半導體基本知識2

1、半導體基本知識 JOHNE半導體材料的特征 自然界的物質(zhì)，按其導電強弱，一般可分為三大類，即導體、半導體和絕緣體。容易導電的物質(zhì)稱為導體，如金、銀、銅、鋁等各種金屬與合金都是良導體，它們的電阻率一般在104歐姆厘米以下。不容易導電的物質(zhì)稱為絕緣體，如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等，它們的電阻率在109歐姆厘米以上。顧名思義，半導體的導電性介于導體和絕緣體之間。它具有如下的主要特征。（l）雜質(zhì)影響半導體導電性能 在室溫下，半導體的電阻率在 104109歐姆厘米之間。而且，加入微量雜質(zhì)能顯著改變半導體的導電能力。摻入的雜質(zhì)量不同時，可使半導體的電阻率在很大的范圍內(nèi)發(fā)生變化。另外，在同一種材料中摻入不同類

2、型的雜質(zhì)，可以得到不同導電類型的材料。（2）溫度影響半導體材料導電性能 溫度能顯著改變半導體的導電性能。在一般的情況下，半導體的導電能力隨溫度升高而迅速增加，也就是說，半導體的電阻率具有負溫度系數(shù)。而金屬的電阻率具有正溫度系數(shù)，且隨溫度的變化很慢。（3）有兩種載流子參加導電 在半導體中，參與導電的載流子有兩種。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導體材料，既可以形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。在金屬中則僅靠電子導電，而在電解質(zhì)中，靠正離子和負離子同時導電。（4）其它外界條件對導電性能的影響 半導體的導電能力還會隨光照而發(fā)生變化。例如一層淀

3、積在絕緣基板上的硫化鎘薄膜，其暗電阻約為數(shù)十兆歐，當受光照后，其電阻可下降到數(shù)十千歐。這種現(xiàn)象稱為光電導效應。此外，半導體的導電能力還會隨電場、磁場、壓力和環(huán)境的作用而變化，具有其它特性和效應。 半導體材料的類別 元素半導體元素周期表中, 已經(jīng)知道有十來個元素具有半導體性質(zhì)，其中，形態(tài)穩(wěn)定、工藝成熟的只有硅、鍺、硒三種。硅具有優(yōu)良的半導體性質(zhì)，是現(xiàn)代最主要的半導體材料，已在晶體管、集成電路及其它器件中大量使用。鍺也具有良好的半導體的性質(zhì)，是重要的半導體材料之一。硒的半導體性質(zhì)發(fā)現(xiàn)得很早，用于制作整流器、光電導器件等。其它元素半導體都還未獲得實際應用?；衔锇雽w化合物半導體可分為無機化合物半導

4、體和有機化合物半導體兩種。有機化合物半導體仍處研究探索階段，一般所說的化合物半導體指無機化合物半導體。無機化合物半導體由兩種（二元系）或多種（多元系）元素組成。由III族和V族元素組成的III-V族化合物半導體GaAs是應用最廣的化合物半導體，用于制作微波器件、激光器和集成電路。其它如InP、AlP、GaP、InAs、InSb等III-V族化合物半導體，ZnS、CdS、ZnSe、HgSe等II-VI族化合物半導體、IV-IV族化合物半導體材料SiC等都有一定的應用。多元系化合物半導體用途較少。固溶半導體由兩個或兩個以上具有足夠含量的的元素構(gòu)成的固體溶液，如果具有半導體性質(zhì)，就稱為固溶半導體，簡

5、稱固溶體或混晶。半導體材料中提純殘留的雜質(zhì)和有意摻入的雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量很低，在半導體材料的分類中不屬于固溶半導體。另一方面，固溶半導體又與化合物半導體有區(qū)別，后者是靠其價鍵按一定化學配比構(gòu)成，而固溶體組成元素的含量在其固溶度范圍內(nèi)可連續(xù)變化，其半導體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。利用固溶半導體的這一特點可得到性質(zhì)多樣的半導體材料以滿足不同的應用要求。主要的固溶體半導體有：元素固溶體Ge-Si，III-V族固溶體Ga1-xAlxAs，II-VI族固溶體HgxCd1-xTe等。晶體與非晶體自然界的物質(zhì)最常見的形態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。固態(tài)或稱固體，又可分為晶體和非晶體。晶體和非

6、晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理、化學性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。玻璃、松香和橡膠等是非晶體；鍺、硅等半導體芯片材料，銅、鐵、鋁等金屬，以及石英、食鹽、金剛石等是晶體。晶體區(qū)別于非晶體的主要特征有以下方面：1 晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀 如食鹽晶體為立方體，石英晶體為六方柱體等；而玻璃、橡膠等非晶體就沒有規(guī)則的外形。2 晶體具有固定的熔點 晶體在熔化或凝固過程中，保持確定不變的溫度，這一溫度稱為晶體的熔點。只有當晶體全部熔化或全部凝固后，它的溫度才發(fā)生變化。而非晶體則沒有確定的熔點。3 晶體具有各向異性性 晶體的機械、電學、熱學、光學等物理和化學性質(zhì)隨其方向不同而不同，非晶體的物理、化學性質(zhì)則是各向同性的。以上特征

7、是從外部宏觀地來進行分析的，晶體與非晶體的差異由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同所決定。晶體內(nèi)部原子排列高度規(guī)則，具有一定的剛性和對稱性非晶體則是一種無定形結(jié)構(gòu)。一般說，由原子或離子有規(guī)則的周期性排列構(gòu)成的固體材料稱為晶體。多晶體和單晶體 晶體有多晶體和單晶體之分。單晶體內(nèi)的原子（或離子）都按同一規(guī)律周期性地排列。常用的半導體材料鍺、硅、砷化鎵都制成單晶體。多晶體則由許多取向不同的小單晶體（又稱晶粒）組成，多晶體內(nèi)的原子（或離子）呈局部周期性規(guī)則排列，不同的局部區(qū)域中原子排列的方向不同。N型半導體和P型半導體 摻雜半導體分為N型半導體和P型半導體兩類。在鍺和硅中摻入磷、砷、銻等V族元素時，這些雜質(zhì)在鍺和硅中起提

8、供電子的作用，使這些半導體以電子導電為主。這類雜質(zhì)叫做施主雜質(zhì)。以電子導電為主的雜質(zhì)半導體稱為N型半導體，相應的雜質(zhì)也叫做N型雜質(zhì)。而在鍺和硅中摻入硼、鋁、鎵或銦等族元素時，這些雜質(zhì)在鍺和硅中起提供空穴的作用，使這些半導體以空穴導電為主。這類雜質(zhì)叫做受主雜質(zhì)。以空穴導電為主的雜質(zhì)半導體稱為P型半導體。相應的雜質(zhì)也叫做P型雜質(zhì)。一般說，施主和受主雜質(zhì)均為替位式雜質(zhì)。它們摻入晶體后，要取代晶格中硅原子的位置。見圖4- 2。圖4- 2 硅中施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)N型半導體和P型半導體（續(xù)）圖4- 2（a）中，磷原子有五個價電子，由于硅晶體中每個原子只有四個近鄰原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周圍硅

9、原子組成共價鍵結(jié)合時，只需四個電子，還多一個電子。這個多余的電子不受共價鍵束縛，因此容易掙脫束縛，變成導帶電子。這種能釋放電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì)。使這個多余電子激發(fā)到導帶所需的能量稱為施主雜質(zhì)電離能。圖4- 2（b）中，硼原子有三個價電子，它同周圍硅原子組成共價鍵時，還缺一個電子，需要從附近硅原子價鍵中奪取一個電子補充，原子便多一個電子，成為負離子，同時，在晶體中產(chǎn)生一個空穴?？昭ㄈ菀讙昝撆痣x子的束縛成為價帶中的導電空穴。這種接受電子而產(chǎn)生空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。使空穴掙脫束縛成為價帶導電空穴所需能量稱作受主雜質(zhì)電離能。由于雜質(zhì)能級靠近導帶底和價帶頂，所以電離能遠小于禁帶寬度。室溫下

10、幾乎所有雜質(zhì)都是電離的，而本征激發(fā)要難得多。通常情況下，雜質(zhì)半導體載流子濃度比本征半導體載流子濃度高得多，導電能力因此也強得多。多數(shù)載流子與少數(shù)載流子 在雜質(zhì)半導體中，電子與空穴的濃度不再相等。在N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子；P型半導體則相反，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。多數(shù)載流子簡稱多子，是雜質(zhì)激發(fā)載流子與本征激發(fā)載流子之和。少數(shù)載流子簡稱少子，只由本征激發(fā)產(chǎn)生。在室溫下，雜質(zhì)全部電離，每個雜質(zhì)均提供一個載流子。一般情況下，由于摻雜濃度遠大于本征載流子濃度，所以多子濃度遠大于少子濃度。雜質(zhì)補償本征半導體中摻入N型雜質(zhì)就成為N型半導體，摻入P型雜質(zhì)就成為P型半導體。

11、在實際的半導體中，如果同時存在受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)所產(chǎn)生的空穴通過復合與施主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，將使總的載流子數(shù)減少，這種現(xiàn)象稱為雜質(zhì)補償。決定補償后半導體導電類型和載流子濃度的是兩種雜質(zhì)補償后的凈濃度，即（NDNA）或（NAND）。其中ND為施主雜質(zhì)濃度，NA為受主雜質(zhì)濃度。當NDNA時，半導體呈N型；反之，當NAND時，半導體呈P型。若NDNA，施主雜質(zhì)產(chǎn)生的電子與受主雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴剛好全部復合而抵消。這時，不管半導體中雜質(zhì)有很多，載流子卻很少，基本上只有本征激發(fā)產(chǎn)生。這種情況稱為高度補償。利用雜質(zhì)補償可以任意改變半導體的導電類型。但補償度過大對材料和器件的電學性能會產(chǎn)生不良影

12、響。電阻率電阻率是常用的半導體材料參數(shù)，它反映了半導體內(nèi)雜質(zhì)濃度的高低和半導體材料導電能力的強弱。對純半導體材料，電阻率主要由本征載流子濃度決定。本征載流子濃度隨溫度的上升而急劇增加，而遷移率變化的影響只是次要的因素。本征半導體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降。對雜質(zhì)半導體，有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個因素存在，又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機構(gòu)存在，因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系要復雜些。電阻率（續(xù)）圖4- 3 表示一定雜質(zhì)濃度的半導體硅材料的電阻率和溫度的關(guān)系。圖4- 3 硅電阻率與溫度關(guān)系示意圖從上圖可以看出，一定雜質(zhì)濃度的硅材料的電阻率和溫度的關(guān)系曲線大致可分為三段。在曲線的AB段，本征激發(fā)可

13、忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率也隨溫度升高而增大。所以，電阻率隨溫度升高而下降。BC段為包括室溫在內(nèi)的一段溫度范圍，雜質(zhì)全部電離，本征激發(fā)還不顯著，載流子基本上不隨溫度變化；在這段溫度范圍，晶格散射為主要的散射機構(gòu)，遷移率隨溫度升高而降低。所以，電阻率隨溫度升高而增大。當溫度繼續(xù)升高到曲線的CD段時，本征激發(fā)很快增加，大量產(chǎn)生的本征載流子的作用遠遠超過遷移率減小對電阻率的影響，表現(xiàn)出與本征半導體相似的特性。顯然，雜質(zhì)濃度越高，進入本征導電占優(yōu)勢的溫度也越高。附錄硅在300K的物理常數(shù) 原子序數(shù)14原子量 28.08 晶體結(jié)構(gòu)金剛石（8atom

14、s/unit cell） 晶格常數(shù)0.5431nm 原子密度5.0 x1022/c 密度2.33g/cm3 熔點1420硅在常溫下電阻率 與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 CZOCHRALSKI（CZ） 單 晶 生 長 法這 個用 其 發(fā) 明 者 的 名 字 命 名 的 生 長 法， 就 是 在 界 面 上使 原 子 從 液 相 晶 體 凝 固。 生 產(chǎn) CZ 硅 的 基 本 生 產(chǎn) 方 法 自 從 五十 年 代 早 期 由 Teal 和 其 它 人 首 創(chuàng) 后 就 沒 有 明 顯 的 改 變（。簡 單 易 行 的 方 法 和 相 當 高 的 晶 體 純 度 使 CZ 法 成 為 半導 體 產(chǎn) 業(yè) 早 期 主

15、 要 的 晶 體 生 長 技 術(shù)。 六 十 年 代 晚 期 無 位 錯晶 錠 生 長 和 自 動 直 徑 控 制 的 發(fā) 展， 導 致 了 晶 錠 直 徑 和 晶 體溶 液 尺 寸 的 迅 速 變 大。 在 經(jīng) 濟 效 益 的 驅(qū) 使 下， 對 于 更 大 的晶 錠，在 爐 料 尺 寸 和 直 徑 方 面 需 要 進 一 步 增 加。 如 圖7 所 示，到 1985 年 已 經(jīng) 有 了 直 徑 150mm 的 晶 體 和 60kg 的 爐 料 （標 準 的工 業(yè) 用 晶 錠 長 0.52.5m， 每 60kg 爐 料 能 生 長 大 約 長 為 1m 直 徑150mm 的 晶 錠）。Czoch

16、ralski 晶 體 生 長 步 序上 圖 中 一 組 連 續(xù) 的 照 片 顯 示 了 CZ 硅 晶 體 生 長 的 步 驟，首 先裝 載 盛 有 無 摻 雜 EGS 爐 料 和 精 確 數(shù) 量 的 低 硅 合 金 的 熔 融 石英 坩 堝。 然 后 從 生 長 室 中 抽 出 空 氣， 再 充 以 惰 性 氣 體（為 限制在 生 長 時 空 氣 中 的 氣 體 混 入 溶 液）， 然 后 熔 化 爐 料（硅 的 熔點 是1412C）。 下 一 步 將 有 精 確 取 向 裕 度 的 細 籽 晶（大 約 直 徑5mm、 長100300mm) 放 入 熔 融 的 硅。 然 后 以 控 制 的 速

17、 度 抽 回 籽晶。 在 拉 取 過 程 中，籽 晶 和 坩 堝 都 在 旋 轉(zhuǎn)， 但 方 向 相 反。當 初 始 拉 的 速 率 相 當 快，可 以 形 成 一 個 細 頸。Dach 發(fā) 現(xiàn) 如果 形 成 這 個 細 頸， 生 長 的 晶 錠 就 可 以 達 到 宏 觀 無 位 錯 的 晶態(tài)。 此 時， 熔 融 溫 度 下 降 并 且 穩(wěn) 定， 所 需 晶 錠 的 直 徑 可 以 形成 （放 肩 步 驟）， 通 過 精 確 調(diào) 控 拉 取 速 率， 可 以 使 直 徑 大 小持 續(xù) 保 持。 拉 取 一 直 持 續(xù) 到 爐 料 接 近 耗 盡，此 時，晶 錠 被 回 拉成 扁 尾 形（tang）（收 尾）。 工 序 的 最 后 一 步 是 停 爐 過 程。冷 的 籽 晶 剛 剛 浸 入 溶 液 時， 在 晶 體 被 加 熱 的 外 部 和還 冷 的 內(nèi) 部 之 間 會 有 很 大 的 應 力。 這 些 應 力 大 得 足 以 引起 塑 性 變 形， 從 而 導 致 晶 體 中 的 宏 觀 位 錯。 當 從 溶 液 中 快速 拉 取 細 頸 區(qū) 時， 這 些 位 錯 被 驅(qū) 趕 到 細 頸 的 圓 柱 體 表 面。此 時