半導(dǎo)體材料的分類_及其各自的性能

1、半導(dǎo)體材料的分類及其各自的性能一.半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體的應(yīng)用越來(lái)越廣，結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜。按照制造技術(shù)可以將半導(dǎo)體分為：集成電路器件、分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類，一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號(hào)，可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類的方法。用于制作半導(dǎo)體的材料很多，因而其分類方法比較多，一般有如下分類：按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。常用的半導(dǎo)體材料有鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等。S

2、i、Ge稱為元素半導(dǎo)體，GaAs 稱為化合物半導(dǎo)體。半導(dǎo)體還可以分為晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。其中晶態(tài)半導(dǎo)體又可以分為單晶半導(dǎo)體和多晶半導(dǎo)體。上述材料中，鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)都是單晶，是由均一的晶粒有序堆積組成；而多晶則是由很多小晶粒雜亂地堆積而成。對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體，有非晶態(tài)硅、非晶態(tài)鍺等，它們沒(méi)有規(guī)則的外形，也沒(méi)有固定熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在長(zhǎng)程有序，只是在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列，稱作短程有序。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)半導(dǎo)體材料中是否含有雜質(zhì)，又可以將半導(dǎo)體材料分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。在下面的章節(jié)中將會(huì)介紹，雜質(zhì)的存在將對(duì)材料

3、的性能產(chǎn)生很大的影響。二. 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)及其性能1.幾種半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)1.1金剛石結(jié)構(gòu)型材料Si、Ge等族元素有4個(gè)未配對(duì)的價(jià)電子，每個(gè)原子只能與周圍4個(gè)原子共價(jià)鍵合，使每個(gè)原子的最外層都成為8個(gè)電子的閉合殼層，因此共價(jià)晶體的配位數(shù)(即晶體中一個(gè)原子最近鄰的原子數(shù))只能是 4。方向性是指原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個(gè)方向就是共價(jià)鍵方向。共價(jià)鍵方向是四面體對(duì)稱的，即共價(jià)鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個(gè)頂角原子，共價(jià)鍵之間的夾角為10928，這種正四面體稱為共價(jià)四面體，見(jiàn)圖 1.2。圖中原子間的二條連線表示共有一對(duì)價(jià)電子，二條線的方向表示共價(jià)鍵方向。

4、共價(jià)四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價(jià)四面體半徑。單純依靠圖1.2那樣的一個(gè)四面體還不能表示出各個(gè)四面體之間的相互關(guān)系，為充分展示共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，圖1.3(a)畫(huà)出了由四個(gè)共價(jià)四面體所組成的一個(gè)Si、Ge晶體結(jié)構(gòu)的晶胞，統(tǒng)稱為金剛石結(jié)構(gòu)晶胞，整個(gè)Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成。它是一個(gè)正立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面心各有一個(gè)原子，內(nèi)部四條空間對(duì)角線上距頂角原子1/4對(duì)角線長(zhǎng)度處各有一個(gè)原子，金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中共有8個(gè)原子。金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看作是兩個(gè)面心立方沿空間對(duì)角線相互平移 1/4 對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成的。1.2閃鋅礦結(jié)構(gòu)該類

5、型材料主要是-族和-族二元化合物半導(dǎo)體，例如ZnS、ZnSe、GaAs、GaP。GaAs晶體中每個(gè)Ga原子和As原子共有一對(duì)價(jià)電子，形成四個(gè)共價(jià)鍵，組成共價(jià)四面體。圖1.4 為GaAs 的晶胞，閃鋅礦結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)的不同之處在于套構(gòu)成晶胞的兩個(gè)面心立方分別是由兩種不同原子組成的。在金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，正立方體晶胞的邊長(zhǎng)稱為晶格常數(shù)，通常用a表示。1.3纖鋅礦型結(jié)構(gòu)該類型材料主要是-族二元化合物半導(dǎo)體，例如ZnS、ZnSe、CdS、CdSe。1.4氯化鈉型結(jié)構(gòu)該類型材料主要是IV-族二元化合物半導(dǎo)體，例如硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等。2.半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)與能帶的形成半導(dǎo)體中的電子能量狀態(tài)和

6、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其規(guī)律決定了半導(dǎo)體的性質(zhì)容易受到外界溫度、光照、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和微量雜質(zhì)含量的作用而發(fā)生變化。半導(dǎo)體的一般能級(jí)機(jī)構(gòu)如下：由固體物理知識(shí)，我們知道：能帶的寬窄由晶體的性質(zhì)決定,與晶體中含的原子數(shù)目無(wú)關(guān),但每個(gè)能帶中所含的能級(jí)數(shù)目與晶體中的原子數(shù)有關(guān)。因此，對(duì)于每種半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)是不同的。例如：硅、鍺、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 3.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1本征半導(dǎo)體純凈的、不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一定溫度下的本征半導(dǎo)體，共價(jià)鍵上的電子可以獲得能量掙脫共價(jià)鍵的束縛從而脫離共價(jià)鍵，成為參與共有化運(yùn)動(dòng)的“自由”電子。共價(jià)鍵上的電子脫離共價(jià)鍵的束縛所需要的最低能量就是禁帶寬度。將共

7、價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子，也就是價(jià)帶電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子的過(guò)程，稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)的一個(gè)重要特征是成對(duì)的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子參與導(dǎo)電，同時(shí)價(jià)帶空穴也參與導(dǎo)電，存在著兩種荷載電流的粒子，統(tǒng)稱為載流子。一定溫度下，價(jià)帶頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此時(shí)導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當(dāng)中，在外電場(chǎng)的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。對(duì)于價(jià)帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導(dǎo)電作用，可以等效為少量空穴的導(dǎo)電作用?？昭ň哂幸韵碌奶攸c(diǎn)：(1)帶有與電子電荷量相等但符號(hào)相反的電荷；(2)空穴的濃度(即單位體積中的空穴數(shù))就是價(jià)帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空穴的

8、共有化運(yùn)動(dòng)速度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運(yùn)動(dòng)速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個(gè)正常數(shù)，它與價(jià)帶頂附近空態(tài)的電子有效質(zhì)量大小相等、符號(hào)相反。3.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)需要人為地在半導(dǎo)體中或多或少地?fù)饺肽承┨囟ǖ碾s質(zhì)。半導(dǎo)體器件和集成電路制造的基本過(guò)程之一就是控制半導(dǎo)體各部分所含的雜質(zhì)類型和數(shù)量。Si、Ge都具有金剛石結(jié)構(gòu)，一個(gè)晶胞內(nèi)含有8個(gè)原子。由于晶胞內(nèi)空間對(duì)角線上相距1/4對(duì)角線長(zhǎng)度的兩個(gè)原子為最近鄰原子，4a3恰好就是共價(jià)半徑的 2倍，因此晶胞內(nèi) 8個(gè)原子的體積與立方晶胞體積之比為34%，換言之，晶胞內(nèi)存在著66%的空隙。所以雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置

9、上，稱為間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較??；也可以取代晶格原子而位于格點(diǎn)上，稱為替（代）位式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。圖1.26是間隙式和替位式雜質(zhì)示意圖。、族元素?fù)饺胱宓腟i或Ge中形成替位式雜質(zhì)，用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來(lái)定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3。 Si半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中，最常用的雜質(zhì)是替位式族和族元素。圖1.27所示的Si中摻入V族元素磷(P)時(shí)，由于Si中每一個(gè)Si原子的最近鄰有四個(gè)Si原子，當(dāng)五個(gè)價(jià)電子的磷原子取代Si原子而位于格點(diǎn)上時(shí)，磷原子五個(gè)價(jià)電子中的四個(gè)與周圍的四個(gè)Si原子組成四個(gè)

10、共價(jià)鍵，還多出一個(gè)價(jià)電子，磷原子所在處也多余一個(gè)稱為正電中心磷離子的正電荷。多余的這個(gè)電子雖然不受共價(jià)鍵的束縛，但被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運(yùn)動(dòng)，不過(guò)這種吸引要遠(yuǎn)弱于共價(jià)鍵的束縛，只需要很小的能量就可以使其掙脫束縛(稱為電離)，形成能在整個(gè)晶體中“自由”運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電子。而正電中心磷離子被晶格所束縛，不能運(yùn)動(dòng)。由于以磷為代表的族元素在Si中能夠施放導(dǎo)電電子，稱 V族元素為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。電子脫離施主雜質(zhì)的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為施主電離，所需要的能量稱為施主雜質(zhì)電離能。其大小與半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)種類有關(guān)，但遠(yuǎn)小于Si和Ge的禁帶寬度施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后

11、稱為施主離化態(tài)。Si中摻入施主雜質(zhì)后，通過(guò)雜質(zhì)電離增加了導(dǎo)電電子數(shù)量從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，把主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)體中電子稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子；而空穴稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。圖1.27中Si摻族元素硼(B)時(shí)，硼只有三個(gè)價(jià)電子，為與周圍四個(gè)Si原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，必須從附近的Si原子共價(jià)鍵中奪取一個(gè)電子，這樣硼原子就多出一個(gè)電子，形成負(fù)電中心硼離子，同時(shí)在Si的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，這個(gè)被負(fù)電中心硼離子依靠靜電引力束縛的空穴還不是自由的，不能參加導(dǎo)電，但這種束縛作用同樣很弱，很小的能量就使其成為可以“自由”運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，而負(fù)電中心硼離子被晶格所束縛，不

12、能運(yùn)動(dòng)。由于以硼原子為代表的族元素在Si、Ge中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，稱族元素為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)?？昭⊕昝撌苤麟s質(zhì)束縛的過(guò)程稱為受主電離。而所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能。不同半導(dǎo)體和不同受主雜質(zhì)其也不相同，但通常遠(yuǎn)小于Si和Ge禁帶寬度。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為負(fù)電中心，稱為受主離化態(tài)。Si中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離增加了導(dǎo)電空穴，增強(qiáng)了半導(dǎo)體導(dǎo)電能力，把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱作p型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。表1.2列出了Si、Ge晶體中、族雜質(zhì)的電離能。摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，施主能級(jí)上的電子獲得能量后由束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電

13、子，因此施主能級(jí)位于比導(dǎo)帶底低的禁帶中，且空穴由于帶正電，能帶圖中能量自上向下是增大的。對(duì)于摻入族元素的半導(dǎo)體，被受主雜質(zhì)束縛的空穴能量狀態(tài)(稱為受主能級(jí))位于比價(jià)帶頂?shù)偷慕麕е?，?dāng)受主能級(jí)上的空穴得到能量后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。圖1.28是用能帶圖表示的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的電離過(guò)程。、族雜質(zhì)在硅和鍺中的E都很小，即施主能級(jí)距導(dǎo)帶底很近，受主能級(jí)距價(jià)帶頂很近，這樣的雜質(zhì)能級(jí)稱為淺能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)就稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。如果Si、Ge中的、族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)幾乎全部離化。通常情況下半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度不是特別高，半導(dǎo)體中雜質(zhì)分布很稀疏，因此不必考慮雜

14、質(zhì)原子間的相互作用，被雜質(zhì)原子束縛的電子(空穴)就像單個(gè)原子中的電子一樣，處在互相分離的、能量相等的雜質(zhì)能級(jí)上而不形成雜質(zhì)能帶。當(dāng)雜質(zhì)濃度很高(稱為重?fù)诫s)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)才會(huì)交疊，形成雜質(zhì)能帶。 上面討論了半導(dǎo)體中分別摻有施主或者受主雜質(zhì)的情況。如果在半導(dǎo)體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)具有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。如果用和表示ND和 NA施主和受主濃度，對(duì)于雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，如果ND大于NA，在T=0K時(shí)，電子按順序填充能量由低到高的各個(gè)能級(jí)，由于受主能級(jí)比施主能級(jí)低，電子將先填滿受主能級(jí)，然后再填充施主能級(jí)，因此施主能級(jí)上的電子濃度為ND-NA。通常當(dāng)溫度達(dá)到大約100K以上時(shí)，施主能級(jí)上的ND-NA個(gè)電子就全部被激發(fā)到導(dǎo)帶，這時(shí)導(dǎo)帶中的電子濃度n0=ND-NA，為n型半導(dǎo)體，圖1.29畫(huà)出了NDNA時(shí)的雜質(zhì)補(bǔ)償作用。類似分析不難得出當(dāng)NA大于ND時(shí)，將呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體的特性，價(jià)帶空穴濃度p0= NA - ND。如果半導(dǎo)體中NDNA，則n0=ND-NAND；如果NDNA，稱ND-NA為有效施主濃度；如果NDNA，那么稱NA - ND為有效受主濃度。半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外