2半导体材料特性(自学为主)

1、第二章 半导体材料特性半导体制造技术半导体制造技术课程大纲课程大纲描述原子，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局部，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，并能详细表达这些参数于晶圆制造时之重要性。表达纯硅，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参加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)，描述参加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

2、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-Na 11鈉原子鈉原子氯原子氯原子Cl 17-固体能带宽度半导体导带价带电子能量 导带价带绝缘体 电子能量 导带价带导电需要小的重叠能带导体 电子能量 圖 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。7NaClNa+ 当一个原子失去一个电子时形成一个阳离子Na 11-Cl 当一个原子得到一个电子时形成一个阴离子Cl 17-圖 周期表 常用元素特性 离子键 共价键9元素週期表圖 Rf104Ha105Sg106Uns1

3、07Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH1 1.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912 24.312MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71

4、Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Phosphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxygen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026

5、Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46 106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Ti

6、n118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Le

7、ad207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium 210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium16

8、7.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat- inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257过渡金属

9、NonmetalsMetalloids(semimetals) 镧系元素镧系元素锕系元素锕系元素元素周期表的元素框C612.011152.035703470 s. 0.77原子量电负性符号酸碱性 原子序数 熔点 ()*沸点 () 原子半径 ()*基于碳12. () 表示大部分稳态或同位素。 s.表示升华。 氧化物之区分，若为红色则为酸性，若为蓝色则为碱性，且颜色之深浅代表酸碱性之强弱。此外，若同时显示两色，则表示具备两种特性。 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

10、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。Cl-Na+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Cl 17H 1氢原子氯原子H + Cl HCl2个原子共用一个电子，形成共价键材料分类 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

11、表示。这两个参数只与材料本身相关。 C = 1 / 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。它们出现在元素周期表中处于同一列。 17铜原子铜原子 价键环中的一个电子价键环中的一个电子Cu 29KLMN铜(Cu)中的自由电子流 层KLMN总计总计每层允许的最大电子数281832 60每层实际电子数28181 2918线的尺寸如何影响电阻 高电阻高电阻低电阻低电阻 LAR = 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。

12、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。水中参加杂质以增加其导电性 在水中，由食用盐的钠和氯离子提供电流通路e-e-e-e-6 Volt電池電池Na+Cl-H2O 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。根本的电容器结构K = 介电常数 (F/cm)A = 极板面积 (cm2)S = 极板之间距离 (cm) KASC =电容公式电容公式导体(金属板)导体(金属板)介质 (玻璃)导线连接导线连接电容器的符号

13、电池对电容器的充电 1.5 V开关 带正电极板带负电极板静电场 e-e-e-e-e-1.5 V電池电容器保存电荷 带负电极板静电场 1.5 V带正电极板 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，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 半导体半导体IVA族 C，碳6Si，硅14Ge，锗32Sn，锡50Pb，铅82 4A族元素半导体 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiS

14、iSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子分享共价电子，形成类似绝缘体的键 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，防止漏电二氧化硅 (SiO2)硅晶片硅晶片上的SiO2 半导体材料在其本征状态是不能用于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材料中。这些元素可以提高本征半导体的导电性。导电性。

15、掺杂是通过参加某种元素到纯硅中以明显掺杂是通过参加某种元素到纯硅中以明显增加半导体导电性的过程。增加半导体导电性的过程。 掺杂时参加的元素称为掺杂剂或杂质。掺杂时参加的元素称为掺杂剂或杂质。 掺杂硅：又称非本征硅。掺杂硅：又称非本征硅。 掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们是固态器件的根底。这两种特性是：是固态器件的根底。这两种特性是： 1通过掺杂精确控制电阻率；通过掺杂精确控制电阻率； 2电子和空穴导电。电子和空穴导电。硅的掺杂 PSiSiSiSiSiSiPPPP掺杂剂滴头硅片掺杂层掺杂原子扩散进硅中淀积步骤推进与扩散步骤硅片衬底激活步骤 把在半导体材料中

16、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)。III族 (p型) 硼硼 5铝 13镓 31铟 49Group IV 碳 6硅硅 14锗 32锡 50V族族 (n-型型)氮 7磷磷 15砷砷 33锑锑51受主杂质受主杂质施主杂质施主杂质半导体半导体* 带下划线的元素是硅集成电路中最常用到的 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：图中有两条曲线：N型与型与P型。这是因为在型。这是因为在材料中移动一个电子或空穴所需的能量是材料中移动一个电子或空穴所需的能量是不同的

17、移动一个电子比移动一个空穴所不同的移动一个电子比移动一个空穴所需的能量要小需的能量要小 。如下图，在硅中要到达。如下图，在硅中要到达指定的电阻率，指定的电阻率，N 型所需掺杂的浓度要比型所需掺杂的浓度要比 P 型小。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，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一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.51010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个浓度根本上依次相差以上三

18、个浓度根本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3N型半导体 为理解为理解N型半导体，下面以型半导体，下面以 N型硅型硅 为例。为例。如以下图所示，将很少量的砷如以下图所示，将很少量的砷As掺入掺入硅硅Si中。假定混合后每一个砷原子也中。假定混合后每一个砷原子也被硅原子所包围。被硅原子所包围。 原子试图通过在外层有8个电子来到达稳定。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

19、传导电子。n型硅中的自由电子流 自由电子流向正极自由电子流向正极 电源正极 电子流动电源负极电源负极 P型半导体 P型半导体与型半导体与N型半导体类似。下面以型半导体类似。下面以 P型硅型硅 为例。我们使用来自元素周期表中为例。我们使用来自元素周期表中第第III族的硼族的硼B来形成来形成 P型硅。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

20、未填充的位置，充的空穴，从而留下一个未填充的位置，也就是另一个空穴。看起了就好似是空穴也就是另一个空穴。看起了就好似是空穴在移动。在移动。 空穴是空穴是P型硅中的主要载流子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(