第一章半导体物理基础.ppt

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1、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: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(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。,4,1.1 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

2、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711个“9”的高纯度。,7,1.1.2 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）,8,2、按纯度分：,随着纯度上升，成本呈指数上升,9,3、按结构分：,单晶硅：所

3、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。,12,1.1.3 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

4、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,13,1 粗硅的制备 粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅），纯度在9599。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16001800 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。,14,2 多晶硅的制备 由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4

5、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十7HClSiHCl3十SiCl4十3H2,15, 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

6、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。,17,3、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，

7、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。,18,1.1.4 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

8、副产物系列产品和设备产业链,21,1.2 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,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。,23,1.2.2 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

9、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,25,绝缘体、半导体和导体的能带示意图,传导电流的条件：存在使电子运动状态改变的外界作用； 电子能量增加后要进入的新能级必须是空的,26,1.3 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,27,2、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

10、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=ni n0p0=ni2 ni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：,30,1.4.1 施主杂质和受主杂质 donor accepter,1. 4、杂质半导体,半导体保持电中性,31,1.4.2 N型半导体 和 P型半导体,1.4.3 深能级杂质,3

11、2,1.5 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,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）,34,1.5.3 能级E被空穴占据的几率为：,35,1.5.4 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,36,费米能级随掺杂浓度、掺杂类型和环境温度的变化,37,1.5.5半导体中载流子浓度 1、热平衡 2、平衡载流子浓度,3、载流子浓度乘积,38,4、本征半导体中载流子浓度,一般取:,39,热平衡方程,热平衡方程,对于特定的半导体材料，热

12、平衡状态下 np 是一个与温度有关的常数,40,5、 杂质半导体,N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：,42,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,43,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：P29 1.2,44,1.6、半导体的导电性,

13、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,45,1.6、半导体的导电性,二、迁移率 : 电子在单位电场作用下的漂移速度 单位：cm 2/V.s,46,1.6、半导体的导电性,迁移率 :,47,1.6、半导体的导电性,三、漂移电流密度 :,48,1.6、半导体的导电性,1.6.2 半导体的电导率 N型半导体： N qnn = qNDn P型半导体： P qpp = qNAp,1.6.3 方块电阻,49,1.7 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

14、间接复合 复合中心,n = n - n0 p p - p0,50,1.7 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,51,1.7 非平衡载流子,二、非平衡载流子的寿命：,：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,52,1.7 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,53,1.7 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 cm2/s Dp：空穴扩散系数 cm2/s,54,1.7 非平衡载流子,扩散电流密度 A/cm2,55,1.7 非平衡载流子,二、一维稳定扩散下的少数载流子分布 扩散长度表示少子在寿命时间内扩散距离的平均值。以 Ln、Lp 表示电子、空穴的扩散长度。 三、非平衡载流子的漂移运动,56,1.7 非平衡载流子,四、爱因斯坦关系 迁移率、扩散系数 D 反应的物理机理相同 常温下 kT 0.026 eV kT/q 0.026 V 作业：P29 1.3，1.4，1.5，1.11,