算掺有施主杂质浓度 的的N型硅和掺有受主杂质浓度型硅和掺有受主杂质浓度 的的P型硅的费型硅的费米能级以本征费米能级为参考能级。米能级以本征费米能级为参考能级。l解：解： eVnpkTEEeVnnkTEEioFiioiF349. 0105 . 110ln026. 0ln289. 0105 . 110ln026. 0ln1016101531510cmND31

21、610cmNAl例题例题1.2 知某掺杂硅的费米能级比本征费米能级高知某掺杂硅的费米能级比本征费米能级高0.26eV,试估算其导带电子浓度和价带空穴浓度。试估算其导带电子浓度和价带空穴浓度。l解：解： 知知 l导带电子浓度导带电子浓度l l价带空穴浓度价带空穴浓度310105 . 1cmnieVEEiF26. 0eVkT026. 0314026. 026. 010103 . 3105 . 1cmeennkTEEioiF35026. 026. 010108 . 6105 . 1cmeenpkTEEioFil例题例题1.3 在硅中掺入硼、磷、镓的浓度依次为在硅中掺入硼、磷、镓的浓度依次为l ,l问

22、该资料是问该资料是N型半导体，还是型半导体，还是P型半导体？导带电型半导体？导带电子浓度和价带空穴浓度各为多少？子浓度和价带空穴浓度各为多少？l解：解： l多数载流子浓度多数载流子浓度l少数载流子浓度少数载流子浓度l作业：作业：P29 1.2315316316101010cmcmcm、DAANNN213152110cmNNNpDAAo31515210201025. 210105 . 1cmpnnoi1.6、半导体的导电性、半导体的导电性1.6.1 1.6.1 载流子的漂移运动载流子的漂移运动 一、漂移运动一、漂移运动 电场力作用电场力作用载流子沿电场载流子沿电场力力的方向漂移的方向漂移晶格、电

23、离杂质散射晶格、电离杂质散射dnndppEE 电子漂移速度 空穴漂移速度 1.6、半导体的导电性、半导体的导电性二、迁移率 :电子在单位电场作用下的漂移速度单位：cm 2/V.snnvvEE 硅硅锗锗砷化镓砷化镓n (cm2/V.s)039008500p (cm2/V.s)48019004001.6、半导体的导电性、半导体的导电性迁移率 :1.6、半导体的导电性、半导体的导电性三、漂移电流密度 :nnJnqnqEE 1.6、半导体的导电性、半导体的导电性1.6.2 半导体的电导率半导体的电导率 N型半导体：型半导体： N qnn = qNDn P型半导体：型半导体： P qpp = qNAp1npnqpq1.6.3 方块电阻方块电阻1.7 非平衡载流子非平衡载流子l1.7.1非平衡载流子的含义l1.7.2非平衡载流子的复合l一、定义l复合几率rl复合率Rl产生率G l直接复合l间接复合l复合中心n =