第第22章章半导体材料和工艺化学品半导体材料和工艺化学品第第22章主要内容章主要内容微电子器件制作常用的半导体材料性质微电子器件制作常用的半导体材料性质微电子器件制作常用的化学品微电子器件制作常用的化学品2.12.1原子结构原子结构玻尔原子：玻尔原子：„玻尔原子模型玻尔原子模型„电子轨道电子轨道„价电子价电子2.22.2元素周期表元素周期表2.32.3电传导电传导电导率电导率定义及单位定义及单位电阻率电阻率定义及单位定义及单位2.42.4绝缘体和电容器绝缘体和电容器绝缘体：绝缘体：原子核对轨道电子具有强大的束原子核对轨道电子具有强大的束缚作用缚作用电容器的结构与电容的表达式电容器的结构与电容的表达式体电阻与材料尺寸体电阻与材料尺寸2.52.5本征半导体本征半导体本征半导体纯净的能反映材料本身性质的半导体材料。可以是元素半导体，如；Si、Ge；也可以是化合物半导体，如GaAs、GaP等。9-10个9的纯硅，电阻率达250000Ω.cm本征半导体没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中所有量子态都被电子占据，而导带中所有量子态都是空的。当温度大于零度时，就会有电子从价带由于本征激发跃迁至导带，同时在价带中产生空穴。由于电子和空穴是成对产生的，导带中电子的浓度n0应等于价带中空穴的浓度p0，即有：n0=p0；n0=p0=(NcNv)1/2exp(-Eg/2kT)=niNc、Nv是导带底和价带顶的有效状态密度；k是波耳兹曼常数；T为温度；Eg是禁带宽度；2.62.6掺杂半导体掺杂半导体掺杂半导体：有意识的将特定的非本体元掺杂半导体：有意识的将特定的非本体元素加入到半导体材料中，能显著改变材料素加入到半导体材料中，能显著改变材料性质，特别是导电性。如性质，特别是导电性。如NN型硅，掺入型硅，掺入VV族族元素元素——磷磷PP、砷、砷AsAs、锑、锑SbSb；；PP型硅，掺入型硅，掺入IIIIII族元素族元素——镓镓GaGa、硼、硼BB等等等等通过掺杂可以精确控制电阻率通过掺杂可以精确控制电阻率可以控制电子或空穴为主的导电可以控制电子或空穴为主的导电半导体的性质半导体的性质杂质对半导体的电阻率的影响很显著。如在纯硅中加入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14E5欧姆·厘米减小到约0.4欧姆·厘米。杂质对半导体导电能力的改变起着决定性作用，这就是我们能用半导体材料来制造晶体管和集成电路的主要依据。半导体电阻率的变化灵敏地依赖于温度的变化。随着温度升高，半导体电阻率减小，如温度从室温升高到200度，纯硅的电阻率要减小几千倍。利用这一性质，可制成自动控制中的热敏元件。2.72.7掺杂半导体材料电阻率掺杂半导体材料电阻率11ρ==σnqμ+pqμ电阻率定义电阻率定义−+四探针法测量半导体四探针法测量半导体材料的电阻率材料的电阻率Vρ=23⋅W⋅C计算公式计算公式I式中，式中，WW为样品厚度、为样品厚度、CC为修正因子，可根据为修正因子，可根据样品几何尺寸查表得样品几何尺寸查表得到、实验测得电流和到、实验测得电流和电压值，就可算出电电压值，就可算出电阻率了。阻率了。半导体材料的电阻率半导体材料的电阻率2.82.8电子和空穴的传导电子和空穴的传导NN型半导体及电子的形成型半导体及电子的形成电子的传导电子的传导PP型半导体及空穴的形成型半导体及空穴的形成空穴的传导空穴的传导硅键构型与本征激发++44++44束缚电子+4+4自由电子+4+4空穴„在实际应用的半导体材料晶格中，总是存在着偏离理想情况的各种复杂现象。包括存在各种杂质和缺陷。实践表明：半导体的导电性可以通过掺入适量的杂质来控制，这是半导体能够制成各种器件的重要原因。例如对本征半导体硅（Si）掺入百万分之一的杂质，其电阻率就会从105欧姆•厘米下降到只有几个欧姆•厘米。„以下我们以Si中杂质为例来介绍半导体中杂质的作用：替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格处；间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；„杂质原子进入半导体硅中，只可能以这两种方式存在。间隙式杂质一般比较小；而形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较接近。如；III、V族元素在Si晶体中都是替位式杂质。硅中掺磷的情况：当一个磷原子占据了硅原子的位置，由于磷原子有五个价电子，其中四个与周围四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。同时，磷原子所在处也多余一个正电荷。所以磷原子替代硅原子后，其效果是