半導體材料硅的基本性質一．半導體材料1.1固體材料按其導電性能可分為三類：絕緣體、半導體及導體，它們典型的電阻率如下：圖1

典型絕緣體、半導體及導體的電導率范圍1.2半導體又可以分為元素半導體和化合物半導體，它們的定義如下：元素半導體：由一種材料形成的半導體物質，如硅和鍺。化合物半導體：由兩種或兩種以上元素形成的物質。1)二元化合物

GaAs―砷化鎵

SiC

―碳化硅2)三元化合物AlGa11As―

砷化鎵鋁AlIn11As―

砷化銦鋁1.3半導體根據其是否摻雜又可以分為本征半導體和非本征半導體，它們的定義分別為：本征半導體：當半導體中無雜質摻入時，此種半導體稱為本征半導體。非本征半導體：當半導體被摻入雜質時，本征半導體就成為非本征半導體。1.4摻入本征半導體中的雜質，按釋放載流子的類型分為施主與受主，它們的定義分別為：施主：當雜質摻入半導體中時，若能釋放一個電子，這種雜質被稱為施主。如磷、砷就是硅的施主。受主：當雜質摻入半導體中時，若能接受一個電子，就會相應地產生一個空穴，這種雜質稱為受主。如硼、鋁就是硅的受主。圖1.1（a）帶有施主（砷）的n型硅

(b)帶有受主（硼）的型硅1.5摻入施主的半導體稱為N型半導體，如摻磷的硅。由于施主釋放電子，因此在這樣的半導體中電子為多數導電載流子（簡稱多子），而空穴為少數導電載流子（簡稱少子）。如圖1.1所示。摻入受主的半導體稱為P型半導體，如摻硼的硅。由于受主接受電子，因此在這樣的半導體中空穴為多數導電載流子（簡稱多子），而電子為少數導電載流子（簡稱少子）。如圖1.1所示。二．硅的基本性質1.1硅的基本物理化學性質硅是最重要的元素半導體，是電子工業的基礎材料，其物理化學性質（300K）如表1所示。性質原子序數原子量原子密度晶體結構晶格常數熔點密度(固/液)介電常數本征載流子濃度本征電阻率電子遷移率符號ZM

aTm??0單位

個/cm3

?℃g/cm

個/cm3?3硅（Si）1428.0855.00×1022金剛石型5.4314202.329/2.53311.91.5×10102.3×1051350ni?i?cm?ncm2/(V?S)空穴遷移率電子擴散系數空穴擴散系數禁帶寬度（25℃）導帶有效態密度價帶有效態密度器件最高工作溫度1.2硅的電學性質硅的電學性質有兩大特點：?pcm2/(V?S)cm/Scm2/SeVcm-3cm℃-3248034.612.31.112.8×10191.04×1025019DnDpEgNcNv

表1硅的物理化學性質（300K）一、導電性介于半導體和絕緣體之間，其電阻率約在10-4～1010??cm二、導電率和導電類型對雜質和外界因素（光熱，磁等）高度敏感。無缺陷的、無摻雜的硅導電性極差，稱為本征半導體。當摻入極微量的電活性雜質，其電導率將會顯著增加，稱為非本征半導體。例如，向硅中摻入億份之一的硼，其電阻率就降為原來的千分之一。摻入不同的雜質，可以改變其導電類型。當硅中摻雜以施主雜質（?プ逶?素：磷、砷、銻等）為主時，以電子導電為主，成為N型硅；當硅中摻雜以受主雜質（Ⅲ族元素：硼、鋁、鎵等）為主時，以空穴導電為主，成為P型硅。硅中P型和N型之間的界面形成PN結，它是半導體器件的基本機構和工作基礎。如圖所示電阻率隨雜質濃度的變化1.3硅的化學性質硅在自然界中多以氧化物為主的化合物狀態存在。硅晶體在常溫下化學性質十分穩定，但在高溫下，硅幾乎與所有物質發生化學反應。1.硅的熱氧化反應～1100℃SiO2

→

SiO2～1000℃Si2H2O

→

SiO2H2在硅表面生成氧化層，其反應程度與溫度有相當大的關系，隨溫度的升高，氧化速度加快。2.硅與氯氣（Cl2）或氯化物（HCl）的化學反應

～300℃Si2Cl2

→

SiCl4

～280℃Si3HCl

→

SiHCl3

H2上面兩個反應常用來制造高純硅的基本材料―SiCl4和SiHCl3。3.硅與酸的化學反應硅對多數酸是穩定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蝕，但可以被其混合液所腐蝕。（1）硅與HF―HNO3混合液的化學反應Si4HNO36HF→H2SiF64NO24H2OHNO3在反應中起氧化作用，沒有氧化劑存在，H就不易與硅發生反應。此反應在硅的缺陷部位腐蝕快，對晶向沒有選擇性。（2）硅與HF―CrO3混合液有化學反應SiCrO38HF→H2SiF6CrF23H2O此混合液是硅單晶缺陷的擇優腐蝕顯示劑，缺陷部位腐蝕快。（3）硅與金屬的作用硅與金屬作用可生成多種硅化物，如TiSi2,WSi2,MoSi等硅化物具有良好的導電性、耐高溫、抗電遷移等特性，可以用來制備集成電路內部的引線、電阻等元件。（4）硅與SiO2的化學反應1400℃SiSiO2

→

2SiO在直拉法（CZ）制備硅單晶時，因為使用超純石英坩堝（SiO2），石英坩堝與硅熔體會發生上述反應。反應生成物SiO一部分從硅熔體中蒸發出來，另外一部分溶解在熔硅中，從而增加了熔硅中氧的含量，成為硅中氧的主要來源。在拉制單晶時，單晶爐內須采用真空環境或充以低壓高純惰性氣體，這種工藝可以有效防止外界沾污，并且隨著SiO蒸發量的增大而降低熔硅中的氧含量，同時，在爐腔壁上減緩SiO沉積，以避免SiO粉末影響無位錯單晶生長。1.4硅的晶體結構和化學鍵1.硅的晶體結構硅晶體為金剛石結構，四個最近鄰原子構成共價四面體。如圖2.1和圖2.2所示。圖2.1共價四面體

圖2.2硅的晶體結構2．硅晶體的化學鍵硅晶體中的化學鍵為典型的共價鍵，共價鍵是通過價電子的共有化形成的。具體說來，共價鍵是由兩原子間一對自旋相反的共有電子形成的。電子的配對是形成共價鍵的必要條件。硅晶體中的每個原子都與4個最近鄰原子形成四對自旋相反的共有電子，構成4個共價鍵。硅原子的最外層價電子分布為3s23p2,3s能級最多能容納2個自旋相反的電子，現已有2個自旋相反的電子配成對了。3p能級最多可容納6個電子，現只有2個電子。根據洪特規則，即共價軌道上配布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行。那么，兩個p電子將分別占據兩個p軌道，而空出一個p軌道。如此，硅原子的價電子配布為：3s

3p按照這種配布，s軌道的兩個電子已配成對了，不能再配對。只有p軌道上的2個電子尚未配對，可以和最近鄰原子的價電子配成兩對。這樣每個原子只能和最近鄰原子形成2個共價鍵，而實際上卻是4個共價鍵。這個矛盾靠軌道的雜化來解決。硅原子的3s上的電子可以激發到3p上去，形成新的sp雜化軌道：3s

3p3sp3雜化軌道有4個未配對的電子，故可以形成4個共價鍵。雖然3s能級上的電子激發到3p能級上去需要一定的能量，但形成2個共價鍵所放出的能量更多，結果體系更趨穩定。共價鍵有兩個重要特性：飽和性和方向性。所謂飽和性是1個電子和1個電子配對以后，就不能再與第3個電子配對了。硅原子軌道雜化以后，有4個未配對的價電子。這4個電子分別與最近鄰原子中的1個價電子配成自旋相反的電子對，形成4個共價鍵。因此，硅晶體中的任一原子能夠形成的共價鍵數目最多為4。這個特性就是共價鍵的飽和性。所謂共價鍵的方向性是指原子只在特定的方向上形成共價鍵。硅原子的四個sp3雜化軌道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它們兩兩之間