半导体材料硅的基本性质

半导体材料硅的基本性质

一．半导体材料

1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：

图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围

1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：

元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。

化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。

1)二元化合物

GaAs —砷化镓

SiC —碳化硅

2)三元化合物

As —砷化镓铝

AlGa

11

AlIn

As —砷化铟铝

11

1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：

本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。

非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。

1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：

施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。

受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅

1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。

由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。

由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

二．硅的基本性质

1.1 硅的基本物理化学性质

硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。

性质符号单位硅（Si）

原子序数Z 14

原子量M 28.085

原子密度个/cm3 5.00×1022

晶体结构金刚石型

晶格常数 a Å 5.43

熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 2.329/2.533

介电常数ε0 11.9 本征载流子浓度n

个/ cm3 1.5×1010

i

本征电阻率ρi Ω·cm 2.3×105

电子迁移率μn cm2/(V·S) 1350

表1 硅的物理化学性质（300K）

1.2 硅的电学性质

硅的电学性质有两大特点：

一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm

二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。如图所示电阻率随杂质浓度的变化

1.3 硅的化学性质

硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。

硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。1.硅的热氧化反应

～1100℃

Si + O

2 → SiO

2 ～1000℃

Si + 2H

2O → SiO

2

+ H

2

在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。

2.硅与氯气（Cl

2

）或氯化物（HCl）的化学反应

～300℃

Si + 2Cl

2 → SiCl

4

～280℃

Si + 3HCl→ SiHCl

3 + H

2

上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl

4和SiHCl

3

。

3.硅与酸的化学反应

硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H

2SO

4

、HNO

3

、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液

所腐蚀。

（1）硅与HF—HNO

3

混合液的化学反应

Si + 4HNO

3 + 6HF → H

2

SiF

6

+ 4NO

2

+ 4H

2

O

HNO

3

在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。

（2）硅与HF—CrO

3

混合液有化学反应

Si + CrO

3 + 8HF → H

2

SiF

6

+ CrF

2

+ 3H

2

O

此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。（3）硅与金属的作用

硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi

2,W Si

2

,MoSi等硅化物具有良好的导电性、

耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。（4）硅与SiO

2

的化学反应

1400℃

Si + SiO

2

→ 2SiO

在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO

2

），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。

1.4 硅的晶体结构和化学键

1.硅的晶体结构

硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。如图2.1和图2.2所示。

图2.1 共价四面体图2.2 硅的晶体结构