硅性质及有关半导体基础理论讲义.ppt

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1、硅的性质及有关半导体基础理论硅是典型的具有半导体性质的元素，是很重要的半导体材料。据统计，目前半导体器件的95﹪以上用硅材料制作，集成电路99﹪以上是用硅材料制作。这个比例还在增大。尤其大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、甚大规模集成电路（ULSI）都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片或外延片上。（1）硅在地壳中的含量仅次于氧（2）硅以化合态形式存在(氧化物及硅酸盐)一、硅的物化性质1、硅晶体是灰色的硬而相当脆的晶体，密度为2.4g/㎝3，熔点为1420℃，沸点为2360℃。2、硅在常温下，仅与氟发生作用，在高温下硅能与氯、氧、水蒸气等作用，生成sicl4、sio2.硅在熔

2、融状态下还能与氮、碳等反应生成氮化硅和碳化硅。Si+2cl21200℃sicl4↑Si+O21050℃~1150℃siO2Si+2H2O1050~1150℃siO2+2H2↑Si+4HCL（气）~1250℃sicl4+2H2↑3、在通常条件下，硅对HNO3、H2SO4、HCL及王水都是稳定的。硅与HNO3、HF的混合液起作用。其反应式如下：Si+4HNO3Sio2+4NO2+2H2oSiO2+6HFH2（siF6）+2H2O总的反应式为：Si+4HNO3+6HFH2（siF6）+4NO2+4H2O反应生成可溶性的六氯硅酸络合物（siF6），因此，HF和HNO3混合液是常用的硅腐蚀液.4、在

3、常温下硅能与碱相互作用生成相应的硅酸盐，反应式如下：Si+2NaOH+H2OSiNa2O3+2H2↑因此，10-30％的NaOH的溶液可作为硅腐蚀液5、硅能与Cu+2、Pb+2、Ag＋2、Hg＋2等金属离子发生置换反应，因此，硅能从这些金属离子的盐溶液中置换出金属。例如：Cu+2＋Si=Si+2Cu在工艺上用染色法测量P-N结的结深时常用。6、硅能溶解在熔融的铝、金、银、锡等金属中，形成合金。7、在高温下硅与镁、铜、钙、铂、铋等金属能形成具有一定组分的硅化物。例如：硅与镁在高温下作用生成硅化镁。Si+2Mg=Mg2si二、有关半导体基础理论固体材料（物质）按电学性质可分为三类：导体、半导体

4、、绝缘体。（一）晶体的基本知识自然界中多种固体大部分都具有晶体结构。1、晶体具有一定的几何形状，任何晶体的形状都是多面体，其中最简单的为正立方体。2、晶体具有各向异性的特性。即晶体的某些物理性质与方向有关。不同方向测量它的电导率、介电常数以及导热系数所得结果完全不一样。对不同形状的晶体各向异性程度是不同的，立方形晶体的各向异性最小。对大多数晶体来讲，各向异性在他们的机械性能方面表现尤为明显。然而，对于非晶体它的物理性质与方向无关，成为各向同性。3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶解而变成液体状态。以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部结构排列很有秩序，

5、构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。构成晶体的粒子排列在空间点阵的结点上，这些粒子（分子、粒子或原子）的热振动只表现为粒子在结点附近的振动，因此结点便是热振动的中心。如果将热振动忽略不计，则可认为晶体的粒子是固定在空间点阵的结点上，形成晶体过程中所产生的点阵特性和类型取决于形成点阵的粒子之间作用力的性质。晶体内部结构很有秩序是因为在这种结合力下相应于最小位能，所以点阵处在稳定平衡状态。晶体的形状、点阵类型只决定于能量关系。根据构成晶体的粒子不同，可把晶体点阵区分为四种：A、分

6、子点阵B、原子点阵C、粒子点阵D、金属点阵晶体又分单晶体和多晶体。单晶体：依照一定的规律和方向排列。多晶体：各个小晶体之间的排列不完全相同，也无规则。硅晶体结构：硅是由很多微小的晶体所组成，微小的晶体里硅原子按严格的规律排列着。在周期表上的位置，硅原子具有四个价电子，每个硅原子与另外一个硅原子的价电子组成一个电子对，这个电子对存在于两个硅原子之间，并且依靠它们把原子与原子互相结合在一起。这种结合方式称为“共价键”的结合。形成一个稳定的原子根，带有四个单位的正电荷，叫“原子点阵”结构。硅（Si）284相对原子质量28.0855（二）能级概念和原子壳层组织自然界中的物质都有原子组成的。我们知道

7、，原子是一个复杂的电系统，但基本上它是由带正电核和绕核旋转而又自转的电子所组成，由于它们电荷相等符号相反，所以原子是中性的（即带正电的质子（原子核），带负电的电子）。电子受到原子核势场的作用，只能处于某些特定的能量状态称为能级。硅原子共有14个电子，分别列在1S、2S、2P、3S和3P的能级上。其中1S容纳2个电子，2S容纳2个电子，2P容纳6个电子，它们都是占满的。3S和3P各容纳2个电子。但是对于n=3来说最多可容纳