現(xiàn)代電子材料與元器件1

3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)1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。現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)n型半導(dǎo)體圖3.2非本征的n型半導(dǎo)體現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)p型半導(dǎo)體圖3.2非本征的p型半導(dǎo)體現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)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0.54eV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)?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)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(méi)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。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?，F(xiàn)在是5頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度由雜質(zhì)能級(jí)或滿(mǎn)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(chēng)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。圖3.4費(fèi)米分布函數(shù)滿(mǎn)帶中空穴的占據(jù)幾率為現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度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(duì)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。現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)3費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度對(duì)于確定的材料來(lái)說(shuō)，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(chēng)為多數(shù)載流子，而空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子?，F(xiàn)在是8頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)歐姆定律遷移率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)系現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)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(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)之間存在線(xiàn)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(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)之間也存在線(xiàn)性關(guān)系，但直線(xiàn)的斜率不同。而在中間溫度范圍，電導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，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。現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4電導(dǎo)與霍爾效應(yīng)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(lài)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(cè)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)。

圖3.6霍爾效應(yīng)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)4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(chǎng)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(chǎng)力。當(dāng)兩者相等時(shí)，霍爾系數(shù)為對(duì)于電子導(dǎo)電（n型半導(dǎo)體），霍爾系數(shù)為由霍爾系數(shù)可以直接測(cè)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。現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子熱平衡時(shí)，滿(mǎn)足但在外界作用下，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(duì)，使電子濃度增加Δn，空穴濃度增加Δp，多余的載流子稱(chēng)為非平衡載流子。

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(duì)它的數(shù)目產(chǎn)生顯著的影響。但對(duì)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?，F(xiàn)在是13頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(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(duì)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(guò)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(jiǎn)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，現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(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。τ描述了非平衡載流子平均存在時(shí)間，通常稱(chēng)為非平衡載流子壽命。對(duì)于光電導(dǎo)現(xiàn)象，τ決定著在變化光強(qiáng)下，光電導(dǎo)反應(yīng)的快慢?，F(xiàn)在是15頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的復(fù)合和壽命實(shí)驗(yàn)證明，非平衡載流子壽命τ與材料所含雜質(zhì)有關(guān)。對(duì)于同一材料，制備方法不同，τ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(guò)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(chēng)為復(fù)合中心?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴(kuò)散在金屬和一般半導(dǎo)體的導(dǎo)電過(guò)程中，載流子都是依靠電場(chǎng)的作用而形成電流，稱(chēng)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(chēng)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(duì)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)散電流。現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴(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(guò)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。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(chēng)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?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.1半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)5非平衡載流子非平衡載流子的擴(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(mǎn)足連續(xù)方程L表示非平衡載流子深入樣品的平均距離，稱(chēng)為擴(kuò)散長(zhǎng)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。通解為擴(kuò)散電流密度現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)在半導(dǎo)體中，光的衰減與光強(qiáng)成正比光吸收系數(shù)當(dāng)光在介質(zhì)中傳播的距離為1/α?xí)r，則光強(qiáng)衰減到原來(lái)的1/e，于是可把1/α近似看成是光能夠穿透樣品的深度。光是一種電磁波，對(duì)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)行衰減光損耗系數(shù)，或是消光系數(shù)，表示電磁波能量衰減的大小現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)不同波長(zhǎng)的光能夠穿過(guò)樣品的深度也是不同的，對(duì)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(duì)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(chēng)為半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)無(wú)光照時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或暗電導(dǎo)率

在光照條件下，半導(dǎo)體中將產(chǎn)生光生電子和光生空穴稱(chēng)為光電導(dǎo)現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1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(lèi)本征光電導(dǎo)由本征吸收引起，相應(yīng)長(zhǎng)波限是雜質(zhì)光電導(dǎo)是由雜質(zhì)吸收引起的，吸收波長(zhǎng)取決于雜質(zhì)的電離能Ei

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)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，而本征吸收則能產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1光吸收與光電導(dǎo)光電導(dǎo)效應(yīng)的強(qiáng)弱表示為式中，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?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性電容效應(yīng)勢(shì)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(shì)壘區(qū)電場(chǎng)變化時(shí)，必須改變勢(shì)壘區(qū)寬度以改變空間電荷量，這種微分電容效應(yīng)，稱(chēng)為勢(shì)壘電容。圖3.7pn結(jié)反偏電壓的變化導(dǎo)致空間電荷區(qū)的變化對(duì)于反偏pn結(jié)，空間電荷區(qū)的勢(shì)壘電壓為VD+VR，此時(shí)單位面積的勢(shì)壘電容可表示現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性電容效應(yīng)擴(kuò)散電容反偏的pn結(jié)以勢(shì)壘電容起主要作用，而對(duì)于正偏的pn結(jié)，擴(kuò)散電容和勢(shì)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(chēng)為擴(kuò)散電容在實(shí)際工作中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，常以零偏時(shí)的勢(shì)壘電容的4倍作為正偏時(shí)pn結(jié)的總電電容?，F(xiàn)在是26頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性擊穿特性

pn結(jié)上加反偏電壓會(huì)形成很小的反向電流。但反偏電壓不能無(wú)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(chēng)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(wú)限增長(zhǎng)，將導(dǎo)致pn結(jié)燒毀?，F(xiàn)在是27頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)2電容效應(yīng)與擊穿特性隧道擊穿雪崩擊穿圖3.8pn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)所決定的擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(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(chǎng)在較短距離內(nèi)獲得足夠高的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，因此雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)是正的?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)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ρ與長(zhǎng)度l成正比，與截面積S成反比如果沿長(zhǎng)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，能谷的能量移動(dòng)，導(dǎo)致電阻率變化

稱(chēng)為泊松比現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)電阻的變化有兩部分組成前一項(xiàng)為純幾何效應(yīng)；后一項(xiàng)代表的是物理效應(yīng)，即壓阻效應(yīng)。對(duì)于金屬，幾何效應(yīng)是主要的；對(duì)于半導(dǎo)體材料，物理效應(yīng)是主要的。現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡(jiǎn)單說(shuō)明Si導(dǎo)帶等能面是極值沿<100>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[100]方向被壓縮，晶格間距減少，而[010]、[001]方向則間距增大。禁帶寬度隨壓強(qiáng)的增加而減小。所以，沿[100]方向能量極值降低，而[010]、[001]方向能量極值增大?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡(jiǎn)單說(shuō)明無(wú)應(yīng)力作用下，每個(gè)能谷中的電子密度相同。在應(yīng)力作用下，由于極值發(fā)生變化，則電子要占據(jù)能量最低的狀態(tài)，即[010]和[001]能谷中的電子要向[100]能谷轉(zhuǎn)移。如圖，則[100]能谷的電子數(shù)目增加，而[010]能谷的電子數(shù)目減少?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)——以Si為例簡(jiǎn)單說(shuō)明考慮n型非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，室溫下雜質(zhì)電離飽和，載流子密度不隨壓強(qiáng)變化，遷移率也與應(yīng)力無(wú)關(guān)?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)如果施加的應(yīng)力T>0，則電導(dǎo)率增加。如果測(cè)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?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)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(chǎng)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(chǎng)使電阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為材料的幾何磁阻效應(yīng)。現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)以p型半導(dǎo)體為例考慮正交電磁場(chǎng)，合成電場(chǎng)與J成一定夾角，即霍爾角θ。在洛倫茲力和電場(chǎng)力的作用下，空穴如圖所示呈弧線(xiàn)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(wú)關(guān)），則不顯示橫向磁阻效應(yīng)?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)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(chǎng)力會(huì)達(dá)到平衡，載流子運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)橥饧与妶?chǎng)所指定的方向。但那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(chǎng)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(chǎng)的方向偏轉(zhuǎn)。結(jié)果使得沿外加電場(chǎng)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?！憩F(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)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ρ0，在外加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)所具有的電阻率為ρB。半導(dǎo)體材料的電阻率變化為磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，對(duì)于等能面為球面的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體有橫向磁阻系數(shù)霍爾遷移率現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)在相同磁場(chǎng)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(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)。沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，電流密度與外加電場(chǎng)方向一致。加磁場(chǎng)后，由于橫向電場(chǎng)的作用，使得電流密度與合成電場(chǎng)不一致?，F(xiàn)在是39頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)如圖所示的長(zhǎng)條形樣品，在金屬電極處，由于霍爾電場(chǎng)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θ。在半導(dǎo)體中間部分，霍爾電場(chǎng)EH不受電流電極短路作用的影響，霍爾電場(chǎng)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(chǎng)因受霍爾電場(chǎng)作用而發(fā)生偏斜，它與電流方向夾角也是霍爾角θ?，F(xiàn)在是40頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)故而在磁場(chǎng)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(duì)于長(zhǎng)寬比大的長(zhǎng)條形樣品，l的增大不明顯，而長(zhǎng)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(pán)，則電流以螺旋形流通，l大大加長(zhǎng)，此時(shí)的幾何磁阻效應(yīng)最明顯。該圓盆稱(chēng)為科比諾圓盤(pán)?，F(xiàn)在是41頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)3壓阻效應(yīng)與磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)一般來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單?，F(xiàn)在是42頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.2半導(dǎo)體材料的性質(zhì)4電阻率的溫度特性當(dāng)溫度為電離區(qū)的最低溫度時(shí)在非本征溫度區(qū)，n=Nd，電阻率與溫度的關(guān)系為在本征溫度區(qū)，則隨著溫度升高，電阻率下降?，F(xiàn)在是43頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)元素半導(dǎo)體Ⅳ-Ⅳ化合物Ⅲ-Ⅴ化合物Ⅱ-Ⅵ化合物SiSiCAlPZnSGeSiGeAlAsZnSeAlSbZnTeGaNCdSGaPCdSeGaAsCdTeGaSbInPInAsInSb現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)1元素半導(dǎo)體材料（1）Si是目前應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的主要材料硅在地殼中含量約占27%，僅次于氧，自然界中，Si以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。Si的單晶相對(duì)容易制備，成本低Si平面工藝使得集成電路成為可能Si的特性雖不是最優(yōu)，但基本覆蓋常用的場(chǎng)合現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)1元素半導(dǎo)體材料（2）Ge是開(kāi)發(fā)較早的半導(dǎo)體材料Ge在地殼中含量約為2×10-4%。（稀有元素）Ge的資源：煤和煙灰，分散的Ge與金屬硫化物共生鍺礦石鍺精礦提純現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)1元素半導(dǎo)體材料（2）Ge是開(kāi)發(fā)較早的半導(dǎo)體材料遷移率高較高的工作頻率和開(kāi)關(guān)速度雪崩二極管高速開(kāi)關(guān)探測(cè)器高折射率和低吸收率光學(xué)器件光纖摻雜劑現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)1元素半導(dǎo)體材料（3）硒是一種黑色玻璃態(tài)半金屬灰色金屬光澤六種形態(tài)地殼中含量少對(duì)光敏感光電池整流器硒鼓現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)1元素半導(dǎo)體材料（4）金剛石是碳的同素異構(gòu)體光學(xué)、化學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械方面有廣泛應(yīng)用可做熱沉提高芯片散熱效率對(duì)遠(yuǎn)紅外到紫外是透明的，可做透鏡的保護(hù)膜和窗口材料現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2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4.03.43.3熱膨脹系數(shù)（1/℃）5.8×10-62.6×10-66.86×10-6

電子，μn3,9001,5008,500

空穴，μp1,900500400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現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2化合物半導(dǎo)體材料

（1）砷化鎵(GaAs)雙能谷結(jié)構(gòu)——微波器件Eg大，可在更高的溫度和更大的反向電壓下工作——功率放大器電子遷移率高——高頻、高速器件和微波單片集成電路直接躍遷——發(fā)光器件、激光器摻入雜質(zhì)可得到半絕緣的高阻材料——集成電路的襯底和紅外探測(cè)器現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2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InP——In：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(duì)于整個(gè)晶體來(lái)說(shuō)，共價(jià)鍵成分：96×3/4=72%；離子鍵成分：28%現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2化合物半導(dǎo)體材料（2）磷化銦(InP)銀灰色，質(zhì)地軟脆負(fù)阻效應(yīng)大于GaAs，制作微波器件和放大器比GaAs器件好抗輻射性能強(qiáng)——空間應(yīng)用太陽(yáng)能電池截止頻率高——毫米波雷達(dá)、衛(wèi)星通信InP襯底上生長(zhǎng)的GaInAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)制作的光電器件能滿(mǎn)足波長(zhǎng)范圍的光纖通信技術(shù)的要求熱導(dǎo)率大于GaAs，有利于散熱以及大功率器件現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2化合物半導(dǎo)體材料（3）SiGe材料被稱(chēng)為“第二代硅微電子材料”無(wú)限互溶與Si的平面工藝兼容電學(xué)性能較Si強(qiáng)本征躍遷發(fā)光波長(zhǎng)范圍是1.3μm~1.55μm，是長(zhǎng)距離光纖通信的理想波長(zhǎng)窗口。SiGe/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。SiGe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。現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)2化合物半導(dǎo)體材料（4）碳化硅(SiC)有獨(dú)特的物理及電子特性寬禁帶半導(dǎo)體材料高擊穿電場(chǎng)高熱導(dǎo)率高電子飽和速度硬度大高功率、高頻率、高溫的“三高”器件現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)物質(zhì)是原子排列上的長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序的一種結(jié)構(gòu)。目前主要的非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩大類(lèi)：一類(lèi)是四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體，如非晶態(tài)Si、Ge、GaAs等；另一類(lèi)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）?，F(xiàn)在是56頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)與晶態(tài)半導(dǎo)體具有類(lèi)似的基本能帶結(jié)構(gòu)，只是在非晶態(tài)中鍵角和鍵長(zhǎng)有一定程度的畸變。非晶態(tài)半導(dǎo)體不存在有周期性非晶態(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)系現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷非晶硅中的缺陷存在有空位和微空洞使得有些硅原子周?chē)膫€(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(kù)侖排斥作用，使得受主能級(jí)位置高于施主能級(jí)，稱(chēng)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(wèn)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(duì)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。現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)3非晶體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷圖3.12硫系玻璃的換價(jià)對(duì)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(chēng)為孤對(duì)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)懸掛鍵很可能發(fā)生畸變，與鄰近的孤對(duì)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(duì)孤對(duì)電子(形成D-)，如圖所示。因此，這種D+、D-又稱(chēng)為換價(jià)對(duì)。現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.3半導(dǎo)體材料的分類(lèi)3非晶體半導(dǎo)體非晶態(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(xiě)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(duì)于非晶硅的應(yīng)用，目前研究最多的是太陽(yáng)能電池。非晶硅比晶體硅制備工藝簡(jiǎn)單，易于做成大面積，非晶硅對(duì)于太陽(yáng)光的吸收效率高，器件只需大約1μm厚的薄膜材料，因此可望做成一種廉價(jià)的太陽(yáng)能電池，現(xiàn)已受到各國(guó)科學(xué)家的廣泛重視。非晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管還可用于液晶顯示和集成電路?，F(xiàn)在是60頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法晶體生長(zhǎng)理論層生長(zhǎng)？螺旋生長(zhǎng)？枝晶生長(zhǎng)？晶體的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的臺(tái)階源，促進(jìn)光滑界面上的生長(zhǎng)。樹(shù)枝一樣蔓延生長(zhǎng)現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法晶體生長(zhǎng)方法根據(jù)晶體生長(zhǎng)時(shí)的物相變化，晶體生長(zhǎng)技術(shù)可以分成以下幾類(lèi)：氣相－－固相：雪花的形成。液相－－固相：分為兩類(lèi)。一類(lèi)是從溶液中通過(guò)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(lèi)是從熔體中結(jié)晶。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(guò)億萬(wàn)年多少會(huì)有晶化現(xiàn)象，而晶體物質(zhì)也有可能通過(guò)相變、再結(jié)晶等方式發(fā)生變化?，F(xiàn)在是62頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法氣相法

氣相法生長(zhǎng)晶體，將晶體材料通過(guò)升華、蒸發(fā)、分解等過(guò)程轉(zhuǎn)化為氣相，然后通過(guò)適當(dāng)條件下使它成為飽和蒸氣，經(jīng)冷凝結(jié)晶而生長(zhǎng)成晶體。特點(diǎn)：生長(zhǎng)的晶體純度高；生長(zhǎng)的晶體完整性好；晶體生長(zhǎng)速度慢；有一系列難以控制的因素，如溫度梯度、過(guò)飽和比、攜帶氣體的流速等。主要用于外延薄膜的生長(zhǎng)現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法氣相法同質(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(zhǎng)硅外延層異質(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(zhǎng)GaAs外延層準(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)一般是相同的現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法溶液法溶液法的基本原理是將原料（溶質(zhì)）溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^(guò)飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長(zhǎng)。(1)降溫法：依靠溶液過(guò)冷以獲得過(guò)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(duì)提高濃度以獲得過(guò)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。現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法溶液法優(yōu)點(diǎn)：晶體可在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的溫度下生長(zhǎng)；容易長(zhǎng)成大塊的、均勻性良好的晶體，并且有較完整的外形；在多數(shù)情況下，可直接觀察晶體生長(zhǎng)過(guò)程，便于對(duì)晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的研究。缺點(diǎn)影響因素復(fù)雜；生長(zhǎng)速度慢，周期長(zhǎng)，數(shù)十天～一年；溶液法生長(zhǎng)晶體對(duì)控溫精度要求較高，溫度波動(dòng)一般小于0.01~0.001℃；現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法熔融法從熔體中生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)始進(jìn)行不同規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。與其他方法相比，熔體生長(zhǎng)通常具有生長(zhǎng)快、晶體的純度和完整性高等優(yōu)點(diǎn)。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)法等現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備硅石→工業(yè)硅（粗硅）→多晶硅→硅單晶。

98%電弧爐熔煉直拉法區(qū)熔法磁場(chǎng)拉晶法化學(xué)提純物理提純微重力下生長(zhǎng)晶體現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備工業(yè)硅的制備用硅石和焦炭以一定比例混合在電爐中加熱至1600~1800℃SiO2+3C=SiC+2CO2SiC+SiO2=3Si+2CO最后可得含量為98%以上的工業(yè)粗硅?，F(xiàn)在是69頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法1高純多晶Si的制備然后采用三氯氫硅氫還原法、硅烷法和四氯化硅氫還原法高純多晶硅。Si+3HCl=SiHCl3+H2

（280-300℃）精餾提純SiHCl3+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(mǎn)足直拉法和區(qū)域熔煉法的要求?，F(xiàn)在是70頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝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)臏囟戎邢陆底丫c液面接觸，使熔體在籽晶末端成核生長(zhǎng)，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(zhǎng)大。最后快速提拉晶體使其脫離液面，再緩慢降溫到室溫?，F(xiàn)在是71頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝提拉法優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)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；可以通過(guò)工藝措施降低晶體缺陷，提高晶體完整性；通過(guò)籽晶制備不同晶體取向的單晶；容易控制。缺點(diǎn)：由于使用坩堝，因此，容易污染；對(duì)于蒸氣壓高的組分，由于揮發(fā)，不容易控制成分；不適用于對(duì)于固態(tài)下有相變的晶體?，F(xiàn)在是72頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝坩堝下降法將一個(gè)垂直放置的坩堝逐漸下降，使其通過(guò)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(guò)坩堝和熔體之間的相對(duì)移動(dòng)，形成一定的溫度場(chǎng)，使晶體生長(zhǎng)。溫度梯度形成的結(jié)晶前沿過(guò)冷是維持晶體生長(zhǎng)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?，F(xiàn)在是73頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝坩堝下降法優(yōu)點(diǎn)：坩堝封閉，可生產(chǎn)揮發(fā)性物質(zhì)的晶體；成分易控制；可生長(zhǎng)大尺寸單晶；常用于培養(yǎng)籽晶。缺點(diǎn)：不宜用于負(fù)膨脹系數(shù)的材料；由于坩堝作用，容易形成應(yīng)力和污染；不易于觀察。現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝水平區(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(xiàn)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(zhǎng)，并慢慢冷卻直至完成生長(zhǎng)過(guò)程。現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法2單晶制備工藝水平區(qū)熔法水平區(qū)熔法與坩堝移動(dòng)法相比，其優(yōu)點(diǎn)是減小了坩堝對(duì)熔體的污染，并降低了加熱功率，可以用于生長(zhǎng)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(xiàn)圈加熱，需要有惰性氣氛來(lái)進(jìn)行保護(hù)。主要用于材料的物理提純，硅單晶生長(zhǎng)初期的提純即采用此法。

現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體材料的制備工藝方法3外延生長(zhǎng)技術(shù)化學(xué)氣相沉積采用加熱、等離子和紫外線(xiàn)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(zhǎng)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?，F(xiàn)在是77頁(yè)\一共有85頁(yè)\編輯于星期三3.4半導(dǎo)體