材料科學(xué)與技術(shù)第三部分

1、四、半導(dǎo)體四、半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和和非本征半導(dǎo)體（參雜半導(dǎo)體）非本征半導(dǎo)體（參雜半導(dǎo)體）四族四族元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體和和化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)和缺陷、理想半導(dǎo)體沒有雜質(zhì)和缺陷、理想半導(dǎo)體禁帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶ECEV本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體gE能帶特征：能帶特征：價(jià)帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無(wú)能級(jí)價(jià)帶全滿、導(dǎo)帶全空、禁帶中無(wú)能級(jí)eVEg32 . 0分類：分類：四族元素半導(dǎo)體：四族元素半導(dǎo)體：:SieVEg1 . 1:GeeVEg7 . 0化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：IV-IV 族：族：III-V 族：族：Si

2、C,GaAsInSb（銻化銦）（銻化銦）II-VI 族：族：CdSZnTe（硫化鎘），（硫化鎘），（碲化鋅）（碲化鋅）寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料寬禁帶、大功率半導(dǎo)體材料 物物性性3C-SiC4H-SiC6H-SiC Si 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 2839 2700 2800 1420 禁帶寬禁帶寬 2.2 2.9 3.2 1.1 擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 4.9 4.9 5.0 1.5CoeVcmV /CcmWo/610361036105 . 25103SiC與與Si的物性比較的物性比較把一對(duì)把一對(duì)Si原子和原子和C原子看作一個(gè)小球原子看作一個(gè)小球若把第一層作為若把第一層作為A層，層，第第2層有層有B和和

3、C兩種可能，兩種可能，B上的層有上的層有C和和A兩種可能，兩種可能，C上的層有上的層有A和和B兩種可能，兩種可能，3C-SiC 積層順序積層順序4H-SiC 積層順序積層順序6H-SiC 積層順序積層順序本征本征Si 原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：原子鍵合與導(dǎo)電機(jī)制：電場(chǎng)電場(chǎng)Si每當(dāng)一個(gè)電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，每當(dāng)一個(gè)電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，便在價(jià)帶中留下一個(gè)便在價(jià)帶中留下一個(gè)電子空位，電子空位， 空穴空穴導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和和價(jià)帶價(jià)帶空穴成對(duì)出現(xiàn)空穴成對(duì)出現(xiàn):導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子:準(zhǔn)自由電子、可在電場(chǎng)的作準(zhǔn)自由電子、可在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)、形成電流用下定向運(yùn)動(dòng)、形成電流導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴價(jià)帶空穴:電

4、場(chǎng)電場(chǎng)Si等效載流子等效載流子其導(dǎo)電過(guò)程實(shí)質(zhì)其導(dǎo)電過(guò)程實(shí)質(zhì)上是電場(chǎng)的作用上是電場(chǎng)的作用下價(jià)電子向空穴下價(jià)電子向空穴的跳躍過(guò)程的跳躍過(guò)程等效于等效于帶正電的空穴帶正電的空穴沿與價(jià)電子相反方向的運(yùn)動(dòng)沿與價(jià)電子相反方向的運(yùn)動(dòng)空穴帶正電量：空穴帶正電量：e本征半導(dǎo)體導(dǎo)電：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電： 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的共同貢獻(xiàn)導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的共同貢獻(xiàn)電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：hemene,:n m導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的數(shù)密度。導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的遷移率導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的遷移率。:,hehe通常：通常：本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體:nm )(hehenemene材料SiGeGaPGa

5、AsInSbCdSZnTe11,m)/(,2Vsme)/(,2VsmheVEg,11. 1410414. 005. 067. 025. 235. 117. 040. 226. 22 . 2610410238. 005. 085. 07 . 703. 003. 018. 0002. 045. 007. 001. 0本征半導(dǎo)體基本參數(shù)本征半導(dǎo)體基本參數(shù)一、歐姆定律一、歐姆定律三、金屬的電阻、金屬的電阻第三章第三章 材料的物性材料的物性第一節(jié)第一節(jié) 材料的電性質(zhì)材料的電性質(zhì)二、固體電子能帶結(jié)構(gòu)二、固體電子能帶結(jié)構(gòu)四、半導(dǎo)體四、半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體（一）本征半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體

6、 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體（二）非本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是實(shí)際使用的半導(dǎo)體都是雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：對(duì)本征半導(dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或?qū)Ρ菊靼雽?dǎo)體摻雜、實(shí)現(xiàn)改變其電性或獲得某種功能獲得某種功能雜質(zhì)半導(dǎo)體分類：雜質(zhì)半導(dǎo)體分類：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（摻雜種類不同）（摻雜種類不同）1、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體5價(jià)價(jià)P原子原子束縛電子束縛電子5價(jià)原子以價(jià)原子以替位式替位式參入本征參入本征 Si 或或 Ge 中中摻雜原子：摻雜原子：P, As, Sb未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱未鍵合電子受雜質(zhì)原子的束縛很弱結(jié)合能：結(jié)合能：

7、eV1 . 0Si單晶單晶eVEg1 . 104. 0044. 0049. 0SbPAsvEcEdEN型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)5價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在導(dǎo)帶底引入導(dǎo)帶底引入施主雜質(zhì)能級(jí)施主雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)上的束縛電子很易雜質(zhì)能級(jí)上的束縛電子很易被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶被（熱和電）激發(fā)到導(dǎo)帶5價(jià)雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮觾r(jià)雜質(zhì)原子向?qū)峁╇娮?價(jià)雜質(zhì)原子：價(jià)雜質(zhì)原子：施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)室溫下施主激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)kTEe/N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子是多數(shù)載流子；是多數(shù)載流子；空穴空穴是少數(shù)載流子

8、是少數(shù)載流子ene2、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3價(jià)原子以替位式參入本征價(jià)原子以替位式參入本征 Si 或或 Ge中中摻雜原子：摻雜原子：Al, B, Ga3價(jià)原子的周圍共價(jià)價(jià)原子的周圍共價(jià)鍵缺一個(gè)電子、周圍鍵缺一個(gè)電子、周圍價(jià)電子很容易被激發(fā)價(jià)電子很容易被激發(fā)到這個(gè)電子空缺上到這個(gè)電子空缺上結(jié)合能：結(jié)合能：eV1 . 03價(jià)價(jià)B原子原子空位空位缺電子的位置缺電子的位置可看作可看作與雜質(zhì)與雜質(zhì)原子結(jié)合微弱原子結(jié)合微弱的空位。的空位。價(jià)電子向空位跳躍的過(guò)程等效于空位向價(jià)帶的運(yùn)動(dòng)價(jià)電子向空位跳躍的過(guò)程等效于空位向價(jià)帶的運(yùn)動(dòng)3價(jià)雜質(zhì)原子：價(jià)雜質(zhì)原子：受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)接受來(lái)自價(jià)帶的電子接受來(lái)自價(jià)帶的電子P 型半

9、導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)3價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)雜質(zhì)原子摻入相當(dāng)在價(jià)帶頂引入價(jià)帶頂引入受主雜質(zhì)能級(jí)受主雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶電子很易被（熱和價(jià)帶電子很易被（熱和電）激發(fā)到電）激發(fā)到受主受主能級(jí)上能級(jí)上Si單晶單晶eVEg1 . 1BAlGa045. 0057. 0065. 0vEcEaE室溫下受主激發(fā)在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴室溫下受主激發(fā)在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴數(shù)數(shù)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)本征激發(fā)的電子或空穴數(shù)P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：電子電子使少數(shù)載流子；使少數(shù)載流子；空穴空穴是多數(shù)載流子是多數(shù)載流子Pme等效于空位被激發(fā)到價(jià)帶中、成為空穴等效于空位被激發(fā)到價(jià)帶中、成為空穴3、半導(dǎo)體摻雜工藝、半導(dǎo)體摻

10、雜工藝摻雜：摻雜： 將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)將微量的施主或受主雜質(zhì)加入本征半導(dǎo)體中、使之成為體中、使之成為 N 或或P型半導(dǎo)體的過(guò)程型半導(dǎo)體的過(guò)程摻雜物：摻雜物： 被摻入的物質(zhì)被摻入的物質(zhì)摻雜工藝方法：摻雜工藝方法：擴(kuò)散法擴(kuò)散法和和離子注入法離子注入法（1）擴(kuò)散法：）擴(kuò)散法：氣相法氣相法和和預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸A(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸?a、氣相法：、氣相法：置硅片于置硅片于 1000 1100 oC 的擴(kuò)散爐中，的擴(kuò)散爐中，擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體。擴(kuò)散爐中充滿摻雜原子氣體?？刂齐s質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：溫度、時(shí)間、氣相中摻雜原子濃度溫度、時(shí)間、氣相

11、中摻雜原子濃度（2）離子注入法：）離子注入法：b、預(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ骸㈩A(yù)沉積、高溫?zé)崽幚矸ǎ篠i基板基板預(yù)沉積雜質(zhì)層預(yù)沉積雜質(zhì)層熱處理熱處理Si基板基板擴(kuò)散層擴(kuò)散層比氣相法更易比氣相法更易精確控制摻雜精確控制摻雜控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：控制雜質(zhì)濃度和摻雜深度的工藝參數(shù)：摻雜濃度和深度由摻雜濃度和深度由溫度和時(shí)間決定溫度和時(shí)間決定50100kV電壓電壓加速雜質(zhì)離子加速雜質(zhì)離子轟擊轟擊Si基板基板轟擊深度：轟擊深度：取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、取決于雜質(zhì)原子的質(zhì)量、基板的晶格損傷可在適當(dāng)基板的晶格損傷可在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶鹛幚硐臏囟认峦嘶鹛幚硐稍谑覝叵逻M(jìn)行、能精確控制摻雜可在室溫下進(jìn)

12、行、能精確控制摻雜濃度和深度、適于集成電路制作濃度和深度、適于集成電路制作加速電壓、及基板的表面狀態(tài)加速電壓、及基板的表面狀態(tài)雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定雜質(zhì)量由預(yù)沉積層厚度決定五、絕緣體五、絕緣體禁帶寬度大、常溫下價(jià)電子不能被激發(fā)到導(dǎo)帶、電導(dǎo)率低禁帶寬度大、常溫下價(jià)電子不能被激發(fā)到導(dǎo)帶、電導(dǎo)率低絕緣材料的主要性能指標(biāo)：絕緣材料的主要性能指標(biāo)：電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失電阻率、介電系數(shù)、介質(zhì)損失和和介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度（一）體電阻率和面電阻率（一）體電阻率和面電阻率體電阻率：體電阻率：表征載流子在材料表征載流子在材料體內(nèi)體內(nèi)輸運(yùn)時(shí)的能耗特征輸運(yùn)時(shí)的能耗特征面電阻率：面電阻率：表征載流子在材料表征載流子

13、在材料表面或界面表面或界面輸運(yùn)時(shí)的能耗特征輸運(yùn)時(shí)的能耗特征測(cè)量方法：測(cè)量方法： 歐姆定律歐姆定律1、體電阻率、體電阻率A電極電極試樣試樣AdIVRVVV/:d:A試樣厚度試樣厚度電極面積電極面積電極被蒸鍍電極被蒸鍍?cè)谠嚇由显谠嚇由螦dIVRVVV/dARdIVAVVV/)/()(2、面電阻率、面電阻率A電極電極試樣試樣（1）平行電極）平行電極LbIVRSSS/:b:L電極間距，電極間距，電極長(zhǎng)度電極長(zhǎng)度bLRSS/)./(qs（2）對(duì)環(huán)狀電極）對(duì)環(huán)狀電極A芯電極芯電極環(huán)電極環(huán)電極試樣試樣)2/(/21rdrIVRrrSSS)/ln()2/()2/(/1221rrdrrIVRSrrSSS)/ln

14、(/2)/ln(/21212DDRrrRSSS:1D:2D芯電極直徑芯電極直徑環(huán)電極內(nèi)徑環(huán)電極內(nèi)徑絕緣材料：絕緣材料：陶瓷、高分子聚合物陶瓷、高分子聚合物制作或合成過(guò)程引入的雜質(zhì)會(huì)降低材料電阻率制作或合成過(guò)程引入的雜質(zhì)會(huì)降低材料電阻率影響聚合物電阻率的因素：影響聚合物電阻率的因素：未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔助劑及吸附的水分等未反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑、輔助劑及吸附的水分等潮濕空氣中吸附的表面水分會(huì)使表面電阻率大幅度降低潮濕空氣中吸附的表面水分會(huì)使表面電阻率大幅度降低（二）電介質(zhì)（二）電介質(zhì)隔斷或減弱電場(chǎng)的性質(zhì)隔斷或減弱電場(chǎng)的性質(zhì)介電性：介電性：金屬能完全隔斷電場(chǎng)、金屬能完全隔斷電場(chǎng)、金屬的

15、介電性最強(qiáng)：金屬的介電性最強(qiáng)：絕緣體只能減弱體內(nèi)的電場(chǎng)：絕緣體只能減弱體內(nèi)的電場(chǎng)：0E0EEE電介質(zhì)：電介質(zhì)： 用于把帶電體隔離、并能長(zhǎng)期用于把帶電體隔離、并能長(zhǎng)期經(jīng)受強(qiáng)電場(chǎng)作用的絕緣材料經(jīng)受強(qiáng)電場(chǎng)作用的絕緣材料電介質(zhì)介電性的起因：電介質(zhì)介電性的起因：電介質(zhì)在外電場(chǎng)中的極化電介質(zhì)在外電場(chǎng)中的極化電介質(zhì)極化機(jī)制電介質(zhì)極化機(jī)制：（1）、分子的極化；、分子的極化；（3)、 空間電荷極化?？臻g電荷極化。（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；1、電介質(zhì)極化、電介質(zhì)極化(1)、分子的極化、分子的極化電介質(zhì)由分子組成、在外電場(chǎng)的作用電介質(zhì)由分子組成、在外電場(chǎng)的作用下分子

16、中電荷分布發(fā)生變化，下分子中電荷分布發(fā)生變化， 極化極化分子極化包括：分子極化包括： 電子位移極化、離子位移極化，及有極電子位移極化、離子位移極化，及有極分子分子（具有電偶極矩）（具有電偶極矩）的取向極化。的取向極化。A、電子位移極化、電子位移極化外電場(chǎng)的作用下、原子中的外電場(chǎng)的作用下、原子中的電子相對(duì)原子核發(fā)生位移：電子相對(duì)原子核發(fā)生位移：| |電子軌道位移電子軌道位移0E原子正、負(fù)電原子正、負(fù)電中心不再重合中心不再重合電子軌道位移：原子中的電子軌道位移：原子中的所有電子都發(fā)生所有電子都發(fā)生、但價(jià)電、但價(jià)電子顯著、內(nèi)層電子不顯著子顯著、內(nèi)層電子不顯著電子質(zhì)量小、對(duì)電場(chǎng)反應(yīng)快電子質(zhì)量小、對(duì)電場(chǎng)

17、反應(yīng)快電子位移極化建立時(shí)間：電子位移極化建立時(shí)間：se1510可以跟隨光可以跟隨光頻變化電場(chǎng)頻變化電場(chǎng)原子玻爾模型原子玻爾模型電子平均極化率：電子平均極化率：3034Re:R原子或離子半徑原子或離子半徑B、離子位移極化、離子位移極化離子在外電場(chǎng)的作用下偏離平離子在外電場(chǎng)的作用下偏離平衡位置、相當(dāng)于一感生偶極矩衡位置、相當(dāng)于一感生偶極矩E結(jié)合鍵被拉長(zhǎng)結(jié)合鍵被拉長(zhǎng)據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論離子位移極化率：離子位移極化率：0341nai:a:n晶格常數(shù)；晶格常數(shù)；電子層斥力指數(shù)電子層斥力指數(shù)離子晶體離子晶體 117:nC、有極分子的取向極化、有極分子的取向極化離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，離子極

18、化建立時(shí)間比電子的長(zhǎng)離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，離子極化建立時(shí)間比電子的長(zhǎng)離子極化建立時(shí)間：離子極化建立時(shí)間：si13121010:有極分子電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下除電子、離子的有極分子電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下除電子、離子的位移極化外，有極分子將沿電場(chǎng)方向有序化。位移極化外，有極分子將沿電場(chǎng)方向有序化。取向極化：取向極化：有極分子電介質(zhì)主要極化方式有極分子電介質(zhì)主要極化方式+無(wú)電場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)時(shí)無(wú)電場(chǎng)時(shí)有極分子的取向雜有極分子的取向雜亂無(wú)章，宏觀上電亂無(wú)章，宏觀上電介質(zhì)對(duì)外不顯電性介質(zhì)對(duì)外不顯電性E0有電場(chǎng)有電場(chǎng)有外電場(chǎng)時(shí)有外電場(chǎng)時(shí)在外電場(chǎng)力矩作用下，偶在外電場(chǎng)力矩作用下，偶極子（有極分子）轉(zhuǎn)向電極子（有極分子）轉(zhuǎn)向電場(chǎng)的方向，場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)偶極場(chǎng)的方向，場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)偶極子的取向與電場(chǎng)越一致。子的取向與電場(chǎng)越一致。分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)破分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞分子排列有序化壞分子排列有序化溫度不太高、外電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，平溫度不太高、外電場(chǎng)不太