半导体物理基础

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1、微电子器件与IC设计第1章半导体物理基础1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2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。31.1硅材料浅谈4硅的原子最外层有四个电子，每个原子

2、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5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。61.1.2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）72、按纯度分：名

3、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83、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9单晶硅锭(片)、多晶硅锭(片)10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

4、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。111.1.3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121．粗硅的制备粗硅　又称工业硅或结晶

5、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。132．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　

6、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SiCl4十3H214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

7、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15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。163、单晶硅的制备多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。

8、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)