半导体材料硅的基本性质.doc

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Z14原子量M28.085原子密度个/cm35.00×1022晶体结构金刚石型晶格常数aÅ5.43熔点Tm℃1420密度(固/液)g/cm32.329/2.533介电常数011.9本征载流子浓度ni个/cm31.5×1010本征电阻率i·cm2.3×105电子迁移率ncm2/(V·S)1350空穴迁移率pcm2/(V·S)480电子扩散系数Dncm2/S34.6空穴扩散系数Dpcm2/S12.3禁带宽度（25℃）EgeV1.11导带有效态密度Nccm-32.8×1019价带有效态密度Nvcm-31.04×1019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→SHAPE\*MERGEFORMATSiCl4～280℃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+4H2OHNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。硅与HF—CrO3混合液有化学反应Si+CrO3+8HF→H2SiF6+CrF2+3H2O此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,WSi2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。硅与SiO2的化学反应1400℃Si+SiO2→2SiO在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与