第三章-元素半導(dǎo)體材料課件

第三章元素半導(dǎo)體李斌斌第三章元素半導(dǎo)體李斌斌1元素半導(dǎo)體材料3.1硅3.2鍺3.3硼、磷、硒和碲等元素半導(dǎo)體材料3.1硅2周期表中與半導(dǎo)體相關(guān)元素周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te周期表中與半導(dǎo)體相關(guān)元素周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al33.1硅硅石(硅的氧化物)、水晶早為古代人所認(rèn)識，古埃及就已經(jīng)用石英砂為原料制造玻璃。由于硅石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除了氫氟酸外，什么酸也不能侵蝕它、溶解它，因此長期以來人們把它看成是不能再分的簡單物質(zhì)。大約在18世紀(jì)70年代，化學(xué)家們用螢石與硫酸作用發(fā)現(xiàn)氫氟酸以后，便打開了人們認(rèn)識硅石復(fù)雜組成的大門。3.1硅硅石(硅的氧化物)、水晶早為古代人所認(rèn)識，古埃及就4尤其在電池發(fā)明以后，化學(xué)家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉，初步找到了把硅從它的化合物中分離出來的途徑。

1823年，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯(BerzeliusJ.J.)用金屬鉀還原四氟化硅或用金屬鉀與氟硅酸鉀共熱，首次制得較純的粉狀單質(zhì)硅。1854年，法國人德維爾（S.C.Deville）用混合物氯化物熔鹽電解法制得晶體硅。尤其在電池發(fā)明以后，化學(xué)家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉，5地殼中各元素的含量地殼中各元素的含量6硅的分布硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6％，在自然界中是沒有游離態(tài)的硅主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。硅的分布硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6％，7SiO2水晶瑪瑙石英坩堝光導(dǎo)纖維SiO2水晶瑪瑙石英坩堝光導(dǎo)纖維83.1.1硅的化學(xué)性質(zhì)原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。14Si32Ge3.1.1硅的化學(xué)性質(zhì)原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量28.099晶體硅晶體硅為鋼灰色，密度2.4g／cm3，熔點(diǎn)1420℃，沸點(diǎn)2355℃，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅晶體硅晶體硅為鋼灰色，密度2.4g／cm3，熔點(diǎn)1420℃10化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定常溫下，只與強(qiáng)堿、氟化氫、氟氣反應(yīng)高溫下，較活潑①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定常溫下，只與強(qiáng)堿、氟化氫、氟氣反應(yīng)①Si+2F211表面易純化，形成本征二氧化硅層二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用：1.對雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用；2.對器件的表面保護(hù)和鈍化作用3.用于器件的絕緣隔離層4.用作MOS器件的絕緣柵材料等表面易純化，形成本征二氧化硅層二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重123.1.2硅的晶體結(jié)構(gòu)109o28′3.1.2硅的晶體結(jié)構(gòu)109o28′13硅原子——[SiO2]四面體氧原子硅原子——[SiO2]四面體氧原子14能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)價帶：輕空穴和重空穴能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)15補(bǔ)充：有效質(zhì)量補(bǔ)充：有效質(zhì)量16有效質(zhì)量的意義引進(jìn)有效質(zhì)量后，半導(dǎo)體中電子所受的外力和加速度的關(guān)系和牛頓第二定律類似；描述電子運(yùn)動方程中出現(xiàn)的是有效質(zhì)量，而不是慣性質(zhì)量m0當(dāng)有外力作用下，電子一方面受到外電場力的作用，同時還和其它電子相互作用著，電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢場和外電場作用的綜合效果但找出內(nèi)部勢場的具體形式并求加速度比較困難，引進(jìn)有效質(zhì)量后，就可以把內(nèi)部勢場概括在有效質(zhì)量里有效質(zhì)量的意義引進(jìn)有效質(zhì)量后，半導(dǎo)體中電子所受的外力和加速度17有效質(zhì)量與能量函數(shù)關(guān)系能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大；能帶越寬，二次微商越大，有效質(zhì)量越??；內(nèi)層電子的能帶窄，有效質(zhì)量大；外層電子的能帶寬，有效質(zhì)量小。有效質(zhì)量與能量函數(shù)關(guān)系能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大；18輕空穴和重空穴輕空穴－－－有效質(zhì)量小重空穴－－－有效質(zhì)量大輕空穴和重空穴輕空穴－－－有效質(zhì)量小193.1.3電學(xué)性質(zhì)本征載流子濃度1.本征半導(dǎo)體在一定溫度下，就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對，從而形成本征載流子濃度。2.溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。3.當(dāng)溫度升高時，熱運(yùn)動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強(qiáng)；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。3.1.3電學(xué)性質(zhì)本征載流子濃度20晶體中電子的E(k)與K的關(guān)系EkEgResultedfromr+Resultedfromr-p/a2p/a-p/a-2p/a0晶體中電子的E(k)與K的關(guān)系EkEgResultedfr21補(bǔ)充：如何推導(dǎo)出NC能態(tài)密度：在能帶中能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)補(bǔ)充：如何推導(dǎo)出NC能態(tài)密度：在能帶中能量E附近每單位能量間22費(fèi)米分布在熱平衡條件下，電子按其能量大小具有一定的統(tǒng)計分布規(guī)律，也就是說電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計分布機(jī)率是一定的。費(fèi)米分布在熱平衡條件下，電子按其能量大小具有一定的統(tǒng)計分布規(guī)23導(dǎo)帶中的電子濃度在能量E～E＋dE間的電子數(shù)dN導(dǎo)帶中的電子濃度在能量E～E＋dE間的電子數(shù)dN24導(dǎo)帶底能帶密度Nc導(dǎo)帶底能帶密度Nc25價帶頂?shù)目昭舛萅v表示價帶頂能帶密度價帶頂?shù)目昭舛萅v表示價帶頂能帶密度26本征載流子濃度1.電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級無關(guān)2.對于一個給定的半導(dǎo)體材料，乘積只取決于溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)本征載流子濃度1.電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級無關(guān)27Si的本征載流子濃度溫度T=300K，Eg=1.12eVSi的本征載流子濃度溫度T=300K，Eg=1.12eV28電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率電阻率電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率29輕摻雜摻雜濃度為1017cm-3中度摻雜摻雜濃度為1017～1019cm-3重?fù)诫s摻雜濃度大于1019cm-3雜質(zhì)離子100%電離載流子濃度低于摻雜濃度輕摻雜摻雜濃度為1017cm-3中度摻雜30習(xí)題1本征硅的電導(dǎo)率習(xí)題1本征硅的電導(dǎo)率31輕摻雜半導(dǎo)體輕摻雜半導(dǎo)體32習(xí)題2摻雜P濃度為1×1017cm-3習(xí)題2摻雜P濃度為1×1017cm-3333.1.5硅中的雜質(zhì)1.n型摻雜劑：P，As，Sb2.p型摻雜劑：B3.輕元素雜質(zhì)：O，C，N，H，O4.過渡族金屬雜質(zhì)：Fe，Cu，Ni3.1.5硅中的雜質(zhì)1.n型摻雜劑：P，As，Sb34O的危害熱處理過程中，過飽和間隙氧會在晶體中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；氧沉淀過大會導(dǎo)致硅片翹曲，并引入二次缺陷；O的危害熱處理過程中，過飽和間隙氧會在晶體中偏聚，沉淀而形成35C的危害C會降低擊穿電壓，增加漏電流；C會促進(jìn)氧沉淀和新施主的形成；C會抑制熱施主的形成C的危害C會降低擊穿電壓，增加漏電流；36H的作用H在硅中處于間隙位置，可以正負(fù)離子兩種形態(tài)出現(xiàn)；H在硅中形成H-O復(fù)合體H能促進(jìn)氧的擴(kuò)散和熱施主的形成；H會鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性；H能鈍化晶體的表面或界面，提高器件的性能H的作用H在硅中處于間隙位置，可以正負(fù)離子兩種形態(tài)出現(xiàn)；37過渡金屬的危害在硅中形成深能級中心或沉淀而影響器件的電學(xué)性能；減少少子擴(kuò)散長度從而降低壽命；形成金屬復(fù)合體，影響器件和材料的性能過渡金屬的危害在硅中形成深能級中心或沉淀而影響器件的電學(xué)性能382.1.6硅中的缺陷原生缺陷二次缺陷外延材料中的缺陷2.1.6硅中的缺陷原生缺陷393.1.7硅的用途高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料；金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料；光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段；性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物等3.1.7硅的用途高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料；401）重要的半導(dǎo)體材料硅可用來制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體器件太陽能電池1）重要的半導(dǎo)體材料硅可用來制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體器件412）高溫材料金屬陶瓷的重要材料：將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復(fù)合材料，它耐高溫，富韌性，可以切割，既繼承了金屬和陶瓷的各自的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者的先天缺陷。宇宙航行的重要材料耐高溫隔熱層，航天飛機(jī)能抵擋住高速穿行稠密大氣時磨擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外殼。2）高溫材料金屬陶瓷的重要材料：宇宙航行的重要材料423）光導(dǎo)纖維通信用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。3）光導(dǎo)纖維通信用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在433.2鍺1871年，俄國科學(xué)家門捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之間存在著一個“類硅”的元素。1886年，德國科學(xué)家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦中分離出Ge，并將其命名為Ge（Germanium）以紀(jì)念他的祖國。Ge是半導(dǎo)體研究的早期樣板材料，在20世紀(jì)50年代，Ge是主要的半導(dǎo)體電子材料目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學(xué)等方面。3.2鍺1871年，俄國科學(xué)家門捷列夫寓言，元素周期表Si44鍺的分布鍺在地殼中含量約為2×10-4%，但