半导体材料硅的大体性质.docx
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半导体材料硅的大体性质
半导体材料硅的大体性质
一．半导体材料
固体材料按其导电性能可分为三类：
绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：
图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围
半导体又能够分为元素半导体和化合物半导体，它们的概念如下：
元素半导体：
由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：
由两种或两种以上元素形成的物质。
1）二元化合物
GaAs—砷化镓
SiC—碳化硅
2）三元化合物
AlGa11As—砷化镓铝
AlIn11As—砷化铟铝
半导体依照其是不是搀杂又能够分为本征半导体和非本征半导体，它们的概念别离为：
本征半导体：
当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。
非本征半导体：
当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的概念别离为：
施主：
当杂质掺入半导体中时，假设能释放一个电子，这种杂质被称为施主。
如磷、砷确实是硅的施主。
受主：
当杂质掺入半导体中时，假设能同意一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。
如硼、铝确实是硅的受主。
图（a）带有施主（砷）的n型硅（b）带有受主（硼）的型硅
掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在如此的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。
如下图。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主同意电子，因此在如此的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。
如下图。
二．硅的大体性质
硅的大体物理化学性质
硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
性质
符号
单位
硅（Si）
原子序数
Z
14
原子量
M
原子密度
个/cm3
×1022
晶体结构
金刚石型
晶格常数
a
Å
熔点
Tm
℃
1420
密度（固/液）
g/cm3
介电常数
0
本征载流子浓度
ni
个/cm3
×1010
本征电阻率
i
·cm
×105
电子迁移率
n
cm2/（V·S）
1350
空穴迁移率
p
cm2/（V·S）
480
电子扩散系数
Dn
cm2/S
空穴扩散系数
Dp
cm2/S
禁带宽度（25℃）
Eg
eV
导带有效态密度
Nc
cm-3
×1019
价带有效态密度
Nv
cm-3
×1019
器件最高工作温度
℃
250
表1硅的物理化学性质（300K）
硅的电学性质
硅的电学性质有两大特点：
一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010
·cm
二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度灵敏。
无缺点的、无搀杂的硅导电性极差，称为本征半导体。
当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。
例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原先的千分之一。
掺入不同的杂质，能够改变其导电类型。
当硅中搀杂以施主杂质（ⅴ族元素：
磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中搀杂以受主杂质（Ⅲ族元素：
硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。
硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的大体机构和工作基础。
如下图电阻率随杂质浓度的转变
硅的化学性质
硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳固，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反映。
1.硅的热氧化反映
～1100℃
Si+O2→SiO2
～1000℃
Si+2H2O→SiO2+H2
在硅表面生成氧化层，其反映程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加速。
2.硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反映
～300℃
Si+2Cl2
→SiCl4
～280℃
Si+3HCl→SiHCl3+H2
上面两个反映经常使用来制造高纯硅的大体材料—SiCl4和SiHCl3。
3.硅与酸的化学反映
硅对多数酸是稳固的，硅不能被HCl
、H2SO4、HNO3、HF及王水所侵蚀，但能够被其混合液所侵蚀。
（1）硅与HF—HNO3混合液的化学反映
Si+4HNO3+6HF→H2SiF6+4NO2+4H2O
HNO3在反映中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反映。
此反映在硅的缺点部位侵蚀快，对晶向没有选择性。
（2）硅与HF—CrO3混合液有化学反映
Si+CrO3+8HF→H2SiF6+CrF2+3H2O
此混合液是硅单晶缺点的择优侵蚀显示剂，缺点部位侵蚀快。
（3）硅与金属的作用
硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,WSi2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，能够用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反映
1400℃
Si+SiO2
→2SiO
在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为利用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反映。
反映生成物SiO一部份从硅熔体中蒸发出来，另外一部份溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的要紧来源。
在拉制单晶时，单晶炉内须采纳真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺能够有效避免外界沾污，而且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以幸免SiO粉末阻碍无位错单晶生长。
硅的晶体结构和化学键
1.硅的晶体结构
硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子组成共价四面体。
如图和图所示。
图共价四面体图硅的晶体结构
2．硅晶体的化学键
硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。
具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。
电子的配对是形成共价键的必要条件。
硅晶体中的每一个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，组成4个共价键。
硅原子的最外层价电子散布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。
3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。
依照洪特规那么，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。
那么，两个p电子将别离占据两个p轨道，而空出一个p轨道。
如此，硅原子的价电子配布为：
3s3p
依照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。
只有p轨道上的2个电子尚未配对，能够和最近邻原子的价电子配成两对。
如此每一个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而事实上却是4个共价键。
那个矛盾靠轨道的杂化来解决。
硅原子的3s上的电子能够激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：
3s3p
sp3杂化轨道有4个未配对的电子，故能够形成4个共价键。
尽管3s能级上的电子激发到3p能级上去需要必然的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳固。
共价键有两个重要特性：
饱和性和方向性。
所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。
硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。
这4个电子别离与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。
因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数量最多为4。
那个特性确实是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。
硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成份，它们两两之间的夹角为109°28′。
因此，它们的对称轴必需指向正四面体的四角。
而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道彼此交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。
因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
硅的半导体性质
1.硅原子能级图
图一孤立硅原子能级图
2.硅晶体的能带结构
图硅晶体的能带结构图
晶体的能带代表的物理意义：
反映了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间如此一种特性。
假想，固体中各个原子之间没有彼此作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。
事实上，原子通过电子，专门是外层电子的彼此作用，改变了独立原子中电子的能量，N个孤立原子的一个能级扩层或割裂成N个距离很近的能级，组成一个能带。
如下图。
图原子能级和能带
3.导体、半导体及绝缘体的能带模型
能带理论能够说明导体、半导体和绝缘体的区别，如下图。
金属导体有被电子部份占据的能带，称为导带。
在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。
能带填充情形很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。
半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。
最高被填充的能带与其上的空带之距离着禁带（带隙）。
外电场很难改变其能带填充状况，因此不产生电流。
在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一样在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中显现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有必然的导电性。
绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，因此导电性很差。
4.硅晶体的禁带宽度Eg
禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。
Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围紧密联系着。
较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳固性。
Eg的大小还与温度有直接的关系，在必然的温度范围内Eg随T线性转变，但当T→0K时，Eg趋于一个常数，如下图。
图Si的禁带宽度Eg随温度的转变
5.硅中杂质的能级和缺点能级
理想的硅晶体，即无缺点无搀杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。
当掺入杂质或有缺点时，禁带中将有杂质或缺点能及存在，将明显阻碍半导体性能，对电导起要紧作用。
实际半导体都会有必然的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。
硅中的杂质能级如下图。
图硅中杂质能级
a.浅能级杂质
在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级超级靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性阻碍，如受主杂质硼和施主杂质磷。
b.深能级杂质
在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：
金，银，铜，铁等重金属杂质。
电子和空穴能够通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。
c.缺点（原生缺点和工艺诱生缺点）
半导体材料中各类缺点也能够在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。
6.载流子浓度
载流子浓度随温度的转变如下图。
图以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度
7.PN结
a.PN结的光生伏特效应
光生伏特效应确实是半导体二极管吸收光能后在PN结两头产生电动势的效应。
b.光电转换的物理进程
1吸收光能激发出非平稳电子一空穴对
2非平稳电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动
3非平稳电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两头产生电势
4将PN结用导线连接，形成电流
5在太阳电池两头连接负载，实现了将光能向电能的转换
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