半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

目錄

一、什么是半導(dǎo)體？1.導(dǎo)體（Conductor）2.絕緣體（Insulator）3.半導(dǎo)體（Semiconductor）二、半導(dǎo)體材料的分類1.元素半導(dǎo)2.化合物半導(dǎo)體3.有機(jī)半導(dǎo)體4.無定形半導(dǎo)體三、半導(dǎo)體硅材料的制備1.冶金級硅（工業(yè)硅）的制備2.多晶硅的制備3.單晶硅的制備第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

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四、半導(dǎo)體硅材料的加工1.硅切片2.硅磨片3.硅拋光片五、半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn)六、半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)1.導(dǎo)電類型2.晶體結(jié)構(gòu)及缺陷3.電阻率4.少子壽命5.氧、碳含量6.晶體缺陷第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

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七、半導(dǎo)體的主要電性能參數(shù)及其測量方法八、硅中的雜質(zhì)及其測量方法第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識一、什么是半導(dǎo)體？大家知道，如果我們用物質(zhì)的存在狀態(tài)來區(qū)分世界上的各類物質(zhì)的話，就可以分為氣體、液體和固體三大類。但是如果我們用導(dǎo)電性能來區(qū)分世界上的各種物質(zhì)的話，也可以分為三大類，即：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體（conductor）：顧名思義，導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，如金、銀、銅、鋁等金屬材料。這類金屬材料的電導(dǎo)率很高，也就是說它們的電阻率極低，大約是10-6—10-8Ωcm。如金屬銅的電阻率僅為1.75×10-8Ωcm。絕緣體（Insulator）：這是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類物質(zhì)，如：玻璃、橡膠、石英等材料。絕緣體的電阻率很大，一般來說，絕緣體的電阻率＞108Ωcm。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體（Semiconductor）：

這是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)，我們統(tǒng)稱為半導(dǎo)體?，F(xiàn)有已知的半導(dǎo)體材料有近百種，比較適用且已工業(yè)化的重要半導(dǎo)體材料有：硅、鍺、砷化鎵、硫化鎘等。半導(dǎo)體的電阻率一般在10-5—1010Ωcm。值得一提的是還有少量固體物質(zhì),如砷、銻、鉍等，它們的電阻率比一般金屬導(dǎo)體要高出100~1000倍，但卻不具備半導(dǎo)體材料的基本特性，則不能稱作半導(dǎo)體，我們把它叫做半金屬。因此半導(dǎo)體材料的定義應(yīng)該是：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo)體的基本特性的一類材料。那么，世界上的物質(zhì)在導(dǎo)電性能上為什么會有這樣的差異呢？我們知道，世界上所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，在原子的中心位置上有一個帶正電荷的原子核，某一原子所帶正電荷的多少正好等于它在元素周期表中的原子序數(shù)，而原子核外則存在著一系列不連續(xù)的、第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識

由電子運(yùn)動軌跡構(gòu)成的殼層，原子核外的電子數(shù)目也正好等于原子序數(shù)，這就使得原子在無得失外層電子的情況下，整體上處于電中性狀態(tài)。我們常常把原子核最外層那些離原子核最遠(yuǎn)的電子叫作價(jià)電子。這些價(jià)電子受原子核的束縛較弱，在外電場或其它外力（如光照）的作用下，很容易擺脫原子核的束縛而成為自由電子。金屬導(dǎo)體之所以容易導(dǎo)電，是因?yàn)樵诮饘袤w內(nèi)存在著大量的自由電子，在外電場的作用下，這些自由電子就會有規(guī)則地沿著電場的反方向流動，這就形成了電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在外電場的作用下，自由電子有規(guī)則流動的速度越快，則電流越大，它的導(dǎo)電性能越好，其電阻率就越低。電子流動時運(yùn)載著一定的電荷量，我們把這種能運(yùn)載電量的粒子叫作載流子。在半導(dǎo)體中，電子和空穴都可以運(yùn)載電量，我們把它們統(tǒng)稱為載流子。常溫下，絕緣體內(nèi)只有極少極少的自由電子，因此，它對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體內(nèi)都存在少量的自由電子或空穴，所以在一定的條件下，它呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識以硅（Si）為例，硅的原子序數(shù)是14，硅的原子核帶有14個正電荷，其核外應(yīng)有14個電子分為三層繞核運(yùn)動，第一層2個電子，第二層8個電子，最外層4個電子。（如圖示）

硅原子結(jié)構(gòu)示意圖硅原子核第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識通常我們把原子核最外層的電子叫作價(jià)電子，Si原子外層有4個價(jià)電子，因此它是4價(jià)元素。在一定的條件下，這4個價(jià)電子就可能脫離原子核的束縛而成為自由電子，從而使之呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體材料從1782年發(fā)現(xiàn)其在導(dǎo)電性方面的某些特點(diǎn)而被稱為“半導(dǎo)體”以來，在其研究領(lǐng)域不斷取得新的突破，1883年人們發(fā)明了硒整流器。1931年英國科學(xué)家威爾遜發(fā)表了半導(dǎo)體的能帶理論，首次提出了本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體，施主和受主等概念。1947年人們制得了鍺的點(diǎn)接觸晶體管，同年發(fā)現(xiàn)了鍺的PN結(jié)光伏效應(yīng)。1954年制作出硅的PN結(jié)太陽電池。1959年由美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了僅有三個電子原件組成的世界上第一個集成電路。半導(dǎo)體硅材料從發(fā)現(xiàn)、發(fā)展至今不過200多年的歷史，由于它的特殊性質(zhì)而在電力電子、微電子和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。如今人們談?wù)摪雽?dǎo)體猶如談?wù)摷Z食和鋼鐵一樣，已是我們生活中不可或缺的。我們的家用電器、電腦和幾乎所有的自動控制系統(tǒng)無處不有第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體芯片的身影。就連我們常用的計(jì)算器、手機(jī)、電子表、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼DV等的芯片都是由半導(dǎo)體硅作的芯片而制成的。迄今全球僅100億美元的多晶硅材料支撐起約500億美元的單晶硅及硅片的全球市場。然而就是這些材料支持了大約2000億美元的電力電子工業(yè)，5000億美元的集成電路產(chǎn)業(yè)和約100億美元的太陽能電池產(chǎn)業(yè)。如果說半導(dǎo)體硅材料在前50年的發(fā)展主要是在集成電路行業(yè)的話，時至今日，當(dāng)人類面臨越來越嚴(yán)峻的能源危機(jī)時，它將快速進(jìn)入為人類提供清潔環(huán)保能源的行列。在未來的數(shù)十年里，硅片將為我們提供更多、更好的清潔能源。第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

二、半導(dǎo)體材料的分類：

對半導(dǎo)體材料的分類方法很多，但常見的是將半導(dǎo)體材料分為以下四類：1.元素半導(dǎo)體：常見的有硅、鍺等。2.化合物半導(dǎo)體：部分Ⅲ—Ⅴ族元素和Ⅱ—Ⅵ族元素形成的化合物具有半導(dǎo)體的特性，且被廣泛應(yīng)用。如：Ⅲ—Ⅴ族化合物：GaAs、InP等。Ⅱ—VI族化合物：CdTe、CdS等。3.有機(jī)半導(dǎo)體——現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分有機(jī)化合物也具有半導(dǎo)體的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青以及一些芳香類化合物等。4.無定形半導(dǎo)體：無定形硅（a硅）和微晶半導(dǎo)體即屬此類，其應(yīng)用價(jià)值正在開發(fā)之中。第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體材料的分類：

迄今為止，工藝最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的是前兩類半導(dǎo)體材料，尤其是半導(dǎo)體硅材料，占有整個半導(dǎo)體材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工藝最為成熟、使用量最大的半導(dǎo)體材料。它的實(shí)驗(yàn)室純度可接近本征硅，即12個“九”，即使是大工業(yè)生產(chǎn)也可以到7—9個“九”的純度。硅為元素周期表里第三周期第四族的元素，原子序數(shù)為14，原子量是28.09，核外電子排布為：2，8，4，外層電子排布為3S23P2，常見化合價(jià)是+2和+4，在地球上常以SiO2的形式存在。硅的原子半徑為1.46,離子半徑為0.26(+4),共價(jià)半徑為1.11。硅的密度為2.33，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)3265℃。它是1824年由瑞典人Berzelius發(fā)現(xiàn)的。第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

三、半導(dǎo)體硅材料的制備

硅是地球上豐度最高的元素之一，其豐度達(dá)到25.7%,居第二位，它多以SiO2的形式存在，我們較熟悉的砂子、石頭、粘土、石英礦等的主要成分就是SiO2。硅的冶煉是一個高耗能工業(yè)，中國是世界上冶金級硅產(chǎn)量最多的國家之一。下面分別介紹冶金級硅（工業(yè)硅）、多晶硅、單晶硅的冶煉和制備工藝。1.冶金級硅（亦稱工業(yè)硅）的制備：冶金級硅是將自然界中的SiO2礦石冶煉成元素硅的第一步，它是將比較純凈的SiO2礦石和木炭或石油焦一起放入電弧爐里,在電孤加熱的情況下進(jìn)行還原而制成。其反應(yīng)式是：

SiO2+2C→Si+2CO

一般的冶金級硅分為兩類：一類是供鋼鐵工業(yè)用的工業(yè)硅，其硅含量大約在75%左右第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

：有人把它稱做“七五”硅，它主要用作冶煉硅鋼或矽鋼的原料。 另一類是供制備半導(dǎo)體硅用的，其硅含量在99.7～99.9%，它常用作制備半導(dǎo)體級多晶硅的原料。

2.多晶硅的制備：目前全世界多晶硅的生產(chǎn)方法大體有三種：一是改良的西門子法；二是硅烷法；三是粒狀硅法。

(1)改良的西門子法生產(chǎn)半導(dǎo)體級多晶硅：這是目前全球大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用的方法，知名的企業(yè)有美國的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德國的瓦克公司以及烏克蘭和意大利的多晶硅廠。其工藝流程是：

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半導(dǎo)體硅材料的制備

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全球80%以上的多晶硅是用這種方法制備的，其純度可達(dá)7—9個“九”，基本可以滿足大規(guī)模集成電路的要求。多數(shù)工廠在氫還原工藝中采用12—24對棒的還原爐生產(chǎn)，多晶硅棒的直徑在φ100—200mm之間，爐產(chǎn)量在1.5—3噸，大約要180—200小時才能生產(chǎn)一爐。據(jù)報(bào)導(dǎo)有50對棒的還原爐，單爐產(chǎn)量可達(dá)10噸以上。這種工藝生產(chǎn)的多晶硅制造成本大約在24USD/Kg左右，產(chǎn)品分三類出售：IC工業(yè)用的中段料市場價(jià)約35USD/Kg（正常價(jià)），太陽電池用的橫樑料市場價(jià)約25USD/Kg。太陽電池用的碳頭料市場價(jià)約20USD/Kg（上述價(jià)格為2000年及其以前的市場價(jià)）。經(jīng)驗(yàn)上，新建設(shè)一座多晶硅廠需要28—36個月時間，而老廠擴(kuò)建生產(chǎn)線也需要大約14—18個月時間，新建一座千噸級的多晶硅廠大約需要10—12億元人民幣，也就是說每噸的投資在100萬元人民幣以上。用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝復(fù)雜，流程較長，有較多的化工過程，環(huán)境治理開支較大，用水和用電量較多，每公斤多晶大約要耗電200~300KWh/㎏。有資料報(bào)道國外每公斤多晶的最低電耗約150KWh/㎏。第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

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半導(dǎo)體硅材料的制備

：（2）硅烷法生產(chǎn)多晶硅：用硅烷法生產(chǎn)多晶硅的工廠僅有日本的小松和美國的ASMY兩家公司，其工藝流程是：用硅烷法生產(chǎn)多晶硅的工藝相對簡單，利用低溫精餾提純可獲得較高純度的多晶硅，純度高達(dá)8—10個“九”，可供超大規(guī)模集成電路和高壓大功率電子器件用料。制造成本和市場價(jià)都略高于用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅。值得一提的是硅烷（SiH4）是易于燃燒和爆炸的氣體，制備、儲存、運(yùn)輸和生產(chǎn)使用時的危險(xiǎn)性較大，很多工廠都把SiH4儲灌深埋于地下。第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

：（3）粒狀多晶硅

全球用此法生產(chǎn)多晶硅的僅有美國休斯頓的PASADENA工廠，據(jù)說是上世紀(jì)七十年代由美國宇航局支持，打算大量用于航天工業(yè)的太陽電池的硅材料廠，它的生產(chǎn)流程與硅烷法生產(chǎn)多晶硅的工藝大體相似，所不同的是它用FBR爐沉積出來的多晶硅不是棒狀，而是直徑僅為φ1—3mm的硅粒。它是利用休斯頓化工公司的附產(chǎn)品來生產(chǎn)多晶硅，其缺點(diǎn)是純度不如以上兩種方法生產(chǎn)的多晶硅，且有大量的粉末狀硅，不適合于直接拉制單晶硅，所以大多數(shù)單晶硅廠不愿意使用，但它卻可以用作澆注硅的原料，生產(chǎn)太陽能電池。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，2006年全球多晶硅的總產(chǎn)量約32500噸，其中40%左右產(chǎn)于美國，30%產(chǎn)于日本，20%左右產(chǎn)于歐洲（主要是德國和意大利），10%左右產(chǎn)于前蘇聯(lián)（主要是烏克蘭的杜涅茲克工廠）。目前中國有四川的峨眉半導(dǎo)體材料廠、四川新光、洛陽中硅等生產(chǎn)多晶硅，今年年產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)1000噸左右，只占世界產(chǎn)量的2％左右。第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

：2004年以前，全球太陽能電池的總產(chǎn)量尚處在500~700MW時，大約僅消耗世界半導(dǎo)體級硅材料總量的1/5左右，尚可維持。2004年全球太陽能電池的總產(chǎn)量首次超過1000MW（1.25GW)，2006年超過2000MW（2.6GW)，這將消耗大約2萬噸以上的硅材料，這就超過了全球總產(chǎn)量的1/2，致使全球半導(dǎo)體硅材料的供需矛盾一下子突顯出來，考慮到一般多晶硅工廠的擴(kuò)建大致需要14個月以上，所以近3年里這種供需矛盾難于完全緩解3、單晶硅的制備：根據(jù)單晶硅的使用目的不同，單晶硅的制備工藝也不相同，主要的制備工藝有兩種：（1）區(qū)域熔煉法（簡稱區(qū)熔法或FZ法，F(xiàn)loatZone）。這是制備高純度，高阻單晶的方法。它是利用雜質(zhì)在其固體和液體中分凝系數(shù)的差異，通過在真空下經(jīng)數(shù)次乃至數(shù)十次的區(qū)域熔煉提純，然后成晶而制得。第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

：區(qū)熔單晶的電阻率大多在上千乃至上萬Ωcm，主要用作制備高能粒子探測器，SCR及大功率整流元件，F(xiàn)Z單晶的市場價(jià)大多在3000/kg以上，有的甚至達(dá)上萬元/kgFZ硅生產(chǎn)工藝示意圖如下：第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

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：（2）切克勞斯基法（簡稱直拉法。CZ法，Czochralski）這是波蘭科學(xué)家Czochralski于1918年發(fā)明的單晶生長方法,它是制備大規(guī)模集成電路，普通二極管和太陽能電池單晶使用的方法。其制備工藝如下：集成電路用CZ單晶的一次成品率大約在55—60%，正常狀態(tài)下市場價(jià)為110-130USD/Kg。 太陽能級CZ單晶的一次成品率可達(dá)65—70%，正狀態(tài)下市場價(jià)在70—90USD/Kg。第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的制備

：CZ硅生長工藝示意圖：第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

四、半導(dǎo)體硅材料的加工

幾乎所有的半導(dǎo)體器件廠家使用的硅材料都是片狀，這就需要把拉制成錠狀的硅加工成片狀，我們這里所講的硅材料加工，就是指由Ingot——wafer的過程。硅片的加工大體包括：硅棒外徑滾磨（含定向）、硅切片、倒角、硅磨片、硅拋光等幾個過程，現(xiàn)分述如下：1.硅棒外徑滾磨：是將拉制的具有4條棱線｛是（100）晶向｝的單晶或3條棱線｛是（111）晶向｝的單晶經(jīng)滾磨制得完全等徑的單晶錠。2.硅切片：硅切片是將單晶硅圓錠加工成硅圓片的過程，通常使用的設(shè)備有兩種：內(nèi)圓切片機(jī)：一般加工直徑≤6″的硅單晶錠。片厚300—400μm，刀口厚度在300—350μm，加工損失在50%以上。用這種設(shè)備加工的硅切片一般有劃道、崩邊、且平整度較差，往往需要研磨后才可使用。第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的加工

：線切割機(jī)：一般用于加工直徑≥6″的單晶（如8″、12″等）,片厚最薄可達(dá)200μ—250μ，刀口厚度≤200μ，加工損失在40%左右，較內(nèi)圓切割機(jī)可多出5~10%左右的硅片，用這種設(shè)備加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用經(jīng)過磨片工序即可投入太陽電池片的生產(chǎn)。但線切割機(jī)較為昂貴，單機(jī)價(jià)格是內(nèi)圓切片的8—10倍。3.硅磨片：一般是雙面磨，用金剛砂作原料，去除厚度在50—100μ時大約需要15—20分鐘，用磨片的方法可去除硅片表面的劃痕，污漬和圖形等，可提高硅片表面平整度。凡用內(nèi)圓切片機(jī)加工的硅片一般都需要進(jìn)行研磨。4.倒角：是將硅切片的邊沿毛刺、崩邊等倒掉。5.拋光片：這是只有大規(guī)模集成電路工業(yè)才用的硅片，這里不述及。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

五、半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn)

前面已經(jīng)提到，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，也就是說它的電阻率相對較大。一種材料的電阻率是它導(dǎo)電率的倒數(shù)，電阻率的單位是：Ωcm，它表示單位面積、單位長度下的電阻值。 硅材料的電性能有以下三個顯著特點(diǎn)：一是它對溫度的變化十分靈敏：一般來說，金屬導(dǎo)體或絕緣體的電阻率隨溫度的變化很小，甚至沒有變化。如金屬銅的溫度每升高100℃，其電阻率僅增加40%。而半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化都很顯著，如鍺的溫度從20℃升至30℃時，其電阻率就要降低50%左右。這是由于當(dāng)溫度升高時，由于熱激發(fā)而使載流子濃度大大增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)性能大幅度提高，而電阻率大幅度下降。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn)：

二是微量雜質(zhì)的存在對電阻率的影響十分顯著：一般在金屬導(dǎo)體中含有少量雜質(zhì)時則測不出電阻率有多大變化。但如果在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)，卻可以引起電阻率的很大變化，如在純硅中加入百萬分之一的硼（10-6），硅的電阻率就會從2.14×103Ωcm下降至4×10-3Ωcm。也就是電阻率下降了近一百萬倍。這是因?yàn)殡s質(zhì)的加入提供了大量的載流子，從而大大增加了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。三是半導(dǎo)體材料的電阻率在受光照時會改變其數(shù)值的大?。航饘賹?dǎo)體或絕緣體的電阻率一般不受光照的影響。但是半導(dǎo)體的電阻率在適當(dāng)?shù)墓庹障露紩l(fā)生明顯的變化，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料原子核外的價(jià)電子吸收光子的能量后就可能脫離原子核的束縛而成為自由電子，從而增加體內(nèi)的載流子濃度，使之電阻率下降。綜上所述，半導(dǎo)體的電阻率數(shù)值對溫度、雜質(zhì)和光照三個外部條件變化有較高的敏感性。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

六、半導(dǎo)體硅材料主要性能參數(shù)

1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型：（本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體）本征硅：習(xí)慣上我們把絕對純凈而沒有缺陷的半導(dǎo)體叫作本征半導(dǎo)體。通常純凈而沒有缺陷的硅晶體叫作本征硅。在本征硅中，導(dǎo)電的電子或空穴都是由于其價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的，這時的自由電子濃度n和空穴的濃度p相等，這個濃度稱為本征載流子濃度ni，室溫下硅的本征載流子濃度為1010/cm3左右。根據(jù)制作不同器件的不同需要，我們在本征硅中摻入一定量的某種雜質(zhì)就得到摻雜的硅。

N型硅：若在純硅中摻入V族元素（如磷、砷等）以后，由于V族元素最外層是5個價(jià)電子，當(dāng)這5個價(jià)電子中4個與硅原子最外層的4個價(jià)電子形成共價(jià)鍵時，就會有一個多余的電子脫離出來成為自由電子，從而就提供了同等數(shù)量的導(dǎo)電電子，這種能提供自由電子的雜質(zhì)統(tǒng)稱為施主雜質(zhì)（如P、AS等），摻入施主雜質(zhì)的硅叫N型硅。在N型硅中，電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，電流的傳輸主要是靠電子來輸送，這時的電子叫多數(shù)載流子（簡稱多子）。而空穴就是少數(shù)載流子（簡稱少子），此時半導(dǎo)體硅中的電子濃度近似第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

等于施主雜質(zhì)的濃度（n≈ND），在N型硅中，摻雜元素是磷，少子是空穴。P型硅：如果在純硅中摻入III族元素（如硼）以后，由于硼原子的最外層是3個價(jià)電子，當(dāng)它進(jìn)入硅的晶體構(gòu)成共價(jià)鍵時，就缺少了一個電子，因而它就有一種從別處奪來一個電子使自己成為負(fù)離子、并與硅晶體相匹配的趨勢，因此我們可以認(rèn)為硼原子是帶有一個很容易游離于晶體間的空穴。在半導(dǎo)體中，這種具有接受電子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。摻入受主雜質(zhì)的硅叫作P型硅，在P型硅中，空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的濃度，電流的傳輸主要由空穴來完成?？昭ㄊ嵌嘧樱娮邮巧僮?，此時的空穴濃度近似等于受主的濃度（P≈NA）。在P型硅中，摻雜元素是硼，少子是電子。但是：在一般的摻雜硅中，往往同時存在著施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，這時硅的導(dǎo)電類型就由濃度較高的那種雜質(zhì)來決定，相應(yīng)的多數(shù)載流子濃度分別為：

N型硅中：電子的濃度為nn≈ND—NA（ND＞NA）P型硅中：空穴的濃度為np≈NA—ND（ND＜NA）(ND為施主濃度,NA為受主濃度)第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

2.晶體結(jié)構(gòu)及缺陷我們知道，自然界中的固體可以分為晶體和非晶體兩大類，晶體是指有固定熔點(diǎn)的固體（如：Si、GaAs、冰及一般的金屬等），而沒有固定熔點(diǎn)，加熱時在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固體叫作非晶體。（如：松香、玻璃、橡膠等）（1）單晶、多晶和無定形：晶體又可以分為單晶體、多晶體和無定形體?，F(xiàn)有的晶體都是由原子、離子或分子在三維空間上有規(guī)則的排列而形成的。這種對稱的有規(guī)則排列叫作晶體的點(diǎn)陣或叫晶格。最小的晶格叫晶胞，晶胞的各向長度叫晶格常數(shù)。將晶格周形性的重復(fù)排列，就可以構(gòu)成整個晶體，這就是晶體的固有特性，而非晶體則沒有這種特征。那種近程有序而遠(yuǎn)程無序排列的稱為無定形體。一塊晶體如果從頭至尾都按同一種排列重復(fù)下去叫作單晶體，由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的稱為多晶體。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

（2）晶格結(jié)構(gòu)我們對一些主要的晶體進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其中的晶胞多不相同，常見的晶胞有：簡單立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方機(jī)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)（如：Si、Ge等），閃鋅礦結(jié)構(gòu)（如GaAs、Gap、Iusb等），一般元素半導(dǎo)體多為金剛石結(jié)構(gòu)，III—V族化合物半導(dǎo)體多為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)是兩個面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞在對角線上滑移1/4距離后形成，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)是在金剛石結(jié)構(gòu)中把相鄰兩個Si原子分別換作Ga和As而形成。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

（3）晶面和晶向：晶體中那些位于同一平面內(nèi)的原子形成的平面稱為晶面。晶面的法線方向稱為晶向。單晶常用的晶向有（100）、（111）和（110），晶體在不同的方向上具有不同的性質(zhì)，這就是晶體的多向異性。第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

（4）晶體中的缺陷：當(dāng)晶體中的原子周期性重復(fù)排列遭到破壞或出現(xiàn)不規(guī)則的地方就形成了缺陷，硅單晶中常見的缺陷有：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、孿晶、旋渦、雜質(zhì)條紋、堆垛層錯、氧化層錯、滑移線等等。3.電阻率：電阻率是半導(dǎo)體材料的一個極其重要的參數(shù)，前面我們已經(jīng)提到電阻率是區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的關(guān)鍵因素。不同的器件要求不同的電阻率，一般來說：制作高能粒子探測器，要求幾千乃至上萬Ωcm的FZ單晶。制作大功率整流器件，SCR則要求300∽1000Ωcm的FZ單晶。制作IC則要求5~30Ωcm的CZ單晶。制作太陽能電池則要求P型（100）0.5∽6Ωcm的CZ單晶。第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

4.少子壽命：所謂少子壽命是指半導(dǎo)體中非平衡少數(shù)載流子平均存在的時間長短，單位是μs（1微秒是10-6秒）。所謂非平衡載流子是指當(dāng)半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合處于平衡狀態(tài)時，由于受某種外界條件的作用，如受到光線照射時而新增加的電子——空穴對，這部分新增加的載流子叫作非平衡載流子。對于P型硅而言：新增加的電子叫作非平衡少數(shù)載流子；而新增加的空穴叫作非平衡多數(shù)載流子。對于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少數(shù)載流子；而新增加的電子叫作非平衡多數(shù)載流子。當(dāng)光照停止后，這些非平衡載流子并不是立即全部消失，而是逐漸被復(fù)合而消失，它們存在的平均時間就叫作非平衡載流子的壽命。非平衡載流子的壽命長短反映了半導(dǎo)體材料的內(nèi)在質(zhì)量，如晶體結(jié)構(gòu)的完整性、所含雜質(zhì)以及缺陷的多少，硅晶體的缺陷和雜質(zhì)往往是非平衡載流子的復(fù)合中心。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)：

少子壽命是一個重要的參數(shù)，用于高能粒子探測器的FZ硅的電阻率高達(dá)上萬Ωcm，少子壽命上千微秒；用于IC工業(yè)的CZ硅的電阻率一般在5—30Ωcm范圍內(nèi)，少子壽命值多要求在100μs以上；用于晶體管極CZ硅的電阻率一般在30—100Ωcm，少子壽命也在100μs以上；而用于太陽能電池CZ硅片的電阻率在0.5—6Ωcm，少子壽命應(yīng)≥10μs。5.氧化量：指硅材料中氧原子的濃度。太陽能電池要求硅中氧含量＜5×1018原子個數(shù)/cm3。6.碳含量：指硅材料中碳原子的濃度。 太陽能電池要求硅中碳含量＜5×1017原子個數(shù)/cm3。另外：對于IC用硅片而言還要求檢測：微缺陷種類及其均勻性；電阻率均勻性；氧、碳含量的均勻性；硅片的總厚度變化TTV；硅片的局部平整度LTV等等。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體的主要電學(xué)參數(shù)及其測量方法1、導(dǎo)電類型：

N型半導(dǎo)體：摻有施主雜質(zhì)、以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體：摻有受主雜質(zhì)、以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)和缺陷、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)僅由晶體本身能帶結(jié)構(gòu)所決定，體內(nèi)電子和空穴濃度相等的半導(dǎo)體。導(dǎo)電類型的測量方法：（1）冷探針法（2）熱探針法（3）整流法

（4）霍爾效應(yīng)法第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

2、電阻率：是指單位長度（1cm）、單位面積（1cm2)下物體的電阻值。電阻率直接反應(yīng)其導(dǎo)電能力的大小，某一物體的電阻率是它的電導(dǎo)率的倒數(shù)。在一定的溫度條件下，半導(dǎo)體材料的電阻率直接反應(yīng)了材料的純度。半導(dǎo)體材料電阻率的測量方法：（1）二探針法（2）四探針法（3）擴(kuò)展電阻法（4）范德堡法（5）渦流法（6）光電壓法半導(dǎo)體的主要電學(xué)參數(shù)及其測量方法第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

3、載流子濃度：在一定的溫度條件下，內(nèi)部處于熱平衡的半導(dǎo)體中，電子和空穴的濃度基本保持一定，此時的電子及空穴的濃度就叫作平衡載流子濃度。載流子濃度的測量方法：（1）三探針擊穿電壓法（2）微分電容法（3）二次諧波法（4）紅外等離子反射光譜法（5）紅外吸收法半導(dǎo)體的主要電學(xué)參數(shù)及其測量方法第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

4、遷移率：當(dāng)我們對半導(dǎo)體加上外加電場時，載流子在電場中作漂移運(yùn)動。在低電場下，載流子的漂移速度與電場強(qiáng)度成正比。在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子獲得的漂移速度就叫做載流子的遷移率。載流子的遷移率與半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度、缺陷密度及溫度有關(guān)，在室溫下，遷移率隨雜質(zhì)濃度或缺陷密度的增加而減小。遷移率的測量方法：（1）漂移遷移率（適合于低阻材料少子遷移率測量）（2）電導(dǎo)遷移率（3）霍爾遷移率（4）磁阻遷移率半導(dǎo)體的主要電學(xué)參數(shù)及其測量方法第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

5、補(bǔ)償度：補(bǔ)償是指半導(dǎo)體中施主雜質(zhì)與受主雜質(zhì)在電學(xué)上互相抵消的現(xiàn)象，而補(bǔ)償度是指材料中等效反型雜質(zhì)濃度與控制雜質(zhì)濃度之比。通常情況下，當(dāng)施主雜質(zhì)濃度和受主雜質(zhì)濃度相差不到1000倍時，則認(rèn)為該材料是補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償度的大小直接反應(yīng)了半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，某些特殊用途的高阻單晶硅就要求低補(bǔ)償。補(bǔ)償度的測量方法：補(bǔ)償度的測量需要采用能同時確定兩種雜質(zhì)的濃度或直接測定其比值的方法，目前確定補(bǔ)償度的方法大都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理而得到的，如采用“載流子濃度與溫度關(guān)系分析法”、“遷移率分析法”、“經(jīng)驗(yàn)曲線分析法”等。半導(dǎo)體的主要電學(xué)參數(shù)及其測量方法第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

6、少子壽命：

所謂少子壽命是指半導(dǎo)體中非平衡少數(shù)載流子平均存在的時間長短，單位是μs（1微秒是10-6秒）。所謂非平衡載流子是指當(dāng)半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合處于平衡狀態(tài)時，由于受某種外界條件的作用，如受到光線照射時而新增加的電子——空穴對，這部分新增加的載流子叫作非平衡載流子。