半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識+14硅原子結(jié)構(gòu)圖最外電子結(jié)構(gòu)圖284Si2、硅的基本化學(xué)性質(zhì)

硅在化學(xué)周期表中第14號元素，分子量為28.085。由于原子最外電子層只有4個(gè)價(jià)電子，因此其化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定（如圖一）。

圖一3、晶體、硅晶體

晶體是指具有一定幾何形狀，其構(gòu)成粒子按某種規(guī)律排列，占有一定空間體積的純凈物。一般所說的晶體，是指多晶體。但用于半導(dǎo)體業(yè)時(shí)，必須為單晶體。單晶體和多晶體的區(qū)別在于前者是長程有序的排列，后者不具有。相反，排列無規(guī)則、無秩序的稱為非晶體。硅原子最外層結(jié)構(gòu)只的四個(gè)電子決定了它們之間只通過共價(jià)電子對形成晶體。其晶體結(jié)構(gòu)一般被稱為“金剛石結(jié)構(gòu)”。這個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是：每個(gè)原子有4個(gè)最近鄰，它們正好在一個(gè)正四面體的頂角位置（如圖二所示）。圖二：硅的金鋼石結(jié)構(gòu)形狀4、硅晶體原子排列結(jié)構(gòu)

最外層四個(gè)電子以共價(jià)鍵組合形成的硅晶體（如圖三所示）。根據(jù)硅原子排列“長程有序”與“長程無序”分單晶硅和多晶硅（如圖四）。圖三：硅晶體原子順序結(jié)構(gòu)晶體非晶體晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間按周期性重復(fù)排列的固體，即遠(yuǎn)程有序。非晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間無規(guī)則排列的固體，即短程有序而遠(yuǎn)程無序。多晶：原子在不同方向上長程無序排列單晶：原子按一定的方向長程有序排列圖四1111116、晶面與晶向

晶面是把一個(gè)晶格單元放在三維坐標(biāo)系中特殊定義的，它遵循密勒指數(shù)法則（如圖五）。籽晶就是沿同一組晶面研磨而成的。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)圖五7、晶向即為晶體生長的方向，它與晶面垂直,同一組晶面用圓括號“（）”標(biāo)識，晶向用方括號“[]”標(biāo)識，予以區(qū)分（如圖六）。(100)面(110)面(111)面111111圖六8、晶體缺陷

當(dāng)硅晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)生格點(diǎn)移動(dòng)或晶格移動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生晶體點(diǎn)缺陷（如圖七）。點(diǎn)缺陷會影響硅片電學(xué)性質(zhì)，如電阻、少子壽命等。間隙缺陷空位缺陷Frenkel缺陷點(diǎn)缺陷間隙缺陷空位缺陷Frenkel缺陷圖七當(dāng)點(diǎn)缺陷進(jìn)一步惡化時(shí)，產(chǎn)生位借或?qū)渝e(cuò)（如圖八）。位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)除了影響硅片的電學(xué)性質(zhì)外還會影響其它包括機(jī)械強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)，即當(dāng)內(nèi)部存在大量位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)時(shí)，硅片容易產(chǎn)生翹曲、崩邊、破片等。位錯(cuò)額外原子層或劈型層錯(cuò)圖八沉淀位錯(cuò)間隙層錯(cuò)空穴9、硅的導(dǎo)電性固體材料按導(dǎo)電能力以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（如表二）。導(dǎo)體——價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，導(dǎo)電需要小的重疊能量。絕緣體——禁帶寬度一般大于2半導(dǎo)體——介于絕緣體和導(dǎo)體之間的禁帶能量級別。（為1.11)導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率(Ω?m)10-8~10-410-4~108108~1020禁帶-較小較大價(jià)帶非滿帶滿帶滿帶類型性質(zhì)表二10、半導(dǎo)體分類（根據(jù)導(dǎo)電類型分）本征半導(dǎo)體——純的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——空穴導(dǎo)電。N型半導(dǎo)體——電子導(dǎo)電。導(dǎo)電類型有P型和N型，由硅融液中的摻雜物種類來決定。具有代表性的摻雜物和導(dǎo)電類型如下所示。P型摻雜（硼）N型摻雜（磷），(銻)，(砷)SiBSiSiSiSi空穴當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素時(shí)如硼，如右圖硼原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，硼原子的外層電子數(shù)是7比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)少一個(gè)價(jià)電子，這樣將產(chǎn)生一個(gè)空穴，空穴可以環(huán)繞B離子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)通電時(shí)空穴為主要載流子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要是以空穴為半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式。P型半導(dǎo)體當(dāng)在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素時(shí)如磷、砷和銻等。如右圖磷原子與周圍的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵后，磷原子的外層電子數(shù)是9，比穩(wěn)定結(jié)構(gòu)多一個(gè)價(jià)電子，多余的價(jià)電子環(huán)繞P離子運(yùn)動(dòng),通電時(shí)自由電子作為主要的載流子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，主要是以自由電子為半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式。N型半導(dǎo)體SiPSiSiSiSi多余電子1.半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程：1.1906年發(fā)明了由兩個(gè)電極和一個(gè)柵極封入真空玻璃容器用來放大電子信號的三極真空管3.1947.12月由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的(威廉?肖克利)發(fā)明了第一個(gè)用鍺制成的固體晶體三極管4.1954年公司的制造了第一個(gè)硅晶體管5.1957年公司在硅上制造出第一個(gè)商用硅基平面晶體管6.1959年公司的發(fā)明硅基材料上制造的集成電路，公司的發(fā)明了在鍺基材料上制造的集成電路單晶、多晶、晶向單晶——體內(nèi)所有的原子都是按同一順序排列起來的。多晶——由很多的小晶粒（單晶）組成。晶向——晶體具有各向異性，沿晶體不同方向物理特性不一樣。用晶向矢量在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上投影表示其晶向。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體——價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，導(dǎo)電需要小的重疊能量。絕緣體——禁帶寬度一般大于2半導(dǎo)體——介于絕緣體和導(dǎo)體之間的禁帶能量級別。（為1.11)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶圖3.晶體結(jié)構(gòu)

結(jié)點(diǎn)：一系列在三維空間按周期性排列的幾何點(diǎn)稱為一個(gè)空間點(diǎn)陣，把空間點(diǎn)陣中的幾何點(diǎn)或者等同點(diǎn)成為結(jié)點(diǎn)。

空間格子：聯(lián)結(jié)分步在三維空間內(nèi)的結(jié)點(diǎn)就構(gòu)成了空間格子。原胞結(jié)點(diǎn)晶面符號：在立方晶體中選定一個(gè)直角坐標(biāo)系，晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸的截距系數(shù)p、q、r的倒數(shù)比1：1：1，簡化后按軸次序連寫在一起，在加小括號而得。其通式為（),其中h、k、l稱為晶面的米氏指數(shù)。XYZrqp()ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)晶棱符號：晶棱符號只規(guī)定晶棱等直線在晶體上得方向而不涉及它得具體位置，所以任何晶棱都可以假設(shè)平移到坐標(biāo)軸得交點(diǎn)，然后在次晶棱上任取一點(diǎn)，它在三個(gè)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)為X、Y、Z，然后以相應(yīng)的軸單位來度量該坐標(biāo)值，取它們的比值后連寫并加以方括號，即為晶棱符號。，晶棱符號的通式為[]。硅晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的性質(zhì)既不象一般的導(dǎo)體，也不同于普通的絕緣體，同時(shí)也不僅僅由于它的導(dǎo)電能力介於導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由於半導(dǎo)體具有以下的特殊性質(zhì)：1.溫度的變化能顯著的改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率會降低，比如在200℃時(shí)電阻率比室溫時(shí)的電阻率低幾千倍?？梢岳冒雽?dǎo)體的這個(gè)特性制成自動(dòng)控制用的熱敏元件(如熱敏電阻等)，但是由于半導(dǎo)體的這一特性，容易引起熱不穩(wěn)定性，在制作半導(dǎo)體器件時(shí)需要考慮器件自身產(chǎn)生的熱量，需要考慮器件使用環(huán)境的溫度等，考慮如何散熱，否則將導(dǎo)致器件失效，報(bào)廢。2.半導(dǎo)體在受到外界光照的作用是導(dǎo)電能力大大提高。如硫化鎘受到光照后導(dǎo)電能力可提高幾十到幾百倍，利用這一特點(diǎn),，可制成光敏三極管，光敏電阻等。3.在純凈的半導(dǎo)體中加入微量(千萬分之一)的其他元素(這個(gè)過程我們稱為摻雜)，可使他的導(dǎo)電能力提高百萬倍。這是半導(dǎo)體的最初的特征，例如在原子密度為5*10223的硅中摻進(jìn)大約5*10153磷原子,比例為10-7(即千萬分之一)，硅的導(dǎo)電能力提高了幾十萬倍.

半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體：ⅣA族的硅和鍺化合物半導(dǎo)體：Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體如砷化鎵等Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體如碲化鎘和硒化鋅等其他化合物半導(dǎo)體如鍺硅和氮化鎵等硅材料簡介為什么選用硅作為主要的半導(dǎo)體材料：硅的豐裕度（25%）,不必?fù)?dān)心原料枯竭，無害更高的熔化溫度允許更高的工藝容限更寬的工作溫度范圍帶隙寬單晶制造成本低硅和鍺的基本性質(zhì)的比較性質(zhì)（300K）硅鍺原子量28.0972.60禁帶寬度（）1.120.67熔點(diǎn)（℃）1412937名詞解釋：晶錠編號——對單晶按照爐號以及該爐中的第幾根單晶的第幾段的第幾節(jié)。如06-259