現(xiàn)代電子材料與元器件31

1、第三章 半導(dǎo)體材料應(yīng)用 光電工程學(xué)院微電子教研中心 馮世娟 2 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n1 本征半導(dǎo)體 圖3.1 不同材料的能帶結(jié)構(gòu) 金剛石：5.4eV 硅：1.12eV 鍺：0.67eV 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電 機(jī)制：依靠本征激 發(fā)的等量導(dǎo)帶電子 和價(jià)帶空穴導(dǎo)電。 3 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n2 半導(dǎo)體中的雜質(zhì) qn型半導(dǎo)體 圖3.2 非本征的n型半導(dǎo)體 4 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n2 半導(dǎo)體中的雜質(zhì) qp型半導(dǎo)體 圖3.2 非本征的p型半導(dǎo)體 5 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n2 半導(dǎo)體中的雜質(zhì) q淺能級(jí)雜質(zhì) q深能級(jí)雜質(zhì) 圖3.3 半導(dǎo)體硅中金的深能級(jí) 金在導(dǎo)帶下0.

2、 54eV處 有一個(gè)受主能級(jí)，在價(jià) 帶上0.35eV處有一個(gè) 施主能級(jí)。 6 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n2 半導(dǎo)體中的雜質(zhì) p深能級(jí)雜質(zhì)大多是多重能級(jí)。它反映出雜質(zhì)可以有不同 的荷電狀態(tài)：在這兩個(gè)能級(jí)中都沒有電子填充的情況下， 金雜質(zhì)是帶正電的，當(dāng)受主能級(jí)上有一個(gè)電子而施主能 級(jí)空著時(shí)，金雜質(zhì)是中性的；當(dāng)金雜質(zhì)施主能級(jí)與受主 能級(jí)上都有一個(gè)電子的情況下，金雜質(zhì)帶負(fù)電。 p深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷在半導(dǎo)體中起著多方面的作用。例如， 它可以是有效的復(fù)合中心，使得載流子的壽命大大降低； 它可以成為非輻射復(fù)合中心，而影響發(fā)光效率；它可以 作為補(bǔ)償雜質(zhì)，而大大提高材料的電阻率。 7 3.1 半導(dǎo)體材料的物

3、理基礎(chǔ) n3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 由雜質(zhì)能級(jí)或滿帶所激發(fā)的電子，使導(dǎo)帶產(chǎn)生電子或使價(jià)帶 產(chǎn)生空穴，這些電子或空穴致使半導(dǎo)體導(dǎo)電，統(tǒng)稱為載流子。 半導(dǎo)體中電子的分布遵循費(fèi)米分布的一般規(guī)律。 ()/ ( ) F E EkT f Ee 圖3.4 費(fèi)米分布函數(shù) 滿帶中空穴的占據(jù)幾率為 ()/ 1( ) F EEkT f Ee 8 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 exp()/ CCF nNEEkT exp()/ VFV pNEEkT 電子濃度 空穴濃度 電子和空穴的濃度分別決定于費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底、費(fèi)米 能級(jí)與價(jià)帶頂?shù)木嚯x。 對于n型半導(dǎo)體，在雜質(zhì)激發(fā)的范圍，電子的數(shù)目遠(yuǎn)多于

4、空穴，因此費(fèi)米能級(jí)EF應(yīng)在禁帶的上半部，接近導(dǎo)帶。 而在p型半導(dǎo)體中，空穴的數(shù)目遠(yuǎn)多于電子，EF將在禁帶 下部，接近于價(jià)帶。 9 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 exp()exp() VCCVVCg npN NEEkTN NEkT 對于確定的材料來說，禁帶寬度是確定的，所以電子和空 穴密度的乘積只是溫度的函數(shù)。半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子越多， 則空穴越少；反之，空穴越多則電子越少。 例如，在n型半導(dǎo)體中，施主越多，電子越多，則空穴越 少，故電子稱為多數(shù)載流子，而空穴稱為少數(shù)載流子。 10 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n4 電導(dǎo)與霍爾效應(yīng) 歐姆定律 jE np nqpq 遷移率

5、一方面決定于有效質(zhì)量， 一方面決定于散射幾率。 散射可以是由晶格振動(dòng)引起的，也 可以是由于雜質(zhì)引起的。在溫度較 高時(shí)，晶格振動(dòng)是散射的主要原因， 隨溫度的升高而增加。在低溫時(shí)， 雜質(zhì)散射是主要的散射方式。 圖3.5 電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 11 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n4 電導(dǎo)與霍爾效應(yīng) np nqpq 在溫度較低時(shí)，隨著溫度升高電導(dǎo)率不斷增加，這是由于 在雜質(zhì)電離隨溫度升高而增大，因而電導(dǎo)率對數(shù)與溫度的 倒數(shù)之間存在線性關(guān)系；在高溫時(shí)本征激發(fā)已成為主要影 響因素，載流子只取決于材料的能帶結(jié)構(gòu)，此時(shí)電導(dǎo)率對 數(shù)與溫度的倒數(shù)之間也存在線性關(guān)系，但直線的斜率不同。 而在中間溫度范圍，電導(dǎo)率隨溫

6、度的升高而降低，這是由 于此時(shí)雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，因此載流子的數(shù)目不會(huì)增加， 而晶格散射隨溫度升高而增加，從而使得遷移率下降。 12 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n4 電導(dǎo)與霍爾效應(yīng) q由于電導(dǎo)率受多種因素的影響，其中電離的雜質(zhì)濃度依賴于 溫度和雜質(zhì)能級(jí)，所以半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度可能與載流子濃度 不同。為了直接測量載流子濃度和電導(dǎo)率，最直接的方法是 利用霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 圖3.6 霍爾效應(yīng) 13 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n4 電導(dǎo)與霍爾效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體片放置在x-y平面內(nèi)，電流沿x方向，磁場垂直于x-y平 面。如果是空穴導(dǎo)電，那么它們沿電流方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也受 到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成

7、電荷的積累，從而導(dǎo)致一個(gè) 與洛倫茲力方向相反的電場力。 1 H R pq 當(dāng)兩者相等時(shí)，霍爾系數(shù)為 對于電子導(dǎo)電（n型半導(dǎo)體），霍爾系數(shù)為 1 H R nq 由霍爾系數(shù)可以直接測得載流子的濃度，而且，由它的符號(hào) 可以確定是空穴導(dǎo)電還是電子導(dǎo)電。 14 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 熱平衡時(shí)，滿足 00 exp() VCg n pN NEkT 但在外界作用下，有可能使電子濃度和空穴濃度偏離平衡值。 例如，在光照下，由價(jià)帶激發(fā)電子至導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對， 使電子濃度增加n，空穴濃度增加p，多余的載流子稱為非 平衡載流子。 np 多數(shù)載流子的數(shù)量一般會(huì)很大，非平衡載流子通常不會(huì)對

8、它 的數(shù)目產(chǎn)生顯著的影響。但對于少數(shù)載流子而言，其數(shù)量的 變化將是十分顯著的。因此，在討論非平衡載流子時(shí)，最關(guān) 心的是非平衡少數(shù)載流子。 15 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 q非平衡載流子的復(fù)合和壽命 非平衡載流子會(huì)自發(fā)地發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)電電子由導(dǎo)帶回落到價(jià) 帶，導(dǎo)致一對電子和空穴消失，這是一種由非平衡恢復(fù)到平 衡的自發(fā)過程。 所謂熱平衡，實(shí)際上是電子-空穴不斷產(chǎn)生和復(fù)合的動(dòng)態(tài)平衡。 當(dāng)存在非平衡載流子時(shí)，這種動(dòng)態(tài)平衡被破壞。 在最簡單的情形中，非平衡載流子復(fù)合以一個(gè)固定的概率發(fā) 生，單位時(shí)間、單位體積復(fù)合的數(shù)目可以用復(fù)合率表示， n 16 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5

9、非平衡載流子 q非平衡載流子的復(fù)合和壽命 光照撤去后，非平衡載流子逐漸消失 )1exp( 0 nn 當(dāng)光照撤去后，非平衡載流子是隨時(shí)間呈指數(shù)形式衰減。描 述了非平衡載流子平均存在時(shí)間，通常稱為非平衡載流子壽 命。 對于光電導(dǎo)現(xiàn)象，決定著在變化光強(qiáng)下，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢。 n dt nd 17 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 q非平衡載流子的復(fù)合和壽命 實(shí)驗(yàn)證明，非平衡載流子壽命與材料所含雜質(zhì)有關(guān)。對于同 一材料，制備方法不同，值可相差很大。 這是由于電子從導(dǎo)帶回落到價(jià)帶往往主要通過雜質(zhì)能級(jí)，電 子先落入到一個(gè)空的雜質(zhì)能級(jí)，然后再由雜質(zhì)能級(jí)落到價(jià)帶 中的空穴。 有些雜質(zhì)在促進(jìn)復(fù)合

10、上特別有效，成為主要決定非平衡載流 子壽命的雜質(zhì)，被稱為復(fù)合中心復(fù)合中心。 18 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 q非平衡載流子的擴(kuò)散 在金屬和一般半導(dǎo)體的導(dǎo)電過程中，載流子都是依靠電場的作用 而形成電流，稱為漂移電流。但半導(dǎo)體中的載流子還可以形成另 外一種形式的電流，稱為擴(kuò)散電流。 擴(kuò)散電流是由于載流子的濃度分布不均勻而造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后所 形成的。對于非平衡載流子而言，擴(kuò)散往往是最主要的運(yùn)動(dòng)形式。 在通常的情況下，少數(shù)載流子的數(shù)量極少，與多數(shù)載流子相比， 漂移電流是微不足道的，但正是由于有非平衡載流子的存在，使 得可以在不破壞電中性而形成載流子濃度的變化，從而形成顯著 的擴(kuò)

11、散電流。 19 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 q非平衡載流子的擴(kuò)散 考慮一維穩(wěn)定擴(kuò)散的情況。以均勻光照射半導(dǎo)體表面，而且光 在很薄的薄層內(nèi)被吸收。光產(chǎn)生的非平衡載流子通過擴(kuò)散向體 內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一邊擴(kuò)散，一邊復(fù)合。在穩(wěn)定光照下，將在半導(dǎo)體內(nèi) 建立起穩(wěn)定的非平衡載流子分布。 dN FD dx 載流子擴(kuò)散流密度正比于載流子濃度變化梯度，比例 系數(shù)D稱為擴(kuò)散系數(shù)，負(fù)號(hào)表明擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)總是從濃度 高的地方流到濃度低的地方。 20 3.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) n5 非平衡載流子 q非平衡載流子的擴(kuò)散 非平衡少數(shù)載流子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，形成穩(wěn)定分布，滿足連續(xù)方程 0 ddNN D dxdx / 0

12、 ( ) x L N xN e L表示非平衡載流子深入樣品的 平均距離，稱為擴(kuò)散長度。 第一項(xiàng)表示因擴(kuò)散造成的積累，第二項(xiàng)表示 因復(fù)合而造成的損失。 通解為 /x Lx L NAeBe 擴(kuò)散電流密度 / 0 x L D jNe L 21 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n1 光吸收與光電導(dǎo) 在半導(dǎo)體中，光的衰減與光強(qiáng)成正比 0 expIIx 光吸收系數(shù) 2/4/ rr c 當(dāng)光在介質(zhì)中傳播的距離為1/時(shí)，則光強(qiáng)衰減到原來的1/e， 于是可把1/近似看成是光能夠穿透樣品的深度。 光是一種電磁波，對于在沿某x方向傳播的平面電磁波，其光強(qiáng)I 是按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減 0 2 exp r IIx c 光損耗系

13、數(shù)，或是消光系數(shù)， 表示電磁波能量衰減的大小 22 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n1 光吸收與光電導(dǎo) 不同波長的光能夠穿過樣品的深度也是不同的，對于吸 收很強(qiáng)的材料，光吸收實(shí)際上只發(fā)生在樣品的表面層內(nèi)。 半導(dǎo)體材料通常對光的吸收很強(qiáng)半導(dǎo)體材料通常對光的吸收很強(qiáng)，材料吸收光的輻射之 后，使得電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。 半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)電導(dǎo)率變大的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體 的光電導(dǎo)效應(yīng)。 23 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n1 光吸收與光電導(dǎo) 無光照時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或暗電導(dǎo)率暗電導(dǎo)率 000np n qp q 在光照條件下，半導(dǎo)體中將產(chǎn)生光生電子和光生空穴 000npph q nnq pp phnp qn

14、qp 稱為光電導(dǎo)光電導(dǎo) 00 nnnppp 24 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n1 光吸收與光電導(dǎo) 光電導(dǎo)有雜質(zhì)光電導(dǎo)和本征光電導(dǎo)兩大類 本征光電導(dǎo)由本征吸收引起，相應(yīng)長波限是 0 1.24 gg hc EE 雜質(zhì)光電導(dǎo)是由雜質(zhì)吸收引起的，吸收波 長取決于雜質(zhì)的電離能Ei 1.24 i ii hc EE 雜質(zhì)吸收的吸收系數(shù)較本征吸收的吸收系數(shù)小，激發(fā)的光生載 流子濃度也較小，故同一材料中本征光電導(dǎo)一般比雜質(zhì)光電導(dǎo)本征光電導(dǎo)一般比雜質(zhì)光電導(dǎo) 大。大。此外，雜質(zhì)吸收所產(chǎn)生的光生載流子或是空穴，或是電子，雜質(zhì)吸收所產(chǎn)生的光生載流子或是空穴，或是電子， 而本征吸收則能產(chǎn)生電子空穴對。而本征吸收則能產(chǎn)生電

15、子空穴對。 25 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n1 光吸收與光電導(dǎo) 光電導(dǎo)效應(yīng)的強(qiáng)弱表示為 000 phnp np np np 式中，比值越大，則光電導(dǎo)效應(yīng)就越強(qiáng)，反之就越弱。降低 工作溫度，使得n0和p0濃度減小，是獲得較強(qiáng)光電導(dǎo)效應(yīng)的 有效措施。 26 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n2 電容效應(yīng)與擊穿特性 q電容效應(yīng) n勢壘電容 pn結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)存在不能移動(dòng)的正的和負(fù)的電離 雜質(zhì)電荷，當(dāng)外加偏壓使勢壘區(qū)電場變化時(shí)，必須 改變勢壘區(qū)寬度以改變空間電荷量，這種微分電容 效應(yīng)，稱為勢壘電容。 圖3.7 pn結(jié)反偏電壓的變化導(dǎo)致空間電荷區(qū)的變化 1/2 1 2 sAD RDRAD qN NdQ C

16、dVVVNN 對于反偏pn結(jié)，空間電荷區(qū)的 勢壘電壓為VD+VR，此時(shí)單位 面積的勢壘電容可表示 27 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n2 電容效應(yīng)與擊穿特性 q電容效應(yīng) n擴(kuò)散電容 反偏的pn結(jié)以勢壘電容起主要作用，而對于正偏的pn結(jié)，擴(kuò)散 電容和勢壘電容都起作用。 pn結(jié)在加正向偏壓時(shí)，由于少子注入，在擴(kuò)散區(qū)內(nèi) 有一定數(shù)量的少子和等量的多子積累，其濃度隨外 加電壓而變化，這種電容效應(yīng)稱為擴(kuò)散電容 在實(shí)際工作中，為簡單起見，常以零偏時(shí)的勢壘電容的4倍作 為正偏時(shí)pn結(jié)的總電電容。 28 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n2 電容效應(yīng)與擊穿特性 q擊穿特性 pn結(jié)上加反偏電壓會(huì)形成很小的反向電流。但反偏

17、電壓 不能無限制地增大，到某一臨界值，反向電流將急劇增 大，這種現(xiàn)象稱為結(jié)的擊穿。 擊穿并不等于器件的燒毀。 若采用保護(hù)電阻或散熱裝置，使擊穿電流控制在一定范 圍，pn結(jié)擊穿后可以重新恢復(fù)高阻狀態(tài)。否則，使反向 電流無限增長，將導(dǎo)致pn結(jié)燒毀。 29 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n2 電容效應(yīng)與擊穿特性 q隧道擊穿 q雪崩擊穿 圖3.8 pn結(jié)的擊穿機(jī)理 隧穿幾率隨禁帶寬度 Eg增大而減小，因而 由隧穿效應(yīng)所決定的隧穿效應(yīng)所決定的 擊穿電壓具有負(fù)溫度擊穿電壓具有負(fù)溫度 系數(shù)。系數(shù)。 隨溫度的升高，載流子的平均自由程減小，需要更強(qiáng)的電場在較短距 離內(nèi)獲得足夠高的能量產(chǎn)生電子空穴對，因此雪崩擊穿電壓

18、的溫度系雪崩擊穿電壓的溫度系 數(shù)是正的。數(shù)是正的。 30 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料在不受應(yīng)力作用時(shí)，其電阻與電阻率與長度l成正比， 與截面積S成反比 l R S 如果沿長度方向施加一個(gè)應(yīng)力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變 與此同時(shí)，截面面積減小。又由于應(yīng)力引起能帶的變化，能由于應(yīng)力引起能帶的變化，能 谷的能量移動(dòng)，導(dǎo)致電阻率變化谷的能量移動(dòng)，導(dǎo)致電阻率變化 /1 2/R R /a al lb bl l 稱為泊松比 / l l 31 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q壓阻效應(yīng) /1 2/R R 電阻的變化有兩部分組成 前一項(xiàng)為純幾何效應(yīng)； 后一

19、項(xiàng)代表的是物理效應(yīng)，即壓阻效應(yīng)。 對于金屬，幾何效應(yīng)是主要的； 對于半導(dǎo)體材料，物理效應(yīng)是主要的。 32 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q壓阻效應(yīng) 以以Si為例簡單說明為例簡單說明 Si導(dǎo)帶等能面是極值沿方向的6 個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面。 如圖沿100方向施加應(yīng)力T(0，則電導(dǎo)率增加。 如果測試方向改變，則電導(dǎo)率增加。 需要注意，壓阻效應(yīng)是各向異性的，壓阻系數(shù) 是一個(gè)張量。 同時(shí)，由于發(fā)生了電子在能谷間的轉(zhuǎn)移，即要 考慮谷間散射，使得遷移率也會(huì)隨應(yīng)力變化。 利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可以制成各種器件，如半導(dǎo) 體應(yīng)變計(jì)，壓敏二極管，壓敏晶體管等。 36 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻

20、效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q磁阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到與電流方向垂直的外加磁場作用時(shí)，不但具 有霍爾效應(yīng)，還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降和電阻率增大的現(xiàn)象， 這種外加磁場使電阻變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)由兩部分組成，一部分由材料的物理性質(zhì) 所決定，稱為半導(dǎo)體材料的物理磁阻效應(yīng)；另一部分由材料 的幾何形狀所決定，稱為材料的幾何磁阻效應(yīng)。 37 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q物理磁阻效應(yīng) 以p型半導(dǎo)體為例 考慮正交電磁場，合成電場 與J成一定夾角，即霍爾角。 在洛倫茲力和電場力的作用下，空穴如圖所示呈弧線運(yùn)動(dòng)。 因而散射幾率增大，平均自由時(shí)間減少，遷移率下降，電導(dǎo)率 降低，但該因

21、素引起的電阻率幾乎可忽略。 即不考慮速度統(tǒng)計(jì)分布時(shí)，（認(rèn)為平均自由時(shí)間與速度無關(guān)）， 則不顯示橫向磁阻效應(yīng)。 38 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q物理磁阻效應(yīng) 實(shí)際上，半導(dǎo)體材料中載流子 的速度分布是一種統(tǒng)計(jì)分布， 即平均自由時(shí)間與速度有關(guān)。 那些以平均速度運(yùn)動(dòng)的載流子，所受到的洛侖茲力和霍爾電場力 會(huì)達(dá)到平衡，載流子運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)橥饧与妶鏊付ǖ姆较?。但?些比平均速度大的載流子，它們所受到的洛侖茲力將大于霍爾電 場力，并沿洛侖茲力指定的方向偏轉(zhuǎn)。那些比平均速度小的載流 子則沿霍爾電場的方向偏轉(zhuǎn)。 結(jié)果使得沿外加電場指定方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量減少，表現(xiàn)為材 料的電阻率增大

22、。表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng) 39 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q物理磁阻效應(yīng) 設(shè)半導(dǎo)體薄片在外加磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)所具有的電阻率為 0，在外加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)所具有的電阻率為B。 半導(dǎo)體材料的電阻率變化為 0B 磁場不太強(qiáng)時(shí)，對于等能面為球面的非簡并半導(dǎo)體有 橫向磁阻系數(shù)霍爾遷移率 0 22222 0 00 HxHx RBB 40 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q幾何磁阻效應(yīng) 在相同磁場作用下，由于半導(dǎo)體片幾何形 狀的不同，而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象 稱為幾何磁阻效應(yīng)。 沒有磁場時(shí)，電流密度與外加電場方向一 致。 加磁場后，由于橫向電場的作用，使得電 流密

23、度與合成電場不一致。 41 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q幾何磁阻效應(yīng) 如圖所示的長條形樣品，在金屬電極處，由于 霍爾電場EH受到電流電極短路作用而減弱，電 子運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力的影響而發(fā)生偏斜，所以電 流方向偏斜。 在半導(dǎo)體中間部分，霍爾電場EH不受電流電極 短路作用的影響，霍爾電場力作用及洛倫茲力 作用達(dá)到平衡，運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生變化。但合成 電場因受霍爾電場作用而發(fā)生偏斜，它與電流 方向夾角也是霍爾角。 42 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q幾何磁阻效應(yīng) 故而在磁場作用下，電流流通的路徑增加，樣 品電阻增大。 其中l(wèi)的增加與樣品的形狀有關(guān)，對于長寬比

24、 大的長條形樣品，l的增大不明顯，而長寬比遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于l的扁條形樣品，電流偏轉(zhuǎn)很厲害，電阻 增大明顯。 若形狀為圓盤，則電流以螺旋形流通，l大大 加長，此時(shí)的幾何磁阻效應(yīng)最明顯。該圓盆稱 為科比諾圓盤科比諾圓盤。 43 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n3 壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng) q幾何磁阻效應(yīng) 一般來說，霍爾效應(yīng)明顯的則幾何磁阻效應(yīng)不顯著； 反之霍爾電壓低，則幾何磁阻效應(yīng)顯著。 利用磁阻效應(yīng)可以制作半導(dǎo)體磁敏電阻。遷移率越大， 霍爾角越大，磁阻效應(yīng)越明顯，因此一般選用InSb、 InAs等高遷移率的材料制作磁敏電阻。 磁敏電阻比霍爾器件的靈敏度更高，結(jié)構(gòu)更簡單。 44 3.2 半導(dǎo)體材料的性質(zhì) n4 電

25、阻率的溫度特性 1 e qn T 當(dāng)溫度為電離區(qū)的最低溫度時(shí) 1/2 exp 22 cd cd EEN N n kT 在非本征溫度區(qū)，n=Nd，電阻率與溫度的關(guān)系為 3/2 T 在本征溫度區(qū)，則隨著溫度升高，電阻率下降。 45 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 元素半導(dǎo)體-化合物-化合物-化合物 SiSiCAlPZnS GeSiGeAlAsZnSe AlSbZnTe GaNCdS GaPCdSe GaAsCdTe GaSb InP InAs InSb 46 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n1 元素半導(dǎo)體材料 （1）Si是目前應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的主要材料 n硅在地殼中含量約占27%，僅次于氧，自然界中， Si

26、以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。 nSi的單晶相對容易制備，成本低 nSi平面工藝使得集成電路成為可能 nSi的特性雖不是最優(yōu)，但基本覆蓋常用的場合 47 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n1 元素半導(dǎo)體材料 （2）Ge是開發(fā)較早的半導(dǎo)體材料 nGe在地殼中含量約為210-4%。（稀有元素） nGe的資源： q煤和煙灰，分散的Ge q與金屬硫化物共生 q鍺礦石 鍺精礦提純 48 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n1 元素半導(dǎo)體材料 （2）Ge是開發(fā)較早的半導(dǎo)體材料 n遷移率高 n較高的工作頻率和開關(guān)速度 q雪崩二極管 q高速開關(guān) q探測器 n高折射率和低吸收率 q光學(xué)器件 q光纖摻雜劑 49 3.3 半導(dǎo)體

27、材料的分類 n1 元素半導(dǎo)體材料 （3）硒是一種黑色玻璃態(tài)半金屬 n灰色金屬光澤 n六種形態(tài) n地殼中含量少 n對光敏感 q光電池 q整流器 q硒鼓 50 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n1 元素半導(dǎo)體材料 （4）金剛石是碳的同素異構(gòu)體 n光學(xué)、化學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械方面有廣泛應(yīng)用 n可做熱沉提高芯片散熱效率 n對遠(yuǎn)紅外到紫外是透明的，可做透鏡的保護(hù)膜和窗口 材料 51 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （1）砷化鎵(GaAs)單晶是目前應(yīng)用最廣泛的化合物 半導(dǎo)體材料 性質(zhì)GeSiGaAs 介電常數(shù)16.011.813.1 能隙，Eg（eV）0.671.121.43 折射率4.03.

28、43.3 熱膨脹系數(shù)（1/）5.810-62.610-66.8610-6 電子，n3,9001,5008,500 空穴，p1,900500400 比熱（J/g-）0.610.70.35 熱導(dǎo)率（W/cm-）0.61.50.46 熱擴(kuò)散率（cm2/s）0.360.90.44 52 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （1）砷化鎵(GaAs) q雙能谷結(jié)構(gòu)微波器件 qEg大，可在更高的溫度和更大的反向電壓下 工作功率放大器 q電子遷移率高高頻、高速器件和微波單 片集成電路 q直接躍遷發(fā)光器件、激光器 q摻入雜質(zhì)可得到半絕緣的高阻材料集成 電路的襯底和紅外探測器 53 3.3 半導(dǎo)體材

29、料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （2）磷化銦( InP)單晶是最重要的III-V族化合物半導(dǎo) 體材料之一 典型的極性半導(dǎo)體 InPIn：1.8；P：2.2；相差0.4 則離子鍵成分：4%，共價(jià)鍵成分：96% Ga可以與3個(gè)P構(gòu)成共價(jià)鍵 所以，對于整個(gè)晶體來說， 共價(jià)鍵成分：963/4=72%；離子鍵成分：28% 54 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （2）磷化銦( InP) q銀灰色，質(zhì)地軟脆 q負(fù)阻效應(yīng)大于GaAs，制作微波器件和放大器比GaAs器 件好 q抗輻射性能強(qiáng)空間應(yīng)用太陽能電池 q截止頻率高毫米波雷達(dá)、衛(wèi)星通信 qInP襯底上生長的GaInAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)

30、制作的光電器件 能滿足1.1-1.6um波長范圍的光纖通信技術(shù)的要求 q熱導(dǎo)率大于GaAs，有利于散熱以及大功率器件 55 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （3）SiGe材料被稱為“第二代硅微電子材料” q無限互溶 q與Si的平面工藝兼容 q電學(xué)性能較Si強(qiáng) q本征躍遷發(fā)光波長范圍是1.3m1.55m，是長距離光纖 通信的理想波長窗口。 qSiGe/Si的應(yīng)變超晶格，可形成直接帶隙結(jié)構(gòu)，從而可用于 光電集成路。 qSiGe加C可造成異質(zhì)結(jié)能帶突變，從而增強(qiáng)電子的量子限 制作用，適用于HBT。 56 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n2 化合物半導(dǎo)體材料 （4）碳化硅(SiC)有獨(dú)特

31、的物理及電子特性 q寬禁帶半導(dǎo)體材料 q高擊穿電場 q高熱導(dǎo)率 q高電子飽和速度 q硬度大 高功率、高頻率、高 溫的“三高”器件 57 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n3 非晶體半導(dǎo)體 q非晶態(tài)物質(zhì)是原子排列上的長程無序而短程有序的一種結(jié)構(gòu)。 q目前主要的非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩大類： n一類是四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體，如非晶態(tài)Si、Ge、GaAs 等； n另一類是硫系玻璃，即含硫族元素非晶態(tài)半導(dǎo)體，如二元 系（As-Se、As-S）和多元系（As-Se-Ge-Te）。 58 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n3 非晶體半導(dǎo)體 q非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu) 與晶態(tài)半導(dǎo)體具有類似的基本能帶結(jié)構(gòu)，只是在非晶態(tài)中鍵 角和鍵長

32、有一定程度的畸變 。 n非晶態(tài)半導(dǎo)體不存在有周期性 n非晶態(tài)半導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)缺陷的畸變 使得電子的平均自由程大大減小 n非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶邊態(tài)密度的變 化不像晶態(tài)那樣陡，而是拖有不 同程度的帶尾 圖3.11 電子態(tài)密度與能量之間的關(guān)系 59 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n3 非晶體半導(dǎo)體 q非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷 n非晶硅中的缺陷 存在有空位和微空洞使得有些硅原子周圍四個(gè)近鄰原子不足，而產(chǎn)生一 些懸掛鍵。 懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這 是施主態(tài)；接受第二個(gè)電子成為負(fù)電中心，這是受主態(tài)。 因?yàn)槭苤鲬B(tài)表示懸掛鍵上有兩個(gè)電子占據(jù)的情況，兩個(gè)電子間的庫侖排 斥作用，使得受主能級(jí)

33、位置高于施主能級(jí)，稱為正相關(guān)能使得受主能級(jí)位置高于施主能級(jí)，稱為正相關(guān)能。 這些缺陷同時(shí)是有效的復(fù)合中心。為了提高非平衡載流子的壽命，也必 須降低缺陷態(tài)密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成為目前材料制備中 的關(guān)鍵問題之一。 這些缺陷在禁帶之中引入一系列局域能級(jí)， 它們對非晶態(tài)半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有 著重要的影響。 60 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n3 非晶體半導(dǎo)體 q非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷 n硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷 圖3.12 硫系玻璃的換價(jià)對 以非晶態(tài)硒為例，有六個(gè)價(jià)電子，可以形 成兩個(gè)共價(jià)鍵，通常呈鏈狀結(jié)構(gòu)，另外有 兩個(gè)未成鍵的p電子稱為孤對電子。在鏈 的端點(diǎn)處相當(dāng)于有一個(gè)中性懸掛鍵，這個(gè)

34、 懸掛鍵很可能發(fā)生畸變，與鄰近的孤對電 子成鍵并放出一個(gè)電子（形成D+），放出 的電子與另一懸掛鍵結(jié)合成一對孤對電子 (形成D-)，如圖所示。因此，這種D+、D- 又稱為換價(jià)對。 61 3.3 半導(dǎo)體材料的分類 n3 非晶體半導(dǎo)體 q非晶態(tài)半導(dǎo)體的應(yīng)用 非晶硫早已廣泛應(yīng)用在復(fù)印技術(shù)中，由S.R.奧夫辛斯基首創(chuàng)的 As-Te-Ge-Si系玻璃半導(dǎo)體制作的電可擦寫只讀存儲(chǔ)器已批量 生產(chǎn)，利用光脈沖使碲微晶薄膜玻璃化這種性質(zhì)制作的光存儲(chǔ) 器正在研制之中。 對于非晶硅的應(yīng)用，目前研究最多的是太陽能電池。非晶硅比 晶體硅制備工藝簡單，易于做成大面積，非晶硅對于太陽光的 吸收效率高，器件只需大約1m厚的薄

35、膜材料，因此可望做成 一種廉價(jià)的太陽能電池，現(xiàn)已受到各國科學(xué)家的廣泛重視。非 晶硅場效應(yīng)晶體管還可用于液晶顯示和集成電路。 62 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n晶體生長理論 n層生長？ n螺旋生長？ n枝晶生長？ 晶體的生長是質(zhì)點(diǎn)面網(wǎng)一層接一層地不斷 向外平行移動(dòng)的結(jié)果 在晶體生長界面上螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)所出 現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面凹角可 作為晶體生長的臺(tái)階源，促進(jìn)光滑界面 上的生長。 樹枝一樣蔓延生長 63 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n晶體生長方法 q根據(jù)晶體生長時(shí)的物相變化，晶體生長技術(shù)可以分成以 下幾類： q氣相固相：雪花的形成。 q液相固相：分為兩類。一類是從溶液中通過

36、降溫、 蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)等方式控制飽和度等使得晶體結(jié)晶；另 一類是從熔體中結(jié)晶。 q固相固相：由于晶體的化學(xué)能較低，自然界中的非 晶態(tài)、多晶態(tài)等物質(zhì)，經(jīng)過億萬年多少會(huì)有晶化現(xiàn)象， 而晶體物質(zhì)也有可能通過相變、再結(jié)晶等方式發(fā)生變化。 64 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n氣相法 氣相法生長晶體，將晶體材料通過升華、蒸發(fā)、分 解等過程轉(zhuǎn)化為氣相，然后通過適當(dāng)條件下使它成 為飽和蒸氣，經(jīng)冷凝結(jié)晶而生長成晶體。 n特點(diǎn)：特點(diǎn)： q生長的晶體純度高； q生長的晶體完整性好； q晶體生長速度慢； q有一系列難以控制的因素，如溫度梯度、過飽和 比、攜帶氣體的流速等。 n主要用于外延薄膜的生長 65 3.4

37、 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n氣相法 n同質(zhì)外延 襯底和外延層的材料屬于同一種材料，如在硅襯底上生長硅外延層襯底和外延層的材料屬于同一種材料，如在硅襯底上生長硅外延層 n異質(zhì)外延 襯底和外延層的材料屬于不同材料，如在藍(lán)寶石上生長襯底和外延層的材料屬于不同材料，如在藍(lán)寶石上生長GaAs外延層外延層 n準(zhǔn)異質(zhì)外延 外延層與襯底之間存在著某些化學(xué)上的共性，如外延層與襯底之間存在著某些化學(xué)上的共性，如GaP/GaAs，GaSb/GaAs， ZnSe/ZnTe，即外延層與襯底的晶格結(jié)構(gòu)一般是相同的，即外延層與襯底的晶格結(jié)構(gòu)一般是相同的 66 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n溶液法 n溶液法的基本原理

38、是將原料（溶質(zhì)）溶解在溶劑中， 采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在其 中生長。 (1)降溫法：依靠溶液過冷以獲得過飽和。適宜于溶解度和溶解溫度 系數(shù)大的溶體。 (2)恒溫蒸發(fā)法：依靠相對提高濃度以獲得過飽和。溶解溫度系數(shù)較 小或負(fù)溫度系數(shù)的溶體，可以選用該方法。 67 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n溶液法 n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： q晶體可在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的溫度下生長； q容易長成大塊的、均勻性良好的晶體，并且有較完整的外形； q在多數(shù)情況下，可直接觀察晶體生長過程，便于對晶體生長 動(dòng)力學(xué)的研究。 n缺點(diǎn)缺點(diǎn) q影響因素復(fù)雜； q生長速度慢，周期長，數(shù)十天一年； q溶液法生長晶體對控溫精度

39、要求較高，溫度波動(dòng)一般小于 0.010.001； 68 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n熔融法 n從熔體中生長晶體是制備大單晶和特定形狀的單晶最 常用的和最重要的一種方法，電子學(xué)、光學(xué)等現(xiàn)代技 術(shù)應(yīng)用中所需要的單晶材料，大部分是用熔體生長方 法制備的，如單晶硅，GaAs，LiNbO3，Nd：YAG， Al2O3等以及某些堿土金屬和堿土金屬的鹵族化合物 等，許多晶體品種早已開始進(jìn)行不同規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。 n與其他方法相比，熔體生長通常具有生長快、晶體的 純度和完整性高等優(yōu)點(diǎn)。 n主要有提拉法、坩堝下降法、泡生法、水平區(qū)熔法、 焰熔法、浮區(qū)法等 69 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n1高純多

40、晶Si的制備 n硅石硅石工業(yè)硅（粗硅）工業(yè)硅（粗硅）多晶硅多晶硅硅單晶。硅單晶。 98% 電電 弧弧 爐爐 熔熔 煉煉 直拉法直拉法 區(qū)熔法區(qū)熔法 磁場拉晶法磁場拉晶法 化化 學(xué)學(xué) 提提 純純 物物 理理 提提 純純 微重力下生長晶體微重力下生長晶體 70 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n1高純多晶Si的制備 n工業(yè)硅的制備 q用硅石和焦炭以一定比例混合 q在電爐中加熱至16001800 qSiO2+3C=SiC+2CO q2SiC+SiO2=3Si+2CO n最后可得含量為98%以上的工業(yè)粗硅。 71 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n1高純多晶Si的制備 n然后采用三氯氫硅氫還原法三

41、氯氫硅氫還原法、硅烷法和四氯化硅氫還 原法高純多晶硅。 qSi+3HCl=SiHCl3+H2 （280-300 ） q精餾提純 qSiHCl3+H2=Si+3HCl （1100 ） SiHCl3法所制備的多晶硅價(jià)格較低，其沉積速率是 SiCl4法的2倍，生產(chǎn)的安全性好。且多晶硅的純度 完全滿足直拉法和區(qū)域熔煉法的要求。 72 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q提拉法提拉法 把晶體原料裝入坩堝中，并加熱 到原料融化，在適當(dāng)?shù)臏囟戎邢?降籽晶與液面接觸，使熔體在籽 晶末端成核生長，然后旋轉(zhuǎn)籽晶 緩慢向上提拉并不斷調(diào)節(jié)溫度， 晶體就在籽晶上逐漸長大。最后 快速提拉晶體使其脫離液

42、面，再 緩慢降溫到室溫。 73 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q提拉法提拉法 n優(yōu)點(diǎn)： n通過精密控制溫度梯度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度等，可以 獲得優(yōu)質(zhì)大單晶； n可以通過工藝措施降低晶體缺陷，提高晶體完整性； n通過籽晶制備不同晶體取向的單晶； n容易控制。 n缺點(diǎn)： n由于使用坩堝，因此，容易污染； n對于蒸氣壓高的組分，由于揮發(fā)，不容易控制成分； n不適用于對于固態(tài)下有相變的晶體。 74 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q坩堝下降法 將一個(gè)垂直放置的坩堝逐漸下降，使 其通過一個(gè)溫度梯度區(qū)(溫度上高下低)， 熔體自下而上凝固。通過坩堝和熔體 之間的

43、相對移動(dòng)，形成一定的溫度場， 使晶體生長。溫度梯度形成的結(jié)晶前 沿過冷是維持晶體生長的驅(qū)動(dòng)力。使 用尖底坩堝可以成功得到單晶，也可 以在坩堝底部放置籽晶。 75 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q坩堝下降法 n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： n坩堝封閉，可生產(chǎn)揮發(fā)性物質(zhì)的晶體； n成分易控制； n可生長大尺寸單晶； n常用于培養(yǎng)籽晶。 n缺點(diǎn)缺點(diǎn)： n不宜用于負(fù)膨脹系數(shù)的材料； n由于坩堝作用，容易形成應(yīng)力和污染； n不易于觀察。 76 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q水平區(qū)熔法 該法與坩堝移動(dòng)法大體相似， 但水平區(qū)熔法的熔區(qū)被限制 在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)。 首先將原料燒

44、結(jié)或者壓制成 棒狀，固定兩端，然后，移 動(dòng)原料棒或者加熱高頻線圈， 使得只有受加熱的部分 熔融，而絕大部分材料處于固態(tài)。隨著熔區(qū)沿著原料棒由一端 向另一端緩慢移動(dòng)，晶體就慢慢生長，并慢慢冷卻直至完成生 長過程。 77 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n2 單晶制備工藝 q水平區(qū)熔法 n水平區(qū)熔法與坩堝移動(dòng)法相比，其優(yōu)點(diǎn)是減小了坩堝對熔水平區(qū)熔法與坩堝移動(dòng)法相比，其優(yōu)點(diǎn)是減小了坩堝對熔 體的污染，并降低了加熱功率，可以用于生長高純度晶體，體的污染，并降低了加熱功率，可以用于生長高純度晶體， 或者多次結(jié)晶以提純晶體。水平區(qū)熔法常用高頻線圈加熱，或者多次結(jié)晶以提純晶體。水平區(qū)熔法常用高頻線圈加熱， 需要有惰性氣氛來進(jìn)行保護(hù)。需要有惰性氣氛來進(jìn)行保護(hù)。 n主要用于材料的物理提純主要用于材料的物理提純 ，硅單晶生長初期的提純即采，硅單晶生長初期的提純即采 用此法。用此法。 78 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n3 外延生長技術(shù) q化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 采用加熱、等離子和紫外線等方 式，向化學(xué)反應(yīng)提供能量，促使 氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且生長固 態(tài)薄膜的工藝即為化學(xué)氣相沉積。 薄膜可以是單晶態(tài)，也可以是非 晶。 典型的結(jié)構(gòu)有：臥式、鐘罩式和 圓筒式。 79 3.4 半導(dǎo)體材料的制備工藝方法 n3 外延生長技術(shù) q化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 目前使用最多的Si外延片就是用該工藝制備的。 將