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半导体基本知识半导体基本知识76512半导体材料的特征半导体材料的特征 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在104欧姆厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆厘米以上。顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有如下的主要特征。（l）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在 104109欧姆厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类2006-7-129N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体v一般说，施主和受主杂质均为替位式杂质。它们掺入晶体后，要取代晶格中硅原子的位置。见图4- 2。N型半导体和型半导体和P型半导体（续）型半导体（续）图4- 2（a）中，磷原子有五个价电子，由于硅晶体中每个原子只有四个近邻原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周围硅原子组成共价键结合时，只需四个电子，还多一个电子。这个多余的电子不受共价键束缚，因此容易挣脱束缚，变成导带电子。这种能释放电子的杂质称为施主杂质或N型杂质。使这个多余电子激发到导带所需的能量称为施主杂质电离能。2006-7-1211N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体图4- 2（b）中，硼原子有三个价电子，它同周围硅原子组成共价键时，还缺一个电子，需要从附近硅原子价键中夺取一个电子补充，原子便多一个电子，成为负离子，同时，在晶体中产生一个空穴。空穴容易挣脱硼离子的束缚成为价带中的导电空穴。这种接受电子而产生空穴的杂质称为受主杂质。使空穴挣脱束缚成为价带导电空穴所需能量称作受主杂质电离能。由于杂质能级靠近导带底和价带顶，所以电离能远小于禁带宽度。室温下几乎所有杂质都是电离的，而本征激发要难得多。通常情况下，杂质半导体载流子浓度比本征半导体载流子浓度高得多，导电能力因此也强得多。多数载流子与少数载流子多数载流子与少数载流子 在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体则相反，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和。少数载流子简称少子，只由本征激发产生。在室温下，杂质全部电离，每个杂质均提供一个载流子。一般情况下，由于掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以多子浓度远大于少子浓度。杂质补偿杂质补偿本征半导体中掺入N型杂质就成为N型半导体，掺入P型杂质就成为P型半导体。在实际的半导体中，如果同时存在受主杂质和施主杂质，受主杂质所产生的空穴通过复合与施主杂质所提供的电子相抵消，将使总的载流子数减少，这种现象称为杂质补偿。决定补偿后半导体导电类型和载流子浓度的是两种杂质补偿后的净浓度，即（NDNA）或（NAND）。其中ND为施主杂质浓度，NA为受主杂质浓度。当NDNA时，半导体呈N型；反之，当NAND时，半导体呈P型。若NDNA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消。这时，不管半导体中杂质有很多，载流子却很少，基本上只有本征激发产生。这种情况称为高度补偿。利用杂质补偿可以任意改变半导体的导电类型。但补偿度过大对材料和器件的电学性能会产生不良影响。电阻率电阻率电阻率是常用的半导体材料参数，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度决定。本征载流子浓度随温度的上升而急剧增加，而迁移率变化的影响只是次要的因素。本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降。对杂质半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构存在，因而电阻率随温度的变化关系要复杂些。电阻率（续）电阻率（续）图4- 3 表示一定杂质浓度的半导体硅材料的电阻率和温度的关系。图4- 3 硅电阻率与温度关系示意图从上图可以看出，一定杂质浓度的硅材料的电阻率和温度的关系曲线大致可分为三段。在曲线的AB段，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大。所以，电阻率随温度升高而下降。BC段为包括室温在内的一段温度范围，杂质全部电离，本征激发还不显著，载流子基本上不随温度变化；在这段温度范围，晶格散射为主要的散射机构，迁移率随温度升高而降低。所以，电阻率随温度升高而增大。当温度继续升高到曲线的CD段时，本征激发很快增加，大量产生的本征载流子的作用远远超过迁移率减小对电阻率的影响，表现出与本征半导体相似的特性。显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度也越高。ABCDln1/T附录附录硅在硅在300K的物理常数的物理常数 原子序数14原子量 28.08 晶体结构金刚石（8atoms/unit cell） 晶格常数0.5431nm 原子密度5.0 x1022/c 密度2.33g/cm3 熔点1420硅在常温下电阻率硅在常温下电阻率 与杂质浓度的关系与杂质浓度的关系 2006-7-1218CZOCHRALSKI（CZ） 单 晶 生 长 法这 个用 其 发 明 者 的 名 字 命 名 的 生 长 法， 就 是 在 界 面 上使 原 子 从 液 相 晶 体 凝 固。 生 产 CZ 硅 的 基 本 生 产 方 法 自 从 五十 年 代 早 期 由 Teal 和 其 它 人 首 创 后 就 没 有 明 显 的 改 变（。简 单 易 行 的 方 法 和 相 当 高 的 晶 体 纯 度 使 CZ 法 成 为 半导 体 产 业 早 期 主 要 的 晶 体 生 长 技 术。 六 十 年 代 晚 期 无 位 错晶 锭 生 长 和 自 动 直 径 控 制 的 发 展， 导 致 了 晶 锭 直 径 和 晶 体溶 液 尺 寸 的 迅 速 变 大。 在 经 济 效 益 的 驱 使 下， 对 于 更 大 的晶 锭，在 炉 料 尺 寸 和 直 径 方 面 需 要 进 一 步 增 加。 如 图7 所 示，到 1985 年 已 经 有 了 直 径 150mm 的 晶 体 和 60kg 的 炉 料 （标 准 的工 业 用 晶 锭 长 0.52.5m， 每 60kg 炉 料 能 生 长 大 约 长 为 1m 直 径150mm 的 晶 锭）。Czochralski 晶 体 生 长 步 序上 图 中 一 组 连 续 的 照 片 显 示 了 CZ 硅 晶 体 生 长 的 步 骤，首 先装 载 盛 有 无 掺 杂 EGS 炉 料 和 精 确 数 量 的 低 硅 合 金 的 熔 融 石英 坩 埚。 然 后 从 生 长 室 中 抽 出 空 气， 再 充 以 惰 性 气 体（为 限制在 生 长 时 空 气 中 的 气 体 混 入 溶 液）， 然 后 熔 化 炉 料（硅 的 熔点 是1412C）。 下 一 步 将 有 精 确 取 向 裕 度 的 细 籽 晶（大 约 直 径5mm、 长100300mm) 放 入 熔 融 的 硅。 然 后 以 控 制 的 速 度 抽 回 籽晶。 在 拉 取 过 程 中，籽 晶 和 坩 埚 都 在 旋 转， 但 方 向 相 反。当 初 始 拉 的 速 率 相 当 快，可 以 形 成 一 个 细 颈。Dach 发 现 如果 形 成 这 个 细 颈， 生 长 的 晶 锭 就 可 以 达 到 宏 观 无 位 错 的 晶态。 此 时， 熔 融 温 度 下 降 并 且 稳 定， 所 需 晶 锭 的 直 径 可 以 形成 （放 肩 步 骤）， 通 过 精 确 调 控 拉 取 速 率， 可 以 使 直 径 大 小持 续 保 持。 拉 取 一 直 持 续 到 炉 料 接 近 耗 尽，此 时，晶 锭 被 回 拉成 扁 尾 形（tang）（收 尾）。 工 序 的 最 后 一 步 是 停 炉 过 程。2006-7-1221Czochralski 晶 体 生 长 步 序冷 的 籽 晶 刚 刚 浸 入 溶 液 时， 在 晶 体 被 加 热 的 外 部 和还 冷 的 内 部 之 间 会 有 很 大 的 应 力。 这 些 应 力 大 得 足 以 引起 塑 性 变 形， 从 而 导 致 晶 体 中 的 宏 观 位 错。 当 从 溶 液 中 快速 拉 取 细 颈 区 时， 这 些 位 错 被 驱 赶 到 细 颈 的 圆 柱 体 表 面。此 时，位 错 就 不 向 随 后 结 晶 的 晶 体 区 扩 展 了。 如 此 生长 的 晶 体 就 没 有 宏 观 位 错， 而 且 将 持 续 这 样 生 长， 除 非 有明 显 的 扰 动 影 响 了 结 晶 过 程（ 如 溶 液 中 颗 粒 与 生 长 晶 体 接触， 或 生 长 时 晶 体 被 振 动）、 无 位 错 晶 体 能 持 续 地 生 长 而 没有 位 错 的 趋 势 归 因 于 必 须 给 完 整 晶 体 很 大 的 应 力 以 产 生位 错。 在 完 好 控 制 生 长 的 情 况 下 是 产 生 不 了 如 此 大 的 应力 的。22 结束语结束语