半导体材料硅的基本性能.docVIP

半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 二元化合物 GaAs — 砷化镓 SiC — 碳化硅 三元化合物 AlGa11As — 砷化镓铝 AlIn11As — 砷化铟铝 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。 性质 符号 单位 硅（Si） 原子序数 Z 14 原子量 M 28.085 原子密度 个/cm3 5.00×1022 晶体结构 金刚石型 晶格常数 a ? 5.43 熔点 Tm ℃ 1420 密度(固/液) g/ cm3 2.329/2.533 介电常数 0 11.9 本征载流子浓度 ni 个/ cm3 1.5×1010 本征电阻率 i ·cm 2.3×105 电子迁移率 n cm2/(V·S) 1350 空穴迁移率 p cm2/(V·S) 480 电子扩散系数 Dn cm2/S 34.6 空穴扩散系数 Dp cm2/S 12.3 禁带宽度（25℃ Eg eV 1.11 导带有效态密度 Nc cm-3 2.8×1019 价带有效态密度 Nv cm-3 1.04×1019 器件最高工作温度 ℃ 250 表1 硅的物理化学性质（300K） 1.2 硅的电学性质 硅的电学性质有两大特点： 一 、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010·cm 二 、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。如图所示电阻率随杂质浓度的变化 1.3 硅的化学性质 硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。 硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。 硅的热氧化反应 ～1100℃ Si + O2 → SiO2 ～1000℃ Si + 2H2O → SiO2 + H2 在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。 硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应 ～300℃ Si + 2Cl2 → SiCl4 ～280℃ Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。 硅与酸的化学反应 硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。 硅与HF—HNO3 混合液的化学反应 Si + 4HNO3 + 6HF → H2SiF6 + 4NO2 + 4H2O HNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反