第01章 硅基礎(chǔ)

1、第一章第一章 Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)六大高新六大高新技術(shù)技術(shù)材料材料信息信息生物生物能源能源海洋海洋空間空間半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料Si材料材料通信、計算通信、計算機、自動化機、自動化微電子技術(shù)微電子技術(shù)Si集成電路集成電路煤煤石油石油Si太陽電池太陽電池第一章第一章 Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)固體固體晶體晶體非晶體非晶體單晶體單晶體多晶體多晶體第一章第一章 Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)l單晶單晶Si（Single Crystal Siliconc-Si）l由單一晶格周期性重復(fù)排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)由單一晶格周期性重復(fù)排列構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)l多晶多晶Si（Polycrystalline Siliconpoly

2、-Si）l由很多具有不同晶向的晶粒無規(guī)則堆積而成，晶粒由很多具有不同晶向的晶粒無規(guī)則堆積而成，晶粒內(nèi)部是單晶結(jié)構(gòu)，而晶粒之間為無序的晶粒間界。內(nèi)部是單晶結(jié)構(gòu)，而晶粒之間為無序的晶粒間界。l非晶非晶Si（Amorphous Silicon-Si）l短程有序而長程無序的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。短程有序而長程無序的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一章第一章 Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)l多孔硅（多孔硅（Porous Silicon-PS）l用電化學(xué)方法制備的，具有一定數(shù)量和尺寸孔洞的新形態(tài)用電化學(xué)方法制備的，具有一定數(shù)量和尺寸孔洞的新形態(tài)Si材料。首次實現(xiàn)了室溫的材料。首次實現(xiàn)了室溫的Si基材料光發(fā)射?；牧瞎獍l(fā)射。l納米晶

3、納米晶Si薄膜（薄膜（Nanocrystalline Silicon Filmsnc-Si）l由大量納米級晶粒和包圍這些晶粒的界面組成的納米結(jié)構(gòu)由大量納米級晶粒和包圍這些晶粒的界面組成的納米結(jié)構(gòu)lSi量子點（量子點（Silicon Quantum DotsSi-QD）l尺寸為幾個納米的，具有三維量子限制效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。尺寸為幾個納米的，具有三維量子限制效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。第一章第一章 Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)c-Sipc-Si-Sinc-Si1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點l本節(jié)通過介紹晶體學(xué)上的幾個概念來了解本節(jié)通過介紹晶體學(xué)上的幾個概念來了解Si晶體的結(jié)構(gòu)特點。晶體的結(jié)構(gòu)特點。一一晶格晶格l任

4、一晶體都可以看成由質(zhì)點（原子、分子、離子）任一晶體都可以看成由質(zhì)點（原子、分子、離子）在三維空間中按一定規(guī)則做周期性重復(fù)排列所構(gòu)在三維空間中按一定規(guī)則做周期性重復(fù)排列所構(gòu)成的。晶體的這種周期性結(jié)構(gòu)稱為晶體格子，簡成的。晶體的這種周期性結(jié)構(gòu)稱為晶體格子，簡稱晶格。稱晶格。見書見書p1p1圖圖1.11.1。l晶格是重復(fù)的格子，不一定是立方體。晶格是重復(fù)的格子，不一定是立方體。1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點二二晶胞晶胞1.定義：能夠最大限度地反映晶體立方對稱性質(zhì)的定義：能夠最大限度地反映晶體立方對稱性質(zhì)的最小重復(fù)單元。最小重復(fù)單元。2.晶胞不一定是晶體中最小的重復(fù)單元，但是它是晶胞不一定是

5、晶體中最小的重復(fù)單元，但是它是能反映晶體結(jié)構(gòu)的立方對稱性的最小重復(fù)單元。能反映晶體結(jié)構(gòu)的立方對稱性的最小重復(fù)單元。l晶體中的最小重復(fù)單元稱為原胞。晶體中的最小重復(fù)單元稱為原胞。l立方晶系中，晶格即晶胞立方晶系中，晶格即晶胞=原胞。但其他晶系卻不一原胞。但其他晶系卻不一定。定。1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點3.Si的晶胞的晶胞l由面心立方單元中心到由面心立方單元中心到頂角引八條對角線，在頂角引八條對角線，在其中不相鄰的四條線的其中不相鄰的四條線的中點各加一個原子，即中點各加一個原子，即為為Si的晶胞結(jié)構(gòu)。的晶胞結(jié)構(gòu)。金剛金剛石結(jié)構(gòu)。石結(jié)構(gòu)。l還可以認(rèn)為是兩個重疊還可以認(rèn)為是兩個重疊在一

6、起的面心立方晶格在一起的面心立方晶格沿體對角線位移四分之沿體對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成。一長度套構(gòu)而成。1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點三三晶格常數(shù)晶格常數(shù)l立方晶胞的邊長為立方晶胞的邊長為a，稱為晶格常數(shù)。，稱為晶格常數(shù)。l故，雖然故，雖然Si、Ge、金剛石有相同的晶格結(jié)構(gòu)，但由、金剛石有相同的晶格結(jié)構(gòu)，但由于組成的原子不同，晶格常數(shù)也是不同的。于組成的原子不同，晶格常數(shù)也是不同的。l300K時，時，5.4305 ,5.6463SiGeaA aA1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點四四原子密度原子密度l定義：定義：lSi、Ge每個晶胞所含的原子數(shù)為每個晶胞所含的原子數(shù)為lSi

7、、Ge的原子密度為的原子密度為lSi：51022/cm3,Ge：4.41022/cm3晶胞所含的原子數(shù)原子密度晶胞的體積11864882 38a1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點五五共價四面體共價四面體l在在Si、Ge晶體中，每一個原子都晶體中，每一個原子都有有4個最近鄰的原子，它們處在個最近鄰的原子，它們處在四面體的四面體的4個頂角上。個頂角上。l原子之間是共價鍵，構(gòu)成一個四原子之間是共價鍵，構(gòu)成一個四面體形狀。面體形狀。l鍵角鍵角=10928l鍵長鍵長=34a1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點六六Si晶體內(nèi)部的空隙晶體內(nèi)部的空隙lSi晶體的內(nèi)部不是全部被晶體的內(nèi)部不是全部被Si

8、原子填滿的，而是存原子填滿的，而是存在相當(dāng)大的在相當(dāng)大的“空隙空隙”。l晶體的空間利用率晶體的空間利用率33488Si3SiSira個球的體積晶胞的體積328Sira原子間距34%1.1 Si晶體結(jié)構(gòu)的特點晶體結(jié)構(gòu)的特點l晶 體 中 有 很 大 的晶 體 中 有 很 大 的 “ 空空間間”，可以為，可以為Si或其它或其它雜質(zhì)原子在雜質(zhì)原子在Si晶體內(nèi)部晶體內(nèi)部的運動提供條件。的運動提供條件。l空間主要是晶胞內(nèi)部沒空間主要是晶胞內(nèi)部沒被被Si原子占據(jù)的另外原子占據(jù)的另外4條條線。線。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型1.2.1 晶向晶向一一定義定義l對于任何一種晶體來說，晶格中的原

9、子總可以被對于任何一種晶體來說，晶格中的原子總可以被看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。晶體的許多性質(zhì)都同晶列方種直線系稱為晶列。晶體的許多性質(zhì)都同晶列方向有關(guān)，故實際工作中就要對不同晶列方向有所向有關(guān)，故實際工作中就要對不同晶列方向有所標(biāo)記。標(biāo)記。l通常用通常用“晶向晶向”來表示一族晶列所指的方向來表示一族晶列所指的方向。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型二二晶向的表示法晶向的表示法l以晶胞為基礎(chǔ)，建立笛以晶胞為基礎(chǔ)，建立笛卡爾坐標(biāo)系來描述晶向。卡爾坐標(biāo)系來描述晶向。l以晶胞的某一個格點作以晶胞的某一個格點作為原

10、點，立方體的三個為原點，立方體的三個邊作為基矢邊作為基矢x,y,z，則其，則其他所有格點的位置可由他所有格點的位置可由基矢基矢L來表示。來表示。123Ll xl yl z 1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型l任何一個晶向，可由連接晶列中相鄰格點的矢量任何一個晶向，可由連接晶列中相鄰格點的矢量A表示。表示。lm1，m2，m3為互質(zhì)的整數(shù)，若三者不互質(zhì)，那么為互質(zhì)的整數(shù)，若三者不互質(zhì)，那么表明在這條線上，這兩個格點之間一定還包括其他表明在這條線上，這兩個格點之間一定還包括其他格點。格點。l實際上，只用這三個互質(zhì)整數(shù)來標(biāo)記晶向，寫作實際上，只用這三個互質(zhì)整數(shù)來標(biāo)記晶向，寫作m1,m2,

11、m3，稱為，稱為晶向指數(shù)晶向指數(shù)。123Am xm ym z 1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型l由于晶胞是立方對稱的，所以雖然晶向的方向不同，由于晶胞是立方對稱的，所以雖然晶向的方向不同，但其性質(zhì)毫無差別，這些晶向稱為但其性質(zhì)毫無差別，這些晶向稱為等價方向等價方向，可用，可用來統(tǒng)一表示。來統(tǒng)一表示。l例如例如100，010，001，-100，0-10，00-1為等價方向，可統(tǒng)一表示為為等價方向，可統(tǒng)一表示為。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型l原子線密度原子線密度l定義：單位晶向長度內(nèi)的原子數(shù)。定義：單位晶向長度內(nèi)的原子數(shù)。l計算計算l:l:l:作業(yè)作業(yè)l單晶單晶

12、Si、非晶、非晶Si、多晶、多晶Si的概念。的概念。l金剛石結(jié)構(gòu)描述。金剛石結(jié)構(gòu)描述。lSi晶格常數(shù)、原子密度、空隙率。晶格常數(shù)、原子密度、空隙率。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型 1.2.2 晶面晶面一一定義定義l晶格中的所有原子不但可以看作是處于一系列方晶格中的所有原子不但可以看作是處于一系列方向相同的平行直線上，而且也可以看作是處于一向相同的平行直線上，而且也可以看作是處于一系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為晶面晶面。二二標(biāo)記標(biāo)記1.晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）l不同晶面上的原子排列情況一般是不同的，所以不同晶面上的原

13、子排列情況一般是不同的，所以不同的晶面，標(biāo)記也就不同。不同的晶面，標(biāo)記也就不同。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型l可以用相鄰的兩個平行晶面在矢量可以用相鄰的兩個平行晶面在矢量x，y，z上的截距來標(biāo)記上的截距來標(biāo)記。它們總可以表示為它們總可以表示為x/h1，y/h2，z/h3。lh1，h2，h3為正或負(fù)的整數(shù)，且是互質(zhì)的。通常就用為正或負(fù)的整數(shù)，且是互質(zhì)的。通常就用h1，h2，h3標(biāo)記晶面，標(biāo)記晶面，記作記作( h1，h2，h3)，稱為晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）。，稱為晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）。2.簡單的晶面指數(shù)求法簡單的晶面指數(shù)求法l法一：對于一個給定平面，取該平面在三個坐標(biāo)軸上的截法一

14、：對于一個給定平面，取該平面在三個坐標(biāo)軸上的截距的倒數(shù)，然后化成與之具有相同比率的三個互質(zhì)整數(shù)即距的倒數(shù)，然后化成與之具有相同比率的三個互質(zhì)整數(shù)即可?？伞法二：求出與某一個給定晶面垂直的晶向指數(shù)，該晶面的法二：求出與某一個給定晶面垂直的晶向指數(shù)，該晶面的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)相同。晶面指數(shù)與晶向指數(shù)相同。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型3.立方晶系的幾種主要晶面立方晶系的幾種主要晶面l從圖中可以看出來，由于晶格的對稱性，有些晶面是彼此從圖中可以看出來，由于晶格的對稱性，有些晶面是彼此等效的，例如（等效的，例如（100）（）（010）（）（001）（）（-100）（）（0-10）（

15、00-1）這）這6個晶面是等效的。通常用大括號個晶面是等效的。通常用大括號100表示晶表示晶面族。其他晶面同理。面族。其他晶面同理。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型三三原子面密度原子面密度lSi晶體不同鏡面上的原子分布情況是不同的，圖晶體不同鏡面上的原子分布情況是不同的，圖1.7所示所示的是三個主要晶面上的原子分布情況。和下圖是一致的。的是三個主要晶面上的原子分布情況。和下圖是一致的。1.定義：晶面上單位面積的原子數(shù)即為原子面密度。定義：晶面上單位面積的原子數(shù)即為原子面密度。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型2.計算三個主要晶面的原子面計算三個主要晶面的原子面密度

16、密度（100）晶面上的原子面密度）晶面上的原子面密度l位于位于4個角上的個角上的4個原子時屬個原子時屬于于4個相鄰晶胞（個相鄰晶胞（100）面所）面所共有的。共有的。l位于面心上的位于面心上的1個原子時為個原子時為一個晶胞所獨有。一個晶胞所獨有。l（100）面單位面積為）面單位面積為a2。l原子面密度為原子面密度為2211424aa 1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型（110）面上的原子面密度）面上的原子面密度l4個角上的原子為個角上的原子為4個晶胞個晶胞共有。共有。l2個邊上的原子為兩個晶個邊上的原子為兩個晶胞共有。胞共有。l面內(nèi)的面內(nèi)的2個原子為一個晶個原子為一個晶胞獨占。胞

17、獨占。l原子面密度為原子面密度為221142242.834222aaaa 1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型（111）面上的原子面密）面上的原子面密度度l兩種算法兩種算法2222113322.362,13322221124242.3423322aaaaaaaa 三角形晶胞，立方晶胞1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型 1.2.3 堆積模型圖堆積模型圖l和和Si晶體金剛石結(jié)構(gòu)相關(guān)的堆積模型是配位數(shù)為晶體金剛石結(jié)構(gòu)相關(guān)的堆積模型是配位數(shù)為12（最大）（最大）的密堆積模型。的密堆積模型。l六角密堆積和立方密堆積。六角密堆積和立方密堆積。1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面

18、和堆積模型l右圖為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。右圖為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。l可以看出其為立方密堆積。可以看出其為立方密堆積。l（111）面為密排面。）面為密排面。ABC面心立方晶胞ABBBBBCCCCC1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和堆積模型 1.2.4 雙層密排面雙層密排面l金剛石結(jié)構(gòu)是兩套面心立金剛石結(jié)構(gòu)是兩套面心立方晶格套構(gòu)而成，所以他方晶格套構(gòu)而成，所以他的的111面也是原子密排面也是原子密排面，但是其每一層都是雙面，但是其每一層都是雙層的。層的。l雙層密排面的面內(nèi)間距為雙層密排面的面內(nèi)間距為l雙層密排面的面間距離為雙層密排面的面間距離為312a34a1.2 晶向、晶面和堆積模型晶向、晶面和

19、堆積模型l雙層密排面的重要特點是：在晶面內(nèi)原子結(jié)合力強，晶面與晶面之間的雙層密排面的重要特點是：在晶面內(nèi)原子結(jié)合力強，晶面與晶面之間的距離較大，共價鍵少，結(jié)合弱。距離較大，共價鍵少，結(jié)合弱。1.由于由于111雙層密排面本身結(jié)合牢固，而雙層密排面之間相互結(jié)合脆弱，在外雙層密排面本身結(jié)合牢固，而雙層密排面之間相互結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著力作用下，晶體很容易沿著111晶面劈裂。晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶晶面劈裂。晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。體的解理面。2.由于由于111雙層密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，所以腐蝕后容雙層密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，

20、所以腐蝕后容易暴露在表面上。易暴露在表面上。3.因為因為111雙層密排面之間距離很大，結(jié)合弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴雙層密排面之間距離很大，結(jié)合弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴展。展。4.111雙層密排面結(jié)合牢固，表明這樣的晶面能量低。所以，在晶體生長中有雙層密排面結(jié)合牢固，表明這樣的晶面能量低。所以，在晶體生長中有一種使晶體表面為一種使晶體表面為111晶面的趨勢。晶面的趨勢。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷l對對Si晶體結(jié)構(gòu)完美性的破壞會引入缺陷。晶體結(jié)構(gòu)完美性的破壞會引入缺陷。l在集成電路的制造中，其所使用的在集成電路的制造中，其所使用的Si晶體已經(jīng)可以做晶體已經(jīng)可以做到無位錯，但是

21、在制造過程中，由于采用了各種工藝，到無位錯，但是在制造過程中，由于采用了各種工藝，故必然會再引入缺陷，使原本沒有缺陷的晶片變得不故必然會再引入缺陷，使原本沒有缺陷的晶片變得不完整。完整。l晶體中的缺陷，根據(jù)其維數(shù)，可以分為四種：晶體中的缺陷，根據(jù)其維數(shù)，可以分為四種：l點缺陷點缺陷在各個方向上都沒有延伸在各個方向上都沒有延伸l線缺陷線缺陷在一個方向上延伸在一個方向上延伸l面缺陷面缺陷在二維方向上有延伸在二維方向上有延伸l體缺陷體缺陷在三維方向上有延伸在三維方向上有延伸1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷l1.3.1 點缺陷點缺陷l只要晶體的溫度不是絕對零度，就會出現(xiàn)本征缺陷。只要晶體的溫度不是

22、絕對零度，就會出現(xiàn)本征缺陷。l點缺陷在擴散、摻雜、氧化方面有重要影響。點缺陷在擴散、摻雜、氧化方面有重要影響。點缺陷點缺陷本征缺陷本征缺陷非本征缺陷非本征缺陷自間隙原子自間隙原子與空位有關(guān)的點缺陷與空位有關(guān)的點缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷外來原子外來原子（替位式、間隙式）（替位式、間隙式）1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷自間隙原子自間隙原子肖特基缺陷肖特基缺陷一個晶格正常一個晶格正常位置上的位置上的Si原原子跑到晶片表子跑到晶片表面，留下一個面，留下一個空位空位弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷一個晶格原子進入間隙并產(chǎn)一個晶格原子進入間隙并產(chǎn)生一個空位，二者同時存在生一個空位，二

23、者同時存在替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)占據(jù)晶格位置的雜質(zhì)原子占據(jù)晶格位置的雜質(zhì)原子間隙雜質(zhì)間隙雜質(zhì)處于處于Si晶格晶格間隙中的雜間隙中的雜質(zhì)原子質(zhì)原子1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷一一自間隙原子自間隙原子l存在于存在于Si晶格間隙中的晶格間隙中的Si原子。原子。l在室溫下，晶格上的原子熱振動平均能量為在室溫下，晶格上的原子熱振動平均能量為0.026eV，即，即使在使在2000K的高溫下也只有的高溫下也只有0.17eV。l對密堆積的對密堆積的Si晶體來說，格點位置上的晶體來說，格點位置上的Si原子要跑到間隙原子要跑到間隙中，大約需要幾個中，大約需要幾個eV的能量（約的能量（約1.5eV），所以晶格原子

24、），所以晶格原子靠熱振動或輻射所得的平均能量是很難離開格點位置的。靠熱振動或輻射所得的平均能量是很難離開格點位置的。l但是，晶格振動能量存在漲落，因而晶體中會有少量的原但是，晶格振動能量存在漲落，因而晶體中會有少量的原子獲得足夠的能量，離開格點進入間隙中。子獲得足夠的能量，離開格點進入間隙中。 1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷l在熱平衡情況下，間隙原子的密度可由阿列尼烏斯在熱平衡情況下，間隙原子的密度可由阿列尼烏斯（Arrhenius）函數(shù)描述：）函數(shù)描述：lNi晶體中間隙的密度晶體中間隙的密度lEi形成一個間隙原子所需要的激活能形成一個間隙原子所需要的激活能lk波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)E

25、ikTiinN e1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷二二空位空位l定義：當(dāng)晶格上的定義：當(dāng)晶格上的Si原子進入間隙，形成自間隙原子的同原子進入間隙，形成自間隙原子的同時，它們原來的晶格位置上就無原子占據(jù)，是空格點，稱時，它們原來的晶格位置上就無原子占據(jù)，是空格點，稱為空位。為空位。l肖特基缺陷肖特基缺陷如果一個晶格上的原子跑到表面，在體內(nèi)如果一個晶格上的原子跑到表面，在體內(nèi)留下一個空位，這種缺陷稱為肖特基缺陷留下一個空位，這種缺陷稱為肖特基缺陷。l弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷如果一個晶格原子進入間隙并產(chǎn)生一個如果一個晶格原子進入間隙并產(chǎn)生一個空位，二者同時存在于體內(nèi)，這種缺陷為弗倫克爾缺陷。空位

26、，二者同時存在于體內(nèi)，這種缺陷為弗倫克爾缺陷。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷l空位密度空位密度lNv原子密度，也即格點密度，原子密度，也即格點密度，5.021022/cm3lEv形成一個空位的激活能，形成一個空位的激活能，Si為為2.6eV量級。量級。l在室溫下，其他方面都完美的晶體中，在室溫下，其他方面都完美的晶體中，1044個晶格位置中僅個晶格位置中僅有一個是空位，而當(dāng)溫度升到有一個是空位，而當(dāng)溫度升到1000時，時，Si中的空位缺陷上中的空位缺陷上升到每升到每1010個晶格位置中就有一個。個晶格位置中就有一個。l空位起受主作用空位起受主作用lSi晶體每個原子與晶體每個原子與4個最近

27、鄰的原子形成共價鍵，當(dāng)空位形成個最近鄰的原子形成共價鍵，當(dāng)空位形成時，時，4個共價鍵斷開，自由電子很容易與斷開的鍵配對，形個共價鍵斷開，自由電子很容易與斷開的鍵配對，形成能量較低的雜化鍵，所以晶體中空位起受主作用。成能量較低的雜化鍵，所以晶體中空位起受主作用。EvkTvvnN e1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷三三外來原子外來原子l當(dāng)雜質(zhì)原子占據(jù)晶格的正常位置，或處于原子間當(dāng)雜質(zhì)原子占據(jù)晶格的正常位置，或處于原子間隙時，會破壞晶格的完整性，引起點陣的畸變，隙時，會破壞晶格的完整性，引起點陣的畸變，引起缺陷。引起缺陷。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷1.3.2 線缺陷線缺陷一一定義：原子

28、在某一方向上的排列，偏離了周期性，定義：原子在某一方向上的排列，偏離了周期性，相對位置發(fā)生了錯亂。相對位置發(fā)生了錯亂。二二種類：種類：l刃位錯刃位錯位錯線與滑移矢量垂直的位錯。位錯線與滑移矢量垂直的位錯。l螺位錯螺位錯位錯線與滑移矢量平行的位錯。位錯線與滑移矢量平行的位錯。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷1.刃位錯刃位錯l描述描述刃位錯如同把半個額外的晶刃位錯如同把半個額外的晶面擠入規(guī)則晶體中的晶面之面擠入規(guī)則晶體中的晶面之間的情形。間的情形。位錯線為位錯線為AD，沿，沿AD擠入的擠入的一行原子，各具有一個未成一行原子，各具有一個未成鍵的電子，即懸掛鍵。鍵的電子，即懸掛鍵。1.3 Si晶體

29、中的缺陷晶體中的缺陷l刃位錯的運動刃位錯的運動l滑移滑移l滑移是位錯線在不沿著該位錯滑移是位錯線在不沿著該位錯線的其他方向上的移動。這是線的其他方向上的移動。這是剪切應(yīng)力作用的結(jié)果。剪切應(yīng)力作用的結(jié)果。l滑移時，晶格的一個原子面斷滑移時，晶格的一個原子面斷裂成兩個面，其中的一個與原裂成兩個面，其中的一個與原先額外的位錯面合成一個連續(xù)先額外的位錯面合成一個連續(xù)的新的晶面，另一個半原子面的新的晶面，另一個半原子面成為一個新的位錯。成為一個新的位錯。l這個運動可以連續(xù)進行，直到這個運動可以連續(xù)進行，直到整個晶片都移動一個位置。整個晶片都移動一個位置。l攀移攀移l晶體中的空位或間隙原子依靠晶體中的空位

30、或間隙原子依靠熱運動，可運動到位錯處。熱運動，可運動到位錯處。l成為位錯線的一部分，是位錯成為位錯線的一部分，是位錯線伸長或收縮。線伸長或收縮。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷2.螺位錯螺位錯l把晶體沿把晶體沿ABCD面切開，面切開，并使兩邊的晶體前后相對并使兩邊的晶體前后相對滑移一個原子間距，然后滑移一個原子間距，然后黏合起來。黏合起來。l在在AD線附近的局部區(qū)域線附近的局部區(qū)域內(nèi)的原子排列位置就會發(fā)內(nèi)的原子排列位置就會發(fā)生錯亂，形成螺位錯缺陷。生錯亂，形成螺位錯缺陷。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷三三滑移面滑移面l定義：在晶體中沿某些晶面往往容易發(fā)生滑移，定義：在晶體中沿某些晶面

31、往往容易發(fā)生滑移，這樣的晶面稱為滑移面。這樣的晶面稱為滑移面。l構(gòu)成滑移面的條件是，該面上的原子密度大，而構(gòu)成滑移面的條件是，該面上的原子密度大，而晶面之間的原子價鍵密度小，間距大。晶面之間的原子價鍵密度小，間距大。lSi111面滿足這些條件，因此滑移常沿面滿足這些條件，因此滑移常沿111面面發(fā)生，位錯線也常在發(fā)生，位錯線也常在111面之間。面之間。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷四四位錯產(chǎn)生的原因位錯產(chǎn)生的原因1.熱塑性應(yīng)力的作用熱塑性應(yīng)力的作用l如果一個相當(dāng)大的溫度差作用到晶片上，晶片會發(fā)生非均如果一個相當(dāng)大的溫度差作用到晶片上，晶片會發(fā)生非均勻膨脹，因而在晶片內(nèi)形成熱塑應(yīng)力。勻膨脹，

32、因而在晶片內(nèi)形成熱塑應(yīng)力。l當(dāng)晶片受到剛性擠壓并加熱，或者晶片在加熱時上面已經(jīng)當(dāng)晶片受到剛性擠壓并加熱，或者晶片在加熱時上面已經(jīng)生長了若干不同膨脹系數(shù)的薄膜層，也會產(chǎn)生熱塑應(yīng)力。生長了若干不同膨脹系數(shù)的薄膜層，也會產(chǎn)生熱塑應(yīng)力。2.在晶體中存在高濃度的替位型雜質(zhì)在晶體中存在高濃度的替位型雜質(zhì)l這些替位原子與周圍本體原子的大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力，這些替位原子與周圍本體原子的大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力，應(yīng)力將降低打破化學(xué)鍵所需的能量，產(chǎn)生空位。應(yīng)力將降低打破化學(xué)鍵所需的能量，產(chǎn)生空位。3.物理損傷物理損傷l在某些工藝過程中，晶片表面受到其他原子的轟擊，這些在某些工藝過程中，晶片表面受到其他原子的轟擊，

33、這些原子將足夠的能量傳遞給晶格，使得化學(xué)鍵斷開，產(chǎn)生空原子將足夠的能量傳遞給晶格，使得化學(xué)鍵斷開，產(chǎn)生空位和間隙原子，一旦產(chǎn)生高濃度的點缺陷，它們總是傾向位和間隙原子，一旦產(chǎn)生高濃度的點缺陷，它們總是傾向于結(jié)團，形成位錯或其它高維缺陷。于結(jié)團，形成位錯或其它高維缺陷。1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷1.3.3 面缺陷面缺陷l定義：原子在一個平面定義：原子在一個平面內(nèi)，即二維方向上的排內(nèi)，即二維方向上的排列發(fā)生錯亂。列發(fā)生錯亂。l舉例舉例l多晶多晶Si的晶粒間界的晶粒間界l堆垛層錯堆垛層錯1.3 Si晶體中的缺陷晶體中的缺陷1.3.4 體缺陷體缺陷l雜質(zhì)中雜質(zhì)中P、B、As等在等在Si中只能

34、形成有限固溶體，中只能形成有限固溶體，當(dāng)摻入的數(shù)量超過當(dāng)摻入的數(shù)量超過Si晶體可接受的濃度時，雜質(zhì)將晶體可接受的濃度時，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。在晶體中沉積，形成體缺陷。l晶體中的空隙也是一種體缺陷。晶體中的空隙也是一種體缺陷。1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)l半導(dǎo)體的電阻率的高低與所半導(dǎo)體的電阻率的高低與所含雜質(zhì)的濃度有密切關(guān)系。含雜質(zhì)的濃度有密切關(guān)系。一一本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體l不含有任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體。不含有任何雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體。其載流子濃度由材料自身的本其載流子濃度由材料自身的本征性質(zhì)決定。征性質(zhì)決定。l本征半導(dǎo)體中的載流子是依本征半導(dǎo)體中的載流子是依靠熱激發(fā)產(chǎn)生的電子靠熱激發(fā)產(chǎn)生

35、的電子-空穴對。空穴對。l載流子濃度與載流子濃度與Eg和和T有關(guān)。有關(guān)。l電子和空穴的濃度電子和空穴的濃度n=p=ni(T)SiSiSiSiSiSiSiSiSi1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)二二雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.摻雜半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體材料中人為地?fù)饺胍欢〝?shù)摻雜半導(dǎo)體：在半導(dǎo)體材料中人為地?fù)饺胍欢〝?shù)量的某種原子，以便控制導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力。量的某種原子，以便控制導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力。l最常用的雜質(zhì)為最常用的雜質(zhì)為AA族和族和AA族元素。族元素。l這些雜質(zhì)原子在這些雜質(zhì)原子在SiSi中一般占據(jù)晶格位置，并能在適當(dāng)中一般占據(jù)晶格位置，并能在適當(dāng)?shù)臏囟认率┓烹娮踊蚩昭?，以控制半?dǎo)體的導(dǎo)電能力的溫度下施

36、放電子或空穴，以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型。和導(dǎo)電類型。1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)2.施主半導(dǎo)體（施主半導(dǎo)體（n型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體）施主雜質(zhì)（施主中心）：處施主雜質(zhì)（施主中心）：處于晶格中正常格點位置上，于晶格中正常格點位置上，并且能貢獻電子的原子為施并且能貢獻電子的原子為施主雜質(zhì)。主雜質(zhì)。l具有向?qū)┓烹娮拥哪芫哂邢驅(qū)┓烹娮拥哪芰?，而雜質(zhì)本身由于施放力，而雜質(zhì)本身由于施放電子而帶正電。電子而帶正電。施主能級：當(dāng)施放電子后，施主能級：當(dāng)施放電子后，剩余的電子被束縛在施主中剩余的電子被束縛在施主中心時，其能量低于導(dǎo)帶底的心時，其能量低于導(dǎo)帶底的能量，相應(yīng)的能級稱為施主能量，相應(yīng)的能級

37、稱為施主能級。能級。SiSiSiSiPSiSiSiSi1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)施主電離能：施主向?qū)┓烹娮铀璧淖钚∧苁┲麟婋x能：施主向?qū)┓烹娮铀璧淖钚∧芰?。量。lA族雜質(zhì)的電離能族雜質(zhì)的電離能0.01-0.05eV，與室溫下的，與室溫下的kT=0.026eV同量級，所以在室溫下，施主雜質(zhì)幾乎全同量級，所以在室溫下，施主雜質(zhì)幾乎全部電離。部電離。DCDEESiSiSiSiBSiSiSiSi1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)3.受主半導(dǎo)體（受主半導(dǎo)體（p型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體）受主雜質(zhì)（受主中心）：處于受主雜質(zhì)（受主中心）：處于晶格中正常格點位置上，并且晶格中正常格點位置上，并且能接受電子的原

38、子為施主雜質(zhì)。能接受電子的原子為施主雜質(zhì)。l具有向價帶施放空穴的能力，具有向價帶施放空穴的能力，而雜質(zhì)本身由于接受電子而而雜質(zhì)本身由于接受電子而帶負(fù)電。帶負(fù)電。受主能級受主能級l受主雜質(zhì)上的電子態(tài)的相應(yīng)能級受主雜質(zhì)上的電子態(tài)的相應(yīng)能級稱為受主能級。稱為受主能級。1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)受主電離能受主電離能l在空穴能量較低時，負(fù)電中心將空穴束縛在自己的周圍，在空穴能量較低時，負(fù)電中心將空穴束縛在自己的周圍，形成空穴的束縛態(tài)。形成空穴的束縛態(tài)。l當(dāng)空穴具備一定能量時，就可以脫離這種束縛進入價帶，當(dāng)空穴具備一定能量時，就可以脫離這種束縛進入價帶，所需要的能量就是受主電離能。所需要的能量就是受主電

39、離能。l A族受主雜質(zhì)的電離能很小，在室溫下基本全部電離。族受主雜質(zhì)的電離能很小，在室溫下基本全部電離。AAVEE1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)4.淺能級雜質(zhì)與深能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)與深能級雜質(zhì)l淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)l雜質(zhì)所形成的能級在禁帶中很靠近價帶頂或?qū)У?，雜質(zhì)所形成的能級在禁帶中很靠近價帶頂或?qū)У?，這樣的雜質(zhì)為淺能級雜質(zhì)。這樣的雜質(zhì)為淺能級雜質(zhì)。l他們在室溫下基本全部電離，對電性能有重要影響。他們在室溫下基本全部電離，對電性能有重要影響。l深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)l雜質(zhì)的能級位于禁帶中線附近，為深能級雜質(zhì)。雜質(zhì)的能級位于禁帶中線附近，為深能級雜質(zhì)。l深能級雜質(zhì)的電離能較大，其在深能級雜質(zhì)的電離能較大，其在Si中大多數(shù)產(chǎn)生多重中大多數(shù)產(chǎn)生多重能級。能級。1.4 Si中的雜質(zhì)中的雜質(zhì)5.雜質(zhì)補償雜質(zhì)補償l定義：不同類型雜質(zhì)對導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象，稱為雜質(zhì)定義：不同類型