第1章 半導體材料科學和集成電路,固體晶格結構

1、Semiconductor Physics半導體物理學應用物理2013級 任課教師任課教師 吳萍吳萍電話：電話：86503735郵箱：郵箱：答疑地點：新行政樓答疑地點：新行政樓316答疑時間：每周五下午答疑時間：每周五下午3：00-5：001Semiconductor Physics2特別致謝特別致謝 梁庭梁庭, 中北大學電子科學與技術系中北大學電子科學與技術系姚曉亮姚曉亮 清華大學清華大學 Integrated Microelectronic Device, J. A. del Alamo, H. L. Tuller, and J. Scholvin, MIT不知名的人不知名的人Semico

2、nductor Physics課程的意義3問題：為什么要學這門課問題：為什么要學這門課你的答案你的答案1，2，3，4，Semiconductor Physics也許不是答案的答案4看看你的身邊：看看你的身邊：手機手機智能手表智能手表電腦電腦教室里的投影儀教室里的投影儀互聯(lián)網互聯(lián)網。Semiconductor Physics你是否知道正是你是否知道正是IC使得夢想變?yōu)楝F實使得夢想變?yōu)楝F實lIC是是“集成電路集成電路”的英文的英文“Integrated Circuit”縮寫，縮寫，又稱為又稱為“芯片芯片”。l通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有

3、源器件有源器件和電阻、電容等和電阻、電容等無源器件無源器件，按照一定的電路互連，按照一定的電路互連，“集成集成”在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內內 執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能Semiconductor Physics6semiconductor material semiconductor devices IC In electronics, an integrated circuit (also known as IC, microcircuit, microchip, silicon chip, o

4、r chip) is a miniaturized electronic circuit (consisting mainly of semiconductor devices, as well as passive components) that has been manufactured in the surface of a thin substrate of semiconductor material. Integrated circuits are used in almost all electronic equipment in use today and have revo

5、lutionized the world of electronics. Computers, cellular phones, and other digital appliances are now inextricable parts of the structure of modern societies, made possible by the low cost of production of integrated circuits.VLSI very high large scale integration Very large scale integrationULSI ul

6、tra-high scale integration Transistor =transfer +resistorSemiconductor Physics7Semiconductor PhysicsSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics生活中的生活中的ICICSemiconductor Physics12http:/ 納米等于十億分之一米。納米等于十億分之一米。英特爾最新處理器上的晶體英特爾最新處理器上的晶體管寬度僅為管寬度僅為 32 納米，前代處理器采用納

7、米，前代處理器采用 45 納米和納米和 65 納納米架構。米架構。這進一步提高了晶體管的封裝密度，并且在漏這進一步提高了晶體管的封裝密度，并且在漏電率、發(fā)熱量和切換速度方面優(yōu)勢明顯，這使得處理器電率、發(fā)熱量和切換速度方面優(yōu)勢明顯，這使得處理器運行速度更快、功耗更低、能效更高。運行速度更快、功耗更低、能效更高。英特爾（英特爾（Intel） 酷?？犷5-4690 22納米納米 Haswell全新架構全新架構盒裝盒裝CPU （LGA1150/3.5GHz/6M三級緩存）（三級緩存）（2004年年上市）上市）英特爾英特爾 酷睿酷睿 i5 處理器處理器 芯片：芯片：32 nmSemiconductor

8、 Physics13Intel新一代新一代i7旗艦曝光：旗艦曝光：8核核14nm 2015年年Semiconductor Physics14Intel Kaby Lake核心圖核心圖Kaby Lake產品產品采用的依然是采用的依然是14nm工藝工藝“14nm+”2017年年1月月5日日 Intel發(fā)布了第七發(fā)布了第七代酷睿系列處理代酷睿系列處理器產品器產品KabylakeSemiconductor PhysicsIC從哪里來？從哪里來？沙子沙子二氧化硅（二氧化硅（SiOSiO2 2）硅占整個地球總重量硅占整個地球總重量（質量）的（質量）的25%25%，僅次于，僅次于氧。氧。硅圓棒；硅圓棒；硅片

9、；硅片；光刻在硅片上集成芯片光刻在硅片上集成芯片封裝；封裝；性能評級；性能評級；出售。出售。Semiconductor Physics硅器時代硅器時代Semiconductor Physics第一塊集成電路第一塊集成電路Semiconductor Physics世界第一個單片世界第一個單片ICSemiconductor PhysicsSemiconductor Physics20 半導體材科的分類。 按其功能及應用按其功能及應用，可分為微電子材料、光電半導體材料、熱電半導體材料、微波半導體材料、氣敏半導體材料等； 如按化學組成如按化學組成，則可分為元素半導體、化合物半導體、有機半導體等。Sem

10、iconductor Physics21課程意義課程意義半導體半導體微電子微電子IC電子計算電子計算信息技術信息技術傳統(tǒng)行業(yè)傳統(tǒng)行業(yè)電子計算機和信息技術最關鍵的基礎就是ICIC的基礎是微電子技術，微米,亞微米,納米量級上的電子技術而微電子的基礎就是半導體半導體物理是研究半導體的基本物理性質Semiconductor Physics22教材與參考書教材與參考書推薦教材推薦教材半導體物理與器件半導體物理與器件( (第四版第四版) )電子工業(yè)出版社，作者電子工業(yè)出版社，作者Donald Donald A.NeamenA.Neamen，趙毅強等譯，趙毅強等譯參考書：參考書：u劉恩科劉恩科 半導體物理學

11、半導體物理學，西安交通大學出版社，西安交通大學出版社，20032003u半導體物理基礎半導體物理基礎 黃昆黃昆 韓汝琦韓汝琦u半導體器件半導體器件 物理與工藝物理與工藝( (美美) )施敏施敏(S.M.Sze)(S.M.Sze)著，王陽元著，王陽元等譯等譯Semiconductor Physics23學時分配學時分配第一部分第一部分 半導體材料屬性半導體材料屬性 第第1章半導體材料科學和集成電路，固體晶格結構（章半導體材料科學和集成電路，固體晶格結構（2學時）學時） 第第3章章 固體量子理論初步固體量子理論初步 （4學時）學時） 第第4章章 平衡狀態(tài)下的半導體（平衡狀態(tài)下的半導體（5學時）學時

12、） 第第5章章 載流子輸運現象（載流子輸運現象（5學時）學時） 第第6章章 半導體中的非平衡過剩載流子半導體中的非平衡過剩載流子 （6學時）學時）第二部分第二部分 半導體器件基礎半導體器件基礎 第第7章章 PN結結 （3學時）學時） 第第8章章 pn結二極管結二極管 （5學時）學時）第第14章章 專用半導體器件專用半導體器件 光器件器件原理與應用光器件器件原理與應用 （2學時）學時） 第第9章章 金屬半導體和半導體異質結金屬半導體和半導體異質結 （5學時）學時） 第第10章金屬章金屬/氧化物氧化物/半導體場效應晶體管基礎（半導體場效應晶體管基礎（10學時）學時） 第第11章章 金屬金屬/氧化物

13、氧化物/半導體場效應晶體管（深入）（半導體場效應晶體管（深入）（10學時）學時） 第第12章章 雙極晶體管（雙極晶體管（10學時）學時） 第第13章章 結型場效應晶體管（結型場效應晶體管（5學時）學時）總計：總計：72學時學時32學時學時Semiconductor Physics24緒論緒論 第一部分第一部分 半導體材料屬性半導體材料屬性 第第1章章半導體材料科學和集成電路（半導體材料科學和集成電路（2學時）學時） 固體晶格結構固體晶格結構 第第3章章 固體量子理論初步固體量子理論初步 （4學時）學時） 第第4章章 平衡狀態(tài)下的半導體（平衡狀態(tài)下的半導體（5學時）學時） 第第5章章 載流子輸運

14、與過剩載流子現象（載流子輸運與過剩載流子現象（5學時）學時） 第第6章章 半導體中的非平衡過剩載流子半導體中的非平衡過剩載流子 （6學時）學時）第二部分第二部分 半導體器件基礎半導體器件基礎 第第7章章 PN結結 （3學時）學時） 第第8章章 pn結二極管結二極管 （5學時）學時）第三部分第三部分 專用半導體器件專用半導體器件 第第14章光器件典型器件原理與應用章光器件典型器件原理與應用 （2學時）學時）Semiconductor Physics25本課程的目標本課程的目標了解電子科學與技術、微電子學專業(yè)的：了解電子科學與技術、微電子學專業(yè)的：l基礎知識與基本技能、基礎知識與基本技能、l應用領

15、域及研究熱點、應用領域及研究熱點、l學科方向與發(fā)展趨勢學科方向與發(fā)展趨勢麥可思調查顯示：就業(yè)相關度麥可思調查顯示：就業(yè)相關度Semiconductor Physics26考核與記分方式平時成績占40，期末考試占60。考試采用閉卷形式。Semiconductor Physics27第1 章 固體晶格結構v1 1.1 .1 半導體材料半導體材料v典型半導體及分類典型半導體及分類v1.2 1.2 固體類型固體類型v三種固體形態(tài)三種固體形態(tài)v1.3 1.3 晶體的空間點陣結構晶體的空間點陣結構v晶體學基本概念和基本晶格結構晶體學基本概念和基本晶格結構v 金剛石結構和閃鋅礦結構金剛石結構和閃鋅礦結構v

16、米勒指數米勒指數v1.4 1.4 倒格子倒格子 （閱讀內容）（閱讀內容）v1.5 1.5 晶體中原子之間的價鍵晶體中原子之間的價鍵v離子、原子、金屬及分子晶體離子、原子、金屬及分子晶體v1.6 1.6 晶體中的缺陷與雜質晶體中的缺陷與雜質v缺陷類型和雜質類型缺陷類型和雜質類型v1.7 1.7 半導體單晶材料的生長半導體單晶材料的生長v單晶材料及外延生長單晶材料及外延生長v1.8 1.8 小結小結Semiconductor Physics282011072032劉智超男應用物理學(2011)2013072012郭舒婷女應用物理學(2013)2013072032戚李娟女應用物理學(2013)201

17、3072042閻道磊男應用物理學(2013)2013401115童樹銘男應用物理學(2013)2014073001莊素娜女光電信息科學與工程(2014)2014073002謝皓男光電信息科學與工程(2014)2014073003朱婷玉女光電信息科學與工程(2014)2014073004龍浩毅男光電信息科學與工程(2014)2014073005吳紫君女光電信息科學與工程(2014)2014073006陸澤華男光電信息科學與工程(2014)2014073008陳思儀女光電信息科學與工程(2014)2014073009邱輝燕女光電信息科學與工程(2014)2014073010陳澤佳男光電信息科學與工

18、程(2014)2014073012張雪虹女光電信息科學與工程(2014)2014073013麥曉文女光電信息科學與工程(2014Semiconductor Physics29014073014何強枝男光電信息科學與工程(2014)2014073016岑穎欣女光電信息科學與工程(2014)2014073018梁宇航男光電信息科學與工程(2014)2014073020鄧秋蓉女光電信息科學與工程(2014)2014073021蔡華志男光電信息科學與工程(2014)2014073022李廣業(yè)男光電信息科學與工程(2014)2014073023溫俊鵬男光電信息科學與工程(2014)2014073024唐

19、林男光電信息科學與工程(2014)2014073025阮爵梅女光電信息科學與工程(2014)2014073026陳兢男光電信息科學與工程(2014)2014073029羅紫茵女光電信息科學與工程(2014)2014073031莫漢斌男光電信息科學與工程(2014)2014073032蔡文嫻女光電信息科學與工程(2014)2014073033林飛燕女光電信息科學與工程(2014)2014073034陳秋鎮(zhèn)男光電信息科學與工程(2014)Semiconductor Physics3014073036關若夢女光電信息科學與工程(2014)2014073037關開峰男光電信息科學與工程(2014)20

20、14073039齊哲遠男光電信息科學與工程(2014)2014073040胡肖殷女光電信息科學與工程(2014)2014073042林坤意女光電信息科學與工程(2014)2014073043陳穎妍女光電信息科學與工程(2014)2014073044劉韻怡女光電信息科學與工程(2014)2014073045陳凱琪女光電信息科學與工程(2014)2014073046許瑞誠男光電信息科學與工程(2014)2014073048黃正添男光電信息科學與工程(2014)2014073049盧桂良男光電信息科學與工程(2014)2014073052王靖男光電信息科學與工程(2014)2014073053彭飛輝

21、女光電信息科學與工程(2014)2014073054鐘采陽女光電信息科學與工程(2014)2014073055謝粒敏女光電信息科學與工程(2014)2014073058竇家琪女光電信息科學與工程(2014)2014073059梁家偉男光電信息科學與工程(2014Semiconductor Physics311 1.1 .1 半導體材料半導體材料v半導體半導體(Semiconductor)，v電阻率介于電阻率介于1010-3-3 10106 6.cm.cm， 1041010cm,v介于金屬（介于金屬（1010-6-6.cm.cm）和絕緣體（）和絕緣體（10101212.cm.cm）之間）之間Se

22、miconductor Physics32你認識的半導體有哪些特性？你認識的半導體有哪些特性？v純凈半導體負溫度系數，摻雜半導體在一定溫度區(qū)純凈半導體負溫度系數，摻雜半導體在一定溫度區(qū)域出現正溫度系數域出現正溫度系數v不同摻雜類型的半導體做成不同摻雜類型的半導體做成pnpn結后，或是金屬與半結后，或是金屬與半導體接觸后，電流與電壓呈非線性關系，可以有整導體接觸后，電流與電壓呈非線性關系，可以有整流效應流效應v具有光敏性，用適當波長的光照射后，材料的電阻具有光敏性，用適當波長的光照射后，材料的電阻率會變化，即產生所謂光電導率會變化，即產生所謂光電導v半導體中存在著電子與空穴兩種載流子半導體中存在

23、著電子與空穴兩種載流子Semiconductor Physics331 1.1 .1 半導體材料半導體材料元素半導體與化合物半導體元素半導體與化合物半導體Semiconductor Physics341 1.1 .1 半導體材料半導體材料構成半導體材料的主要元素及其在周期表中的位置構成半導體材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素對稱以四族元素對稱III-V族和族和II-VI化化合物半導體合物半導體氮化物？氮化物？氧化物？氧化物？I-VIISemiconductor Physics351.2 1.2 固體類型固體類型固體固體：處于凝固狀態(tài)下的物體，通常具有一定的：處于凝固狀態(tài)下的物體，通常

24、具有一定的形狀和體積。按其內部原子的排列情況可分形狀和體積。按其內部原子的排列情況可分為以下三種主要的結構類型，為以下三種主要的結構類型，即單晶、多晶即單晶、多晶和非晶。和非晶。固體材料的三種主要結構類型及其特征：固體材料的三種主要結構類型及其特征：（1 1）單晶單晶：長程有序（整體有序，宏觀尺度，：長程有序（整體有序，宏觀尺度，通常包含整塊晶體材料，一般在毫米量級以通常包含整塊晶體材料，一般在毫米量級以上）；上）；（2 2）多晶多晶：長程無序，短程有序（團體有序，：長程無序，短程有序（團體有序，成百上千個原子的尺度，每個晶粒的尺寸通成百上千個原子的尺度，每個晶粒的尺寸通常是在微米的量級）；常

25、是在微米的量級）；（3 3）非晶非晶（無定形）：基本無序（局部、個（無定形）：基本無序（局部、個體有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾個原體有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾個原子或分子的尺度，即納米量級，一般只有十子或分子的尺度，即納米量級，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍）幾埃至幾十埃的范圍）Semiconductor Physics361.2 1.2 固體類型固體類型v單晶單晶：長程有序（整體有序，宏觀尺度，通常包含整塊晶體材料，一般在：長程有序（整體有序，宏觀尺度，通常包含整塊晶體材料，一般在毫米毫米量級以上）；量級以上）；v多晶多晶：長程無序，短程有序（團體有序，成百上千個原子的尺度，每個晶粒

26、的：長程無序，短程有序（團體有序，成百上千個原子的尺度，每個晶粒的尺寸通常是在尺寸通常是在微米微米的量級）；的量級）；v非晶（無定形）非晶（無定形）：基本無序（局部、個體有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾：基本無序（局部、個體有序，僅限于微觀尺度，通常包含幾個原子或分子的尺度，即個原子或分子的尺度，即納米納米量級，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍）量級，一般只有十幾埃至幾十埃的范圍）單晶單晶有周期性有周期性非晶非晶無周期性無周期性多晶多晶短區(qū)域內周期性短區(qū)域內周期性Semiconductor Physics371.3.2 1.3.2 空間點陣結構空間點陣結構固體最終形成使系統(tǒng)的能量最小的結構固體最終

27、形成使系統(tǒng)的能量最小的結構u保持電中性（靜電能最?。┍３蛛娭行裕o電能最?。﹗使離子間的強烈排斥最小使離子間的強烈排斥最小u使原子盡可能的靠近使原子盡可能的靠近u滿足鍵的方向性滿足鍵的方向性由于構成晶體的粒子的不同性質，使得其空間的周由于構成晶體的粒子的不同性質，使得其空間的周期性排列也不相同；為了研究晶體的結構，將構成期性排列也不相同；為了研究晶體的結構，將構成晶體的粒子抽象為一個點，這樣得到的空間點陣成晶體的粒子抽象為一個點，這樣得到的空間點陣成為晶格為晶格Semiconductor Physics382 2.3.2 .3.2 空間點陣結構空間點陣結構v晶格的周期性晶格的周期性v晶格的周期

28、性通常用晶格的周期性通常用原胞原胞和和基矢基矢來描述。來描述。p原胞：一個晶格原胞：一個晶格最小最小的周期性單元的周期性單元原胞的選取不原胞的選取不是唯一的是唯一的;三維晶格的原三維晶格的原胞通常是一個平胞通常是一個平行六面體行六面體Semiconductor Physics391.3.2 晶體的空間點陣結構p晶胞：也稱為單胞，通常是以格點為頂點、以三個晶胞：也稱為單胞，通常是以格點為頂點、以三個獨立方向上的周期為邊長所構成的平行六面體。它獨立方向上的周期為邊長所構成的平行六面體。它是晶體中的一個小的單元，可以用來不斷重復，從是晶體中的一個小的單元，可以用來不斷重復，從而得到整個晶體，通常能夠

29、反映出整塊晶體所具有而得到整個晶體，通常能夠反映出整塊晶體所具有的對稱性的對稱性p相同點相同點l用來描述晶體中晶格周期性的最小重復單元用來描述晶體中晶格周期性的最小重復單元p不同點：不同點：l固體物理學：固體物理學：原胞只強調晶格的周期性原胞只強調晶格的周期性，其最小重復單，其最小重復單元為原胞元為原胞 l結晶學：結晶學：晶胞還要強調晶格中原子分布的的對稱性晶胞還要強調晶格中原子分布的的對稱性。Semiconductor Physics401.3.2 1.3.2 晶體的空間點陣結構晶體的空間點陣結構p基矢：晶胞的三個相互獨立的邊矢量。基矢：晶胞的三個相互獨立的邊矢量。 如：簡立方晶格的立方單元

30、就是最小的周期性單元，通常就如：簡立方晶格的立方單元就是最小的周期性單元，通常就選取它為原胞，晶格基矢沿三個立方邊，長短相等：選取它為原胞，晶格基矢沿三個立方邊，長短相等：123aaiaa jaak Semiconductor Physics412 2.3.2 .3.2 晶體的空間點陣結構晶體的空間點陣結構p立方晶系基本的晶體結構：立方晶系基本的晶體結構：常見的三個基本的立方結構及其晶格常數，分別是常見的三個基本的立方結構及其晶格常數，分別是簡單立方、體心立方和面心立方，立方體的邊長即簡單立方、體心立方和面心立方，立方體的邊長即為晶格常數。為晶格常數。（1 1）簡單立方結構（）簡單立方結構（S

31、CSC）（2 2）體心立方結構（）體心立方結構（BCCBCC）（3 3）面心立方結構（）面心立方結構（FCCFCC）Semiconductor Physics421.3.2 晶體的空間點陣結構u簡單立方結構簡單立方結構Simple CubicSimple CubicSemiconductor Physics43Semiconductor Physics441.3.2 1.3.2 晶體的空間點陣結構晶體的空間點陣結構u體心立方結構體心立方結構Body-Centered-CubicBody-Centered-CubicSemiconductor Physics3.典型結構的配位數典型結構的配位數(

32、1)六角密積和立方密積的配位數都是十二。即晶六角密積和立方密積的配位數都是十二。即晶體中最大配位數為十二。體中最大配位數為十二。(2)當晶體不是由全同的粒子組成時，相應的配位當晶體不是由全同的粒子組成時，相應的配位數要數要減小減小。(3) 對稱性和周期性，以及結合能最小、最穩(wěn)固對稱性和周期性，以及結合能最小、最穩(wěn)固的因素：相應的配位數只能取的因素：相應的配位數只能取:8(CsCl型結構型結構)、6(NaCl型結構型結構)、4(金剛石型結金剛石型結構構)、3(層狀結構層狀結構)、2(鏈狀結構鏈狀結構)。Semiconductor Physics46金剛石結構：金剛石結構：面心立方原胞內還面心立方

33、原胞內還有有4個原子，位于個原子，位于體對角線的體對角線的1/4處處Semiconductor Physics47金剛石和石墨結構金剛石和石墨結構Semiconductor Physics481.5 1.5 晶體中原子之間的價鍵晶體中原子之間的價鍵原子或分子結合形成晶體，最終達到平衡時系統(tǒng)的能量必須達原子或分子結合形成晶體，最終達到平衡時系統(tǒng)的能量必須達到最低。到最低。1. 1. 離子晶體：離子鍵（離子晶體：離子鍵（Ionic bondingIonic bonding），例如），例如NaClNaCl晶晶 體等；體等；2. 2. 共價晶體：共價鍵（共價晶體：共價鍵（Covalent bondin

34、gCovalent bonding），例如），例如 SiSi、GeGe以及以及GaAsGaAs晶體等；晶體等；3. 3. 金屬晶體：金屬鍵（金屬晶體：金屬鍵（Metallic bondingMetallic bonding），例如），例如 LiLi、NaNa、K K、BeBe、MgMg以及以及FeFe、CuCu、AuAu、AgAg等；等；4. 4. 分子晶體：范德華鍵（分子晶體：范德華鍵（Van der Waals bondingVan der Waals bonding），）， 例如惰性元素氖、氬、氪、氙等在低溫下則形成分例如惰性元素氖、氬、氪、氙等在低溫下則形成分 子晶體，子晶體，HFHF

35、分子之間在低溫下也通過范德華鍵形成分子之間在低溫下也通過范德華鍵形成 分子晶體。分子晶體。Semiconductor Physics49硅材料中共價鍵形成示意圖硅材料中共價鍵形成示意圖Semiconductor Physics501.6 1.6 晶體中的缺陷與雜質晶體中的缺陷與雜質理想單晶材料中不含任何缺陷與雜質，且晶體中的原子都處于理想單晶材料中不含任何缺陷與雜質，且晶體中的原子都處于晶格中的平衡位置，實際的晶體材料并非如此理想和完美無晶格中的平衡位置，實際的晶體材料并非如此理想和完美無缺，存在晶格的熱振動。缺，存在晶格的熱振動。一、點缺陷一、點缺陷 分為分為空位，間隙原子及雜質空位，間隙原

36、子及雜質 空位與間隙原子空位與間隙原子 由于晶格熱振動，而且振動能量存在漲落，總有一部分原子由于晶格熱振動，而且振動能量存在漲落，總有一部分原子的熱運動能量大到能克服其所在位置的熱能，的熱運動能量大到能克服其所在位置的熱能，脫離格點的位脫離格點的位置，使格點處出現空位置，使格點處出現空位，離開正常格點位置的原子可能落入，離開正常格點位置的原子可能落入晶格間隙之中，成為晶格間隙之中，成為自間隙原子自間隙原子。靠的很近的空位和填隙原子會在兩個點缺陷之間發(fā)生相互作用，靠的很近的空位和填隙原子會在兩個點缺陷之間發(fā)生相互作用，形成形成弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷；或移動到晶體表面，形成或移動到晶體表面，形成

37、肖特基缺陷肖特基缺陷；若表面原子進入晶體內部晶格，則形成單獨的若表面原子進入晶體內部晶格，則形成單獨的間隙原子間隙原子。Semiconductor Physics51p反結構缺陷反結構缺陷對于化合物半導體存在一種反結構缺陷，即應該是對于化合物半導體存在一種反結構缺陷，即應該是A A原子的原子的格點上為格點上為B B原子所占據，應為原子所占據，應為B B原子的格點為原子的格點為A A原子所據。原子所據。反位反位Semiconductor Physics52雜質雜質晶體中與本體原子不同的元素的原子均稱為雜質晶體中與本體原子不同的元素的原子均稱為雜質。來源：有可能是材料制備或器件制造工藝過程中的沾污

38、，來源：有可能是材料制備或器件制造工藝過程中的沾污，也有可能來源于人為的引入，用以控制其電學及其它特性。也有可能來源于人為的引入，用以控制其電學及其它特性。雜質在半導體中存在方式：雜質在半導體中存在方式：間隙式和替位式間隙式和替位式。間隙式雜質：位于本體原子晶格間隙中，這類雜質原間隙式雜質：位于本體原子晶格間隙中，這類雜質原子半徑較小，如子半徑較小，如H H、LiLiSemiconductor Physics53替位式雜質：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類替位式雜質：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類雜質原子價電子殼層結構接近本體原子，如雜質原子價電子殼層結構接近本體原子，如、族在族在S

39、iSi、Ge(Ge(族族) )中的情況；中的情況；、族在族在化合物中?；衔镏?。Semiconductor Physics54雜質原子激活：雜質原子激活：人為引入的雜質原子，人為引入的雜質原子， 只有處于替位式時，才能激活，起只有處于替位式時，才能激活，起到改變和控制半導體材料導電性的作用。例如到改變和控制半導體材料導電性的作用。例如, , 族元族元素原子摻入素原子摻入SiSi、GeGe中，多以替位式存在。中，多以替位式存在。Semiconductor Physics55 晶體中引入雜質的方法稱為晶體中引入雜質的方法稱為摻雜（摻雜（DopingDoping），），摻雜的方法摻雜的方法可分為：可

40、分為：（1 1）高溫擴散摻雜（）高溫擴散摻雜（high temperature diffusionhigh temperature diffusion）（2 2）離子注入摻雜（）離子注入摻雜（Ion implantationIon implantation）；）；當雜質存在濃度梯度時，雜質要發(fā)生擴散，擴散強度與濃度梯度，溫當雜質存在濃度梯度時，雜質要發(fā)生擴散，擴散強度與濃度梯度，溫度，晶格尺寸密切有關。實驗證明，擴散流密度度，晶格尺寸密切有關。實驗證明，擴散流密度J J與雜質濃度梯度與雜質濃度梯度N N/ /x x成正比，有成正比，有比例系數比例系數D D稱為擴散系數，分析表明：稱為擴散系數，

41、分析表明：W W為雜質原子移動一個晶格位置需要的能量，與晶格常數有關?？蔀殡s質原子移動一個晶格位置需要的能量，與晶格常數有關?？梢钥吹?，以看到，擴散系數和溫度擴散系數和溫度T T呈指數關系，因而呈指數關系，因而通常擴散工藝總是在高溫通常擴散工藝總是在高溫下進行下進行(700-1200)(700-1200)，以節(jié)約擴散時間。，以節(jié)約擴散時間。Semiconductor Physics56二、線缺陷二、線缺陷指位錯，分為兩類，刃位錯和螺位錯指位錯，分為兩類，刃位錯和螺位錯 刃位錯、螺位錯與混合位錯刃位錯、螺位錯與混合位錯刃位錯刃位錯Semiconductor Physics57螺位錯螺位錯Semi

42、conductor Physics58 三、面缺陷三、面缺陷 主要指層錯主要指層錯 層錯層錯Semiconductor Physics591.7 半導體單晶材料的生長硅單晶材料可以說是目前純度最高的一種材料，其純度已達到百億分之一。生長半導體單晶材料的方法主要有以下幾種：1. 熔體生長法：又稱為切克勞斯基（Czochralski）生長方法，或CZ法。籽晶直拉法。懸浮區(qū)融法FZ：進一步采用區(qū)熔再結晶方法提純2. 外延生長法Semiconductor Physics60籽晶直拉法示意圖2002：300 mm2012: 450mm直徑以每直徑以每9年增大年增大1.5倍倍的速度大型化的速度大型化Semiconductor Physics61分凝系數（分凝