第2章 半導(dǎo)體材料特性

1、第第2 2章章 半導(dǎo)體材料特性半導(dǎo)體材料特性 了解原子的結(jié)構(gòu)和結(jié)合是認(rèn)識(shí)硅扮演著半導(dǎo)體材料重要角色的關(guān)鍵。這些知識(shí)一旦掌握，就為理解簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件如何能充當(dāng)復(fù)雜微芯片世界的一部分提供了基礎(chǔ)。 目前，應(yīng)用中最重要的半導(dǎo)體材料是硅。硅用來制造器件并發(fā)揮半導(dǎo)體的作用，源于它獨(dú)特的材料性質(zhì)。本章首先回顧了與分立原子有關(guān)的物理和化學(xué)概念，接著用這些知識(shí)來研究硅材料，以認(rèn)識(shí)它獨(dú)特的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)以及為何具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。本章建立的基本材料和半導(dǎo)體概念將會(huì)用于整個(gè)硅片制造的不同工藝步驟中。固體材料：超導(dǎo)體固體材料：超導(dǎo)體: 大于大于106( cm)-1 導(dǎo)導(dǎo) 體體: 106104( cm)-1 半導(dǎo)體半導(dǎo)

2、體: 10410-10( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10( cm)-1？什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體2.1 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 在原子模型中，原子由三種不同的粒子構(gòu)成：中性中子和帶正電荷的質(zhì)子組成原子核，以及繞核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電荷的電子。原子中的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等，這使得原子呈電中性。 元素是同種原子構(gòu)成的最簡(jiǎn)單的物質(zhì)，具有特定的物理和化學(xué)性質(zhì)。分子是由兩個(gè)或更多的原子構(gòu)成的、通過化學(xué)作用緊密束縛在一起的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的單元?；衔飫t由兩個(gè)或更多的原子構(gòu)成（相同或不同的），它們通過化學(xué)作用緊密束縛在一起，形成一種性質(zhì)不同于組分原子的新物質(zhì)。2.1.1 電子電子 微觀狀態(tài)下發(fā)生的吸

3、引和排斥作用定理是同種電荷相互排斥荷異種電荷相互吸引。帶負(fù)電的軌道電子分布為一個(gè)繞核的空間電子云，通過與帶正電的核的相互吸引作用來保持其位置。各個(gè)電子占據(jù)了包含7個(gè)不同殼層的軌道。例如，在一個(gè)氫原子內(nèi)部，每個(gè)殼層對(duì)應(yīng)了一個(gè)特定的能級(jí)，以從K到Q的字母來區(qū)分。而對(duì)于被稱為多電子原子的其他所有原子而言，每個(gè)殼層的軌道能量并不同。 原子級(jí)的能量單位是電子伏特（eV）。它代表一個(gè)電子從低電勢(shì)處移動(dòng)到高出1V的電勢(shì)處所獲得的動(dòng)能（與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的能量）。1電子伏特等于1.610-19焦能量。電子伏特用來描述半導(dǎo)體制造不同步驟中的電子能量。2.1.1 電子電子 給定一種原子，最外部的電子層就是價(jià)電子層。價(jià)電

4、子位于價(jià)電子層，并以給定原子種的最高能級(jí)狀態(tài)存在，對(duì)原子的化學(xué)和物理性質(zhì)具有顯著的影響。價(jià)電子層中的電子數(shù)隨殼層等級(jí)從K到Q變化。原子中的價(jià)電子層允許容納8個(gè)電子，只有一個(gè)價(jià)電子的原子很容易失去這個(gè)電子。另一方面，原子的價(jià)電子層有7個(gè)電子時(shí)則具有電子親和性，很容易接收一個(gè)電子來填充價(jià)電子層。 能帶理論解釋了固體材料中電子怎樣改變軌道能級(jí)。價(jià)電子分布于價(jià)帶內(nèi)。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶寬帶。某些材料中禁帶寬度具有能量很高的能級(jí)而產(chǎn)生了一個(gè)禁帶（通常大于2eV）。這類材料被稱為絕緣體，因?yàn)殡娮訌膬r(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶很困難。另一類稱為導(dǎo)體的材料中，價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶只需要很小的能量。第三

5、類材料具有介于絕緣體和導(dǎo)體直間的禁帶能量級(jí)別，這類材料被稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的禁帶寬度處于中等程度。硅的禁帶寬度為1.11eV。2.1.1 電子電子 當(dāng)一個(gè)原子失去或得到一個(gè)或多個(gè)電子時(shí)成為離子。原子失去電子時(shí)帶正電荷而得到電子時(shí)帶負(fù)電荷。帶上相反電荷的離子相互吸引，能夠構(gòu)成化學(xué)鍵形成離子化合物。 常見的食鹽氯化鈉就是一個(gè)離子化合物的例子。鈉原子是一種金屬原子，最初是電中性的，因?yàn)樗馁|(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等。如果它失去一個(gè)電子，便成為帶正電的Na+，被稱為陽離子。一個(gè)非金屬的氯原子，得到一個(gè)電子就成為帶負(fù)電的Cl-，被稱為陰離子。 Na+和Cl-由于帶有相反的電荷而相互吸引形成了離子化合物。 許多氣

6、體以分子形式存在。電離是從原子中移去電子的過程，產(chǎn)生了帶正電的原子或分子。電離用于半導(dǎo)體制造的許多工序中。一旦氣體粒子通過電離而帶電，氣流和原子運(yùn)動(dòng)就可以通過靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)得到控制。2. 2 周期表周期表 周期表羅列了目前已知的所有元素。以這種方式組織是因?yàn)樵亻g特定的周期行為模式。 周期表中每個(gè)元素都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的方框。周期表中的每個(gè)元素框提供關(guān)于元素的信息，包括以下內(nèi)容： 原子符號(hào)：代表每個(gè)元素的符號(hào)（例如，Si即硅）。 原子序數(shù)：等于原子核中的質(zhì)子數(shù)。特定元素的所有原子具有相同的原子序數(shù)（因此也具有同樣的電子數(shù)）。 原子質(zhì)量數(shù)：原子中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。同種元素的同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)及不

7、同的中子數(shù)，因此同位素具有不同的質(zhì)量數(shù)。 原子量：也叫原子質(zhì)量。這個(gè)數(shù)字是一種元素自然生成的同位素質(zhì)量按照其豐度的平均值。原子質(zhì)量單位（amu）是質(zhì)量的相對(duì)量度，精確等于碳12原子質(zhì)量的1/12。 我們將主要關(guān)注周期表族號(hào)從IA到VIIIA各列中出現(xiàn)的主族元素。在周期表中，為每列分配一個(gè)族號(hào)，代表價(jià)層電子數(shù)。例如，硼（B）在IIIA族（位于IIIA列），因此有三個(gè)價(jià)電子。2.2.1 離子鍵離子鍵 當(dāng)價(jià)層電子從一種元素的原子轉(zhuǎn)移到另一種原子上時(shí)，就會(huì)形成離子鍵。不穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。氯化鈉就是一個(gè)例子。鈉（Na）位于IA族，表明價(jià)層有1個(gè)電子。Na是一種高腐蝕性的不穩(wěn)定元素，在硅片制造中需

8、要小心控制以避免器件沾污。氯（Cl）位于VIIA族，價(jià)層有7個(gè)電子，原子距離價(jià)層全滿還缺少一個(gè)電子，因此它也是不穩(wěn)定的。由于這種不穩(wěn)定性，這兩種原子（Na和Cl）彼此具有親和性。鈉容易失去電子給氯，形成一個(gè)離子鍵。 在離子鍵的形成過程中，電子轉(zhuǎn)移是一個(gè)很普遍的過程，所以這里定義了兩個(gè)用于這種鍵的特定術(shù)語： 氧化：失去電子 還原：獲得電子 這樣，在NaCl的形成過程中，中性的Na原子失去一個(gè)電子被氧化成帶正電的Na+離子，中性的Cl原子得到一個(gè)電子還原為帶負(fù)電的Cl-離子。2.2.2 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 另一種化學(xué)鍵是共價(jià)鍵，不同元素的原子共有價(jià)層電子。原子通過共有電子來使價(jià)層完全填充而變得穩(wěn)定。HC

9、L就是一個(gè)共價(jià)鍵的例子，其分子是由氫（H）原子和氯（CL）原子之間的共價(jià)鍵構(gòu)成HCL而組成的。2. 3 材料分類材料分類 電流是電荷載流子（金屬中為電子，半導(dǎo)體中為電子和空穴）在外加電場(chǎng)的影響下從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。電流的單位是安培，或amps。將電子材料主要是根據(jù)電流怎樣流經(jīng)這種材料來完成的。 根據(jù)流經(jīng)材料電流的不同可分為三類材料：n導(dǎo)體n絕緣體n半導(dǎo)體2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 導(dǎo)體是電子容易以電流方式流過的材料。優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)體具有高度電流傳導(dǎo)能力，稱為電流密度。導(dǎo)體在原子的最外層通常有一些束縛松散的價(jià)電子，容易失去。金屬典型地具有這種價(jià)電子層結(jié)構(gòu)。在一般的半導(dǎo)體制造中，鋁是最普通的導(dǎo)體材料，它可

10、以用來充當(dāng)器件之間的互連線，而鎢可作為金屬層之間的互連材料。 銅（Cu）是優(yōu)質(zhì)金屬導(dǎo)體的一個(gè)例子，最近它被引入到硅片制造中取代鋁充當(dāng)微芯片上不同器件之間的互連材料。Cu有29個(gè)電子，價(jià)層有一個(gè)電子，距離原子核相對(duì)較遠(yuǎn)。這個(gè)電子容易脫離原子獲得自由并且具備傳導(dǎo)電流的能力。2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 在導(dǎo)體中把一個(gè)價(jià)電子從價(jià)帶移到導(dǎo)帶只需要很少的能量。電子的移去在原子價(jià)帶中留下一個(gè)空位，稱為空穴。每個(gè)導(dǎo)帶電子必定存在一個(gè)價(jià)帶空穴與之對(duì)應(yīng)。價(jià)帶電子能夠躍入空穴的位置，從而推動(dòng)電子的移動(dòng)和導(dǎo)電。這種狀態(tài)稱為電子空穴對(duì)。 在成為導(dǎo)帶自由電子不久，電子即失去能量并跌入價(jià)帶共價(jià)鍵的空穴。這個(gè)過程稱為復(fù)合。一個(gè)電

11、子從導(dǎo)帶移出直到復(fù)合所經(jīng)歷的時(shí)間稱為電子空穴對(duì)的壽命。熱能促使電子空穴對(duì)持續(xù)不斷的產(chǎn)生并隨之復(fù)合。2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體n電導(dǎo)率與電阻率 材料傳導(dǎo)電流的性質(zhì)稱為導(dǎo)電性。材料通常用電阻率（），或者說是對(duì)電流的阻礙能力來表征材料的導(dǎo)電性。電阻率越低的材料具有越好的導(dǎo)電性。電導(dǎo)率和電阻率著這兩個(gè)性質(zhì)只依賴于材料本身，與幾何形狀無關(guān)，可通過以下公式來表述： 1/C 其中， 以歐姆厘米（cm）為單位的電阻率 C電導(dǎo)率 材料的電阻率在半導(dǎo)體產(chǎn)品中很重要，因?yàn)樗绊懙郊呻娐返碾妼W(xué)行為。電阻率能以電阻器的電子元件形式設(shè)計(jì)到集成電路當(dāng)中。在這種情況下，電阻器用于實(shí)現(xiàn)電子電路特定部分需要的電流控制。某些情況下，

12、電阻率是材料的非理想特性，為電流引入了太多阻礙，引起功率耗散和集成電路發(fā)熱。2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體n電導(dǎo)率與電阻率 電阻 電阻阻礙電流流動(dòng)并伴隨著熱消耗。高阻材料具有高的電流阻礙能力。電阻同時(shí)依賴于材料的電阻率和幾何尺寸，通過下式來計(jì)算： R l/面積 其中，R導(dǎo)體材料的電阻，以為單位 導(dǎo)體材料的電阻率，以cm為單位 l導(dǎo)體的長(zhǎng)度，以cm為單位 面積導(dǎo)體的橫截面積，以cm2為單位 硅片制造中特征尺寸的減小使電阻成為一個(gè)重要的參數(shù)。更小的尺寸引起互連線的電阻增加，這個(gè)非理想的效應(yīng)增加了熱損耗。更低的電阻正是銅取代鋁作為主要互連線材料的原因。在半導(dǎo)體制造中電阻應(yīng)用的另一個(gè)例子是利用薄層電阻測(cè)量以控

13、制導(dǎo)電薄膜厚度。既然電阻與幾何尺寸有關(guān)，薄膜的薄層電阻變化也同薄膜厚度有關(guān)。2. 3.2 絕緣體絕緣體 絕緣體是對(duì)電流通過具有很高阻值的材料。絕緣體的另一術(shù)語是電介質(zhì)。絕緣體的價(jià)電子層不具有束縛松散的電子可用于導(dǎo)電，它有很大的禁帶寬度來分隔開價(jià)帶電子和導(dǎo)帶電子。日常生活中絕緣體的例子有橡膠、塑料、玻璃和陶瓷等。半導(dǎo)體制造中的絕緣體包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）和聚酰亞胺（一種塑料材料）。 凈化后的去離子（DI）水是絕緣體的一個(gè)很好的例子。其電阻率約為18106 -cm或18M-cm。去離子水中沒有足夠的自由電子維持小型電池供給的電流。然而，絕緣體的電導(dǎo)率能夠通過攙入雜質(zhì)而增加。

14、以水為例，可以加入普通的食鹽。鹽在水中分離為它的基本離子成分鈉（Na+）和氯（Cl-），形成電解液（一種導(dǎo)電的溶液）。這些帶點(diǎn)離子的最終效應(yīng)與銅導(dǎo)線中的自由電子類似如果有足夠多的帶點(diǎn)離子，電流就能得以維持。攙入雜質(zhì)來改變絕緣材料的導(dǎo)電性也是半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)重要方面。2. 3.2 絕緣體絕緣體n電容 電容是被電介質(zhì)分隔開的兩個(gè)導(dǎo)電極板上的電荷的存儲(chǔ)裝置。電容的單位是法拉，而在集成電路中經(jīng)常以皮法（10-12法拉）來表達(dá)。能夠存儲(chǔ)在電容器中的電荷總量隨待定的物理性質(zhì)而變化。這些性質(zhì)包括極板面積、極板距離、極板間絕緣材料的性質(zhì)，更常見的術(shù)語是介電常數(shù)k（法拉每厘米）?？諝獾膋值為1，而玻璃則在4到7

15、之間。 介電常數(shù)：介電材料是電容器中的關(guān)鍵部分。這種材料能通過更有效的聚集兩個(gè)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)來改變電容器的電容。介電常數(shù)k已經(jīng)成為一個(gè)重要的半導(dǎo)體性能參數(shù)。當(dāng)電流流經(jīng)芯片上連接器件的相鄰金屬導(dǎo)線（成為布線）時(shí)，最好使用低k介質(zhì)來減少電容損耗。2.3.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 第三種類型的材料是半導(dǎo)體。這種材料很特殊，因?yàn)樗饶艹洚?dāng)導(dǎo)體也能充當(dāng)絕緣體。半導(dǎo)體材料具有較小的禁帶寬度（例如Si為1.11eV），其值介于絕緣體（2eV）和導(dǎo)體之間。這個(gè)禁帶寬度允許電子在獲得能量時(shí)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。這種行為在半導(dǎo)體被加熱時(shí)發(fā)生，因而其導(dǎo)電性隨溫度增加而提高（對(duì)導(dǎo)體而言則正好相反）。 圓片制造中最重要的半導(dǎo)體材料

16、是硅，它充當(dāng)半導(dǎo)體圓片襯底超過了芯片總量的85。2. 4 硅硅 硅是一種元素半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗?個(gè)價(jià)電子，與其他元素一起位于周期表中的IVA族。硅中價(jià)層電子的數(shù)目使它正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)價(jià)電子）和絕緣體（8個(gè)價(jià)電子）的中間。 自然界中找不到純硅。必須通過提煉和提純是使硅成為半導(dǎo)體制造中需要的純硅。它通常存在于硅土（氧化硅或SiO2）和其他硅酸鹽中。硅土呈砂粒狀，是玻璃的主要成分。其他形式的SiO2有無色水晶、石英、瑪瑙和貓眼石等。 硅的熔點(diǎn)是1412。硅是一種質(zhì)硬的脆性材料，若變形將很容易破碎，這與玻璃相似。它可以拋光得像鏡面一樣平整。硅表現(xiàn)出許多與金屬一樣的性質(zhì)，同時(shí)也具有非金屬的性質(zhì)。

17、硅介于周期表中導(dǎo)體（金屬）和絕緣體（非金屬）之間，這也是將硅劃分為半導(dǎo)體的原因。2.4.1 純硅純硅 純硅是指沒有雜質(zhì)或者受其他物質(zhì)污染的本征硅。純硅的原子通過共價(jià)鍵共享電子結(jié)合在一起，并使價(jià)電子層完全填充,如右圖所示。 硅的許多性質(zhì)源于其強(qiáng)大的共價(jià)鍵。純硅中的共價(jià)鍵把原子結(jié)合在一起形成固態(tài)的，電學(xué)上穩(wěn)定的絕緣材料。純硅是一種拙劣的導(dǎo)體，因?yàn)樗袃r(jià)電子層都被共價(jià)鍵完全填充。以純硅形式而言，硅并不是有用的半導(dǎo)體。 當(dāng)兩個(gè)或更多的原子以這種可重復(fù)的形式結(jié)合在一起形成固態(tài)材料時(shí)，被稱為晶體。晶體是光滑、透明的固體，形成了三維的晶格結(jié)構(gòu)。窗戶玻璃就是晶體材料的一個(gè)例子。2.4.2 為何選擇硅為何選擇硅

18、 鍺是20世紀(jì)40年代和50年代早期第一個(gè)用作半導(dǎo)體的材料，但它很快被硅取代了。為什么硅被選為主要的半導(dǎo)體材料呢？主要有4個(gè)理由：n硅的豐裕度n更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限n更寬的工作溫度范圍n氧化硅的自然生成2.4.3 摻雜硅摻雜硅 純凈狀態(tài)下的硅在半導(dǎo)體技術(shù)中應(yīng)用極少。不過，借助一個(gè)稱為摻雜的工序，硅的結(jié)構(gòu)可以通過加入少許其他元素而改變，以顯著增加其導(dǎo)電性。摻雜是通過加入某種元素到純硅中以明顯增加半導(dǎo)體導(dǎo)電性的過程。例如，純硅的電阻率（）接近2.5105-cm。如果每一百萬個(gè)硅原子中有一個(gè)硅原子被一個(gè)砷原子取代，電阻率將下降到0.2-cm。電導(dǎo)率增加了1250000倍。 摻雜時(shí)加入的元

19、素稱為摻雜劑或雜質(zhì)，因?yàn)楣璨辉偈羌儍舻牧恕Q句話說，我們向硅中摻入雜質(zhì)使得它能傳導(dǎo)電流。摻雜越多，電導(dǎo)率也越高（或者說電阻率越低）。我們故意摻入雜質(zhì)以增加硅的導(dǎo)電性。摻雜硅又被稱為非本征硅。 向硅中摻入雜質(zhì)以改變導(dǎo)電性這一概念時(shí)半導(dǎo)體制造的一個(gè)關(guān)鍵問題。如果能夠摻入雜質(zhì)改變硅的導(dǎo)電性并進(jìn)一步控制硅何時(shí)充當(dāng)導(dǎo)體或絕緣體，那么我們就把握了固態(tài)技術(shù)的本質(zhì)。2.4.3 摻雜硅摻雜硅n摻雜劑材料摻雜劑材料 硅位于周期表中的IVA族，并且有四個(gè)價(jià)電子。相鄰兩族的元素通常用于摻雜：IIIA族和VA族。 IIIA族元素由于具有三個(gè)價(jià)電子而稱為三價(jià)態(tài)，VA族元素則由于具有五個(gè)價(jià)電子而稱為五價(jià)態(tài)。三價(jià)摻雜劑增加了

20、空穴的數(shù)目（正性摻雜劑或p型），而五價(jià)摻雜劑將增加自由電子的數(shù)目（負(fù)性摻雜劑或n型）。 III族（p型） IV族 V族（n型） 硼 5 碳 6 氮 7 鋁 13 硅 14 磷 15 鎵 31 鍺 32 砷 33 銦 49 錫 50 銻 51受主雜質(zhì)半導(dǎo)體施主雜質(zhì)2.4.3 摻雜硅摻雜硅 當(dāng)三價(jià)摻雜劑的原子加入到硅中時(shí)，得到的材料稱為p型硅。三價(jià)摻雜劑稱為受主（它們得到一個(gè)額外的可移動(dòng)電子），最常見的受主元素是硼。當(dāng)五價(jià)元素加入到純硅中時(shí)，得到的材料稱為n型硅。五價(jià)摻雜劑稱為施主（它們貢獻(xiàn)一個(gè)額外的可移動(dòng)電子），典型情況下包括磷、砷和銻。 P2.4.3 摻雜硅摻雜硅n型硅 對(duì)于n型硅，導(dǎo)帶電子多

21、于價(jià)帶空穴。右圖展示了加入五價(jià)摻雜劑原子的硅。 硅原子和施主磷原子之間將形成共價(jià)鍵，每個(gè)共價(jià)鍵共用磷原子的一個(gè)電子。不過，磷原子的第五個(gè)電子并不束縛在任何硅原子的周圍，正因?yàn)榇耍自拥牡谖鍌€(gè)電子只需要很少的能量就可以逃逸并進(jìn)入導(dǎo)帶。對(duì)n型硅而言，導(dǎo)帶自由電子施多數(shù)載流子，在材料中甚多。也存在少量的少數(shù)載流子即價(jià)帶空穴。2.4.3 摻雜硅摻雜硅 導(dǎo)帶中有1個(gè)電子對(duì)導(dǎo)電意義并不顯著。然而當(dāng)我們對(duì)硅進(jìn)行摻雜時(shí)，加入了約數(shù)百萬個(gè)摻雜劑原子，產(chǎn)生很多不屬于共價(jià)鍵的電子。在電子和空穴之間存在著大量的移動(dòng)行為。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴相互吸引。電子可以相對(duì)容易地進(jìn)入導(dǎo)帶。如果對(duì)材料施加一個(gè)電壓，電子便能

22、匯聚成電流的形式流過材料。 要注意摻雜硅仍舊時(shí)電中性的（這對(duì)于p型硅和n型硅都適用）。就n型硅而言，這是因?yàn)槊總€(gè)磷原子仍有相同的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)，硅原子也是如此。這樣半導(dǎo)體中電子和質(zhì)子的總量仍然相等，結(jié)果凈電荷為零。不相等的是，導(dǎo)帶電子（多數(shù)載流子）的數(shù)目遠(yuǎn)大于價(jià)帶空穴（少數(shù)載流子）的數(shù)目。B2.4.3 摻雜硅摻雜硅p型硅 在右圖所示的p型硅中，硼原子是p型受主，與相鄰的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。硼受主原子由于缺乏第四個(gè)電子而產(chǎn)生了一個(gè)電子的空缺，因而產(chǎn)生了p型硅。價(jià)電子層中存在過量的空穴（電子的空缺）。 既然價(jià)帶空穴數(shù)多于導(dǎo)帶電子數(shù)，空穴就是p型硅中主要的電流載流子?？昭ū环Q為多數(shù)載流子而電子被稱

23、為少數(shù)載流子。如果對(duì)p型硅施加一個(gè)直流電壓，則大量的空穴將吸引電子從電流源的負(fù)端流向p型半導(dǎo)體。這就是p型半導(dǎo)體中的電流。由于每次一個(gè)電子流入一個(gè)空穴將在它前面的位置產(chǎn)生一個(gè)空穴，看上去就好像空穴在移動(dòng)。即空穴看起來沿著與電子相反的方向移動(dòng)。2.4.3 摻雜硅摻雜硅摻雜硅的電阻率 通過向硅的晶體結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅的電阻率的精確控制。雜質(zhì)原子在硅中的濃度決定了材料的導(dǎo)電能力。純硅具有約250000-cm的電阻率，是一種絕緣體。相比之下，銅是一種優(yōu)良導(dǎo)體，它的電阻率為1.7m-cm。通過向純硅中加入適當(dāng)類型和濃度的雜質(zhì)，摻雜硅的電阻率下降，而導(dǎo)電性增加。對(duì)于一個(gè)給定的電阻率，n型摻雜的濃度

24、低于p型的。這是因?yàn)橐苿?dòng)一個(gè)電子比移動(dòng)一個(gè)空穴需要更少的能量。 要使硅成為有用的導(dǎo)體只需要很小量的摻雜（小至0.000001到0.1）。這對(duì)于在硅片上制做半導(dǎo)體器件卻是很重要的。在半導(dǎo)體制造期間，硅中的摻雜劑量，或者說濃度，必須小心控制以獲得準(zhǔn)確的電阻率。2.4.4 pn結(jié)結(jié) 我們用五價(jià)或三價(jià)元素對(duì)純硅進(jìn)行摻雜以獲得n型或p型半導(dǎo)體。摻雜元素的類型和濃度決定了使電子還是空穴導(dǎo)電，也決定了硅最終的電阻率值。載流子數(shù)，進(jìn)而電阻率，決定于硅晶體中的凈施主數(shù)或凈受主數(shù)。因此，n型摻雜可以注入或擴(kuò)散到p型區(qū)并把這一區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)閚型區(qū)（反之亦然）。為此，這一區(qū)域中n型施主的濃度必須大于p型受主的。 結(jié)合硅晶

25、體中n型區(qū)和p型區(qū)的能力很重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件要成為有用的電子器件這兩種區(qū)域都將需要。n型和p型區(qū)域之間的結(jié)也很重要，它創(chuàng)造出硅作為半導(dǎo)體的一些有用特性。這個(gè)結(jié)被稱為pn結(jié)。2.4.4 pn結(jié)結(jié) pn結(jié)是固態(tài)電子學(xué)的精髓，也是半導(dǎo)體硅片隨施加給結(jié)的電壓不同可以獲得它們獨(dú)一無二的導(dǎo)體或絕緣體性質(zhì)之根據(jù)所在。在硅片制造中幾乎都是通過離子注入來制作pn結(jié)的。 注意pn結(jié)是在兩部分本質(zhì)相同的材料之間形成的。P型和n型材料除去微量的摻雜以外幾乎沒有什么不同。n型材料由施主雜質(zhì)獲得了過剩的可移動(dòng)電子，而p型材料具有過剩的可移動(dòng)空穴。說一種材料與另一種材料接觸是不實(shí)的。結(jié)很緊密，n型和p型材料都是在同一種連續(xù)固體物質(zhì)中形成的。包含pn結(jié)的硅晶體仍舊看上去像并且表現(xiàn)得與純的晶體材料類似。 在半導(dǎo)體制造中pn結(jié)的深度和精確度實(shí)很關(guān)鍵的。隨著器件關(guān)鍵尺寸的縮小，精確控制硅中pn結(jié)（例如結(jié)深）和摻雜濃度的能力成為半導(dǎo)體芯片制造最主要的挑戰(zhàn)。2.5 可選擇的半導(dǎo)體材料可選擇的半導(dǎo)體材料 鍺和硅都是IVA族的兩種元素的半導(dǎo)體材料，有4個(gè)價(jià)電子。我們知道鍺是用于晶體管制造的第一種半導(dǎo)體材料，并出于工藝和性能的原因，在20世紀(jì)50年代被硅取代了。 對(duì)于特定的