第一章半导体物理基础

1微电子器件与IC设计第1章半导体物理基础2主要内容1.1硅材料浅谈1.2半导体的形成与能带1.3本征半导体1.4杂质半导体1.5费米能级和载流子浓度统计分布1.6半导体的导电性1.7非平衡载流子3固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体电导率范围半导体掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。温度、光照、压力等外界因素会使其导电能力改变。41.1硅材料浅谈5硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。金刚石结构1.1.1重要的半导体材料——硅6用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高纯度。71.1.2硅材料的分类1、按形态分：薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所用的硅材料很少。体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现单晶硅片（晶圓）82、按纯度分：名称英文缩写杂质总含量主要用途合金级硅AG-Si1N炼合金冶金级硅MG-Si2N炼合金及化工等太阳级硅SOG-Si～6N太阳能电池等半导体级硅（电子级）SEG-Si（EG-Si）＞9N半导体芯片等随着纯度上升，成本呈指数上升93、按结构分：单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全是金刚石型的。长程有序多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。非晶硅：短程有序，长程无序各种硅材料的电子迁移率10单晶硅锭(片)、多晶硅锭(片)11上述3种分类一般要综合，例如：非晶硅薄膜多晶硅薄膜单晶硅锭（片）多晶硅锭（片）半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式出现。121.1.3硅材料的制备由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响，所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需求。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在先，物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯度的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染，而物理提纯则没有这些污染。概况由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.9999999％以上）单晶硅131．粗硅的制备粗硅又称工业硅或结晶硅（冶金级硅），纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中用碳还原方法冶炼而成的。反应要点：高温1600℃1800℃原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、Cu等，其中Fe含量最多。可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯。142．多晶硅的制备由粗硅合成SiHCl3（改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的主要方法SiHCl3的制备多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应Si十3HCl==SiHCl3+H2除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H215SiHCl3性质又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体型。SiHCl3稳定性稍差，易水解SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2注意要点(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或银粉作为催化剂(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率(3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆炸16SiHCl3的提纯精馏利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯多晶硅的制备精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅SiHCl3十H2==Si十3HCl上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。173、单晶硅的制备多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯作用（分凝效应）。区熔(FZ)法直拉法(CZ)：将多晶硅融解后，再利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的8寸硅晶棒，约需2天半时间长成。区熔单晶硅(FZ-Si)主要用于制作电力电子器件(SR、SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉单晶硅(CZ-Si)主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电池等。浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池等。181.1.4多晶硅材料相关产业链产品半导体硅系列产品和设备产业链19太阳能光伏系列产品和设备产业链20多晶硅副产物系列产品和设备产业链211.2半导体的形成与能带1.2.1原子能级与晶体能带1、原子结合成晶体前电子在各自的轨道上做圆周运动，每一壳层对应相应的能量。2、形成晶体后3S2P电子共有化运动22能带的形成●禁带禁带允带允带允带原子能级能带电子分布原则：1、能量最低原理2、泡利不相容原理N个原子，能级N度简并。231.2.2导体、半导体、绝缘体的能带价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差24晶体能带结构导带底EC:导带中能量最低的能级价带顶EV：价带中能量最高的能级禁带宽度Eg:导带底与价带顶的能量差Eg=EC-EV导带禁带价带电子能量导带底Ec价带顶Ev空穴能量Eg(禁带宽度)25绝缘体、半导体和导体的能带示意图传导电流的条件：①存在使电子运动状态改变的外界作用；②电子能量增加后要进入的新能级必须是空的261.3本征半导体1.3.1本征半导体的导电机构1、本征半导体的定义（intrisic)没有掺杂的半导体Si、Ge:正四面体共价键晶体共价键++++++++++++++++共价键共价键中的电子原子核272、本征半导体的能带特点：禁带中无能级28半导体中的载流子：能够导电的自由粒子3、本征半导体的导电机构电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位二种导电机构：电子与空穴29本征载流子浓度：n0=p0=nin0p0=ni2ni与禁带宽度和温度有关1.3.2本征载流子浓度本征载流子：本征半导体中的载流子本征激发：产生与复合载流子浓度电子浓度n,空穴浓度p硅:锗：1031.510(300)incmTK13310(300)incmTK301.4.1施主杂质和受主杂质donoraccepter1.4、杂质半导体半导体保持电中性311.4.2N型半导体和P型半导体＋＋＋施主能级和施主电离－－－受主能级和受主电离DEgEgECECEVEVEDEAEAE1.4.3深能级杂质321.5费米能级和载流子浓度统计分布1.5.1费米——荻拉克分布函数1.5.2波尔兹曼分布其中()/1()1FEEkTfEe/EkTFAe()//()EEkTFEkTBfEeAe33费米分布函数与温度关系曲线（A、B、C、D分别是0、300、1000、1500K时的f(E)曲线）341.5.3能级E被空穴占据的几率为：()/()/1()1FFEEkTEEkTefEe()/1()FEEkTfEe351.5.4半导体中的费米能级EF电子填充能量水平的高低本征半导体费米能级Ei位于禁带中央本征半导体P型半导体N型半导体EF≡EiEFEFEiEiEVEcEVEcEVEc2CViEEE36费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化371.5.5半导体中载流子浓度1、热平衡2、平衡载流子浓度00CFiFFViFEEEEkTkTCiEEEEkTkTVinNenepNepe3、载流子浓度乘积384、本征半导体中载流子浓度2gEkTiCVnNNe一般取:310105.1cmni319108.2cmNC1931.0410VNcmevEg12.1Si:300K39热平衡方程200()inpnT热平衡方程对于特定的半导体材料，热平衡状态下n×p是一个与温度有关的常数405、杂质半导体00ADnNNpADNNn0DANNp0N型（p小忽略）P型（n小忽略）41例题1.1分别计算掺有施主杂质浓度的N型硅和掺有受主杂质浓度的P型硅的费米能级（以本征费米能级为参考能级）。解：eVnpkTEEeVnnkTEEioFiioiF349.0105.110ln026.0ln289.0105.110ln026.0ln1016101531510cmND31610cmNA42例题1.2已知某掺杂硅的费米能级比本征费米能级高0.26eV,试估算其导带电子浓度和价带空穴浓度。解：已知导带电子浓度价带空穴浓度310105.1cmnieVEEiF26.0eVkT026.0314026.026.010103.3105.1cmeennkTEEioiF35026.026.010108.6105.1cmeenpkTEEioFi43例题1.3在硅中掺入硼、磷、镓的浓度依次为,问该材料是N型半导体，还是P型半导体？导带电子浓度和价带空穴浓度各为多少？解：多数载流子浓度少数载流子浓度作业：P291.2315316316101010cmcmcm、、DAANNN213152110cmNNNpDAAo31515210201025.210105.1cmpnnoi441.6、半导体的导电性1.6.1载流子的漂移运动一、漂移运动电场力作用载流子沿电场力的方向漂移晶格、电离杂质散射dnndppEE电子漂移速度空穴漂移速度451.6、半导体的导电性二、迁移率μ:电子在单位电场作用下的漂移速度单位：cm2/V.snnvvEE硅锗砷化镓μn(cm2/V.s)135039008500μp(cm2/V.s)4801900400461.6、半导体的导电性迁移率μ:471.6、半导体的导电性三、漂移电流密度:nnJnqnqEE481.6、半导体的导电性1.6.2半导体的电导率N型半导体：σN≈qnμn=qNDμnP型半导体：σP≈qpμp=qNAμp1npnqpq1.6.3方块电阻491.7非平衡载流子1.7.1非平衡载流子的含义1.7.2非平衡载流子的复合一、定义复合几率r复合率R产生率G直接复合间接复合复合中心Δn=n-n0Δp＝p-p0tE光照n0p0△n△p501.7非平衡载流子热平衡复合率复合率=产生率非平衡时的复合率净复合率电中性条件000000()()()Rrnnpprnpnppnnp2000iRrnprnpn2000)()(nrnpnrRRGRUd511.7非平衡载流子二、非平衡载流子的寿命：τ：非平衡载流子寿命:单位体积非平衡载流子存在的平均时间非平衡载流子复合率//pnU521.7非平衡载流子1.7.3非平衡载流子的扩散与漂移一、扩散运动载流子分布从浓度高的区域扩散到存在浓度梯度浓度低的区域531.7非平衡载流子扩散流密度：f≡单位时间通过单位面积的粒子数[cm-2s-1]Dn：电子扩散系数