第2章 半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)

1、第2章 半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類和基本性質(zhì)硅的物理化學(xué)性質(zhì)硅材料純度表示方法多晶硅的分級(jí)21 半導(dǎo)體材料的分類及性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類及性質(zhì)（1）物質(zhì)按導(dǎo)電性能分： 導(dǎo)體（電阻率10-6cm） 絕緣體（電阻率1010cm） 半導(dǎo)體（電阻率10-6cm1010cm）半導(dǎo)體材料的分類 按結(jié)構(gòu)分：晶體和非晶體半導(dǎo)體 按化學(xué)組成分：無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體分為：?jiǎn)钨|(zhì)半導(dǎo)體（Si，Ge，Se等） 化合物半導(dǎo)體（GaAs，InP，CdTe，InSb， CuInSe，-族化合物，-化合物， 氧化物，硫化物，稀土化合物等） 有機(jī)半導(dǎo)體可分為：有機(jī)物、聚合物和給體-受體絡(luò)合物三類。 有機(jī)物類

2、包括芳烴、染料、金屬有機(jī)化合物，如紫精、酞菁酞菁、 孔雀石綠、若丹明B等。 硅本征半導(dǎo)體：(沒(méi)有雜質(zhì)，沒(méi)有缺陷，結(jié)構(gòu)完美的半導(dǎo)體單晶） 常溫下載流子濃度為1.51010個(gè)/cm3 ，相應(yīng)電阻率為2.3105cm，導(dǎo)電性能很差，通過(guò)摻雜，提高其導(dǎo)電性能（2）半導(dǎo)體材料的性質(zhì)A 載流子濃度和帶隙寬等性能對(duì)溫度很敏感 載流子濃度：隨溫度升高而迅速上升 帶隙寬（Eg）：隨溫度升高而下降B 電阻率隨溫度變化規(guī)律與金屬導(dǎo)電材料相反 半導(dǎo)體的電阻率隨溫度上升迅速下降， 金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加，導(dǎo)電性能下降C 具有光電效應(yīng) 光照下，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電流或電流變化。包括“光導(dǎo)效應(yīng)”（光照使半導(dǎo)體電阻改

3、變）；“光伏效應(yīng)”（光照使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)）D 具有壓阻效應(yīng) 對(duì)半導(dǎo)體材料施加外應(yīng)力，除變形外，能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，造成電阻率（或電導(dǎo)率）發(fā)生變化E 熱電效應(yīng) 把熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程（溫差電動(dòng)勢(shì)）。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)，比金屬大很多，且熱能與電能的轉(zhuǎn)化效率高。 半導(dǎo)體在溫差發(fā)電器（塞貝克（Seebeck）效應(yīng)）和半導(dǎo)體制冷（帕爾帖效應(yīng)）等方面得到應(yīng)用。 帕爾帖帕爾帖(peltire)效應(yīng)效應(yīng) 電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作

4、帕爾帖熱。 對(duì)帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。Seebeck效應(yīng)效應(yīng) 主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散熱端的載流子往冷端擴(kuò)散，在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)；當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)。自然，

5、p型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為負(fù)），相反，n型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為正），因此利用溫差電動(dòng)勢(shì)的方向即可判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。 可見(jiàn)，在有溫度差的半導(dǎo)體中，即存在電場(chǎng)，因此這時(shí)半導(dǎo)體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級(jí)也是傾斜的；兩端Fermi能級(jí)的差就等于溫差電動(dòng)勢(shì)。F 磁敏感效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)）磁敏感效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)） 通過(guò)電流的半導(dǎo)體在垂直電流方向的磁場(chǎng)作用下，在與電流和磁場(chǎng)垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象。 磁阻效應(yīng)：由于磁場(chǎng)而引起的半導(dǎo)體或?qū)w電阻的變化。 磁阻效應(yīng)（Magne

6、toresistance Effects）是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。 霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，都是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某一速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與洛茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。G 導(dǎo)電效應(yīng) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電，和金屬不同，金屬是靠自由電子導(dǎo)電，半導(dǎo)體是靠電子（e-）和空穴(h+)兩種載流子導(dǎo)電，e- 和h+對(duì)電流都有貢獻(xiàn)。導(dǎo)電性能（電阻

7、率），與載流子濃度由關(guān)。(測(cè)定測(cè)定P,B含量的依據(jù)含量的依據(jù),要多次區(qū)熔提純后，要多次區(qū)熔提純后，去掉其它金屬雜質(zhì)，去掉其它金屬雜質(zhì)，才準(zhǔn)確）才準(zhǔn)確）22 硅的物理化學(xué)性質(zhì)硅的物理化學(xué)性質(zhì)2.2.1 硅的物理性質(zhì)硅的物理性質(zhì) 外層電子外層電子3S23P2（SP3軌道雜化后，軌道雜化后，4個(gè)外層電子個(gè)外層電子等價(jià)）等價(jià)） 固態(tài)（金剛石型結(jié)構(gòu)和非晶硅）固態(tài)（金剛石型結(jié)構(gòu)和非晶硅） 晶體硅，銀灰色，金屬光澤，摩氏硬度晶體硅，銀灰色，金屬光澤，摩氏硬度7，硬而脆，硬而脆，密度密度2.33g/cm3。 液態(tài)硅密度液態(tài)硅密度2.533g/cm3, 冷卻結(jié)晶時(shí)體積增大冷卻結(jié)晶時(shí)體積增大9%左右。左右。 其他

8、性質(zhì)見(jiàn)表其他性質(zhì)見(jiàn)表2-1A 硅的光學(xué)性質(zhì) Eg=1.12eV, 1240/Eg=1240/1.12=1107nm（閾值） 即：波長(zhǎng)小于1107nm的光波，都可以被硅吸收，但可見(jiàn)光范圍內(nèi)是不透明的，近紅外光可以透過(guò)；高折光率和高反射率B 硅的熱學(xué)性質(zhì) 具明顯的熱傳導(dǎo)和熱膨脹性質(zhì)，熔化時(shí)體積縮小，凝固是體積增大，由于硅具有較大的表面張力系數(shù)，可以用懸浮區(qū)溶法生長(zhǎng)單晶C 硅的力學(xué)性質(zhì) 室溫下，性脆，無(wú)延展性；800時(shí)，具明顯塑性。硅的抗拉力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗剪切性能，加工過(guò)程中容易產(chǎn)生彎曲和翹曲。2.2.1 硅的化學(xué)性質(zhì)硅的化學(xué)性質(zhì) 4個(gè)外層電子，可+4價(jià)，+2 價(jià)，-4價(jià)，但沒(méi)有Si+4，Si-4離

9、子。 常溫下，單質(zhì)Si化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，高溫下性質(zhì)活潑 Si +O2-SiO2（400） 常溫下，表面有SiO2鈍化層，容易改變表面態(tài)性質(zhì)，Si表面也容易吸附一層氫，Si:H，保護(hù)硅片氧化鈍化，但吸附的氫容易脫出（硅片加工過(guò)程常利用這一性質(zhì)） Si + SiO2- SiO 高溫熔化時(shí)和石英坩鍋反應(yīng)，形成氣態(tài)的SiO，能降低晶體硅中的氧含量 3Si+2N2-Si3N4（1000以上） Si+Cl2-SiCl4 Si+HCl-HSiCl3 (H2SiCl2,H3SiCl,SiCl4等) 副反應(yīng)很多，需要控制溫度，需要催化劑，提高反應(yīng)的選擇性 Si不溶于所有的酸，包括HF（氧化活性比較底，弱酸，F(xiàn)的電

10、負(fù)性太大，H+不容易離解）,但溶于HF 和HNO3混合溶液（氧化還原反應(yīng)） Si + 4HNO3 + 6HF- -H2SiF6 +4 NO2(g) +4H2O 3Si + 4HNO3 + 18HF-3H2SiF6 +4 NO (g) +8H2O 硅片的酸洗、制絨和腐蝕（顯微結(jié)構(gòu)缺陷）技術(shù)（各向同性腐蝕，反應(yīng)比較激烈，制絨幾分鐘就可以） HNO3和和HF的作用是不同的。的作用是不同的。 Si +4 HF -SiF4 +2H2(g) Si + 2NaOH + H2O-Na2SiO3 + H2(g) （反應(yīng)比較慢，需加熱，各向異性腐蝕制絨，單晶硅）（反應(yīng)比較慢，需加熱，各向異性腐蝕制絨，單晶硅） 與

11、金屬的反應(yīng) Si+2Mg-Mg2Si（放熱反應(yīng)，隔絕空氣，嚴(yán)格控制溫度在500-550，否則影響產(chǎn)品的性質(zhì)。制備硅烷的重要原料，也是硅烷法制備高純硅工藝的重要基礎(chǔ)原料） 大于700：（ MgSi+Mg) 小于700：（ Mg2Si+Si) 大于1000：（ Mg+MgSi)（Mg2Si+4NH4Cl(液氨）-SiH4+2MgCl2+4NH3）與金屬離子的置換反應(yīng) 硅單質(zhì)能置換Cu2+,Pb2+,Ag+,Hg+等不活潑的金屬離子。23 硅材料的純度及多晶硅標(biāo)準(zhǔn)硅材料的純度及多晶硅標(biāo)準(zhǔn) ppm (parts per million,百萬(wàn)分之一10-6), ppb（parts per billion 十億分之一，10-9） ppt （parts per trillion 萬(wàn)億分之一，10-12） 還有個(gè)重要的純度表示方法，100%的硅晶體，原子密度為：4.991022 atm/cm3 1mol Si=6.022051023 個(gè)Si 原子(阿伏加德羅常數(shù)) 1cm3 Si=2.33g=2.33/28.86=0.0807 mol =