半导体硅知识优秀课件
合集下载
硅的性质及有关半导体基础理论PPT课件
性重复排列而成。相邻原子间距上有几个Å的数量级，例如硅单晶的晶格 常数为5.43072Å ，可以算出硅每立方厘米体积内有5×1022个硅原子。原 子间最短距离为2.351Å 。(埃米(Angstrom 或ANG或Å)是晶体学、原子 物理、超显微结构等常用的长度单位，音译为"埃"，10的负10次方米， 纳米的十分之一。)
3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶 解而变成液体状态。
9
以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部 结构排列很有秩序，构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规 则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。 其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。
24
• 由于半导体的Eg比较小，所以在一定温度下具有能量较大的电子就越 过禁带进入导带。使原来空着的导带有了电子，而且在价带中也出现 了一些电子的空位，这样导带中的电子和价带中的电子，在外电场的 作用下，都可作定向运动。因此，半导体在一定的温度下具有导电性。
16
*对于绝缘体而言，价电子紧密地局限在其原子轨道，无法导电。 *对于具有金刚石结构的硅，每个原子与邻近四个原子构成键合。
Z
+4
X
金刚石晶格中四面体结构
+4
+4
+4
Y
+4
在金刚石二维空间 结构的键合情况
17
上面已讲述硅原子的最外层轨道具有四个价电子。它可以与四个临近原子 分享其价电子，所以这样的一对分享价电子即成为共价键。 在室温下这些共价电子被局限在共价键上。在较高温度热振动可能打断共 价键。当一个共价键被打断时，就释放出一个自由电子参与导电行为， 因此，本征半导体在室温下的电性就如同绝缘体一样，但在高温下就如 同导体一样具有高导电性。 每当半导体释放出一个价电子时，便会在共价键上留下一个空穴（见图 2），这个空穴可能被邻近的价电子所填补，导致空穴的不断移动。因 此我们可以把空穴看作为类似于电子的一粒子，空穴带着正电，且在施 加电场之下，朝与电子相反的方向运动。
3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶 解而变成液体状态。
9
以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部 结构排列很有秩序，构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规 则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。 其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。
24
• 由于半导体的Eg比较小，所以在一定温度下具有能量较大的电子就越 过禁带进入导带。使原来空着的导带有了电子，而且在价带中也出现 了一些电子的空位，这样导带中的电子和价带中的电子，在外电场的 作用下，都可作定向运动。因此，半导体在一定的温度下具有导电性。
16
*对于绝缘体而言，价电子紧密地局限在其原子轨道，无法导电。 *对于具有金刚石结构的硅，每个原子与邻近四个原子构成键合。
Z
+4
X
金刚石晶格中四面体结构
+4
+4
+4
Y
+4
在金刚石二维空间 结构的键合情况
17
上面已讲述硅原子的最外层轨道具有四个价电子。它可以与四个临近原子 分享其价电子，所以这样的一对分享价电子即成为共价键。 在室温下这些共价电子被局限在共价键上。在较高温度热振动可能打断共 价键。当一个共价键被打断时，就释放出一个自由电子参与导电行为， 因此，本征半导体在室温下的电性就如同绝缘体一样，但在高温下就如 同导体一样具有高导电性。 每当半导体释放出一个价电子时，便会在共价键上留下一个空穴（见图 2），这个空穴可能被邻近的价电子所填补，导致空穴的不断移动。因 此我们可以把空穴看作为类似于电子的一粒子，空穴带着正电，且在施 加电场之下，朝与电子相反的方向运动。
《硅半导体材料基础》课件
《硅半导体材料基础》ppt课件
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利 乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的 原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连 续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性 ，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具 有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形 成异质结构，实现优势互 补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的 硅基材料，探索其在光电 器件和电子器件中的应用 。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高 硅半导体的导电性能和稳 定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善 硅半导体的表面质量和稳 定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递 和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶 格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定 性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度 下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利 乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的 原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连 续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性 ，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具 有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形 成异质结构，实现优势互 补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的 硅基材料，探索其在光电 器件和电子器件中的应用 。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高 硅半导体的导电性能和稳 定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善 硅半导体的表面质量和稳 定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递 和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶 格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定 性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度 下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法
半导体硅材料基础知识
据报导 ，2006年全球多晶硅的总产量约 32500吨，其中 40%左右产于美国，30%产于日本，20%左右产于欧洲（ 主要是德国和意大利），10%左右产于前苏联（主要是乌 克兰的杜涅兹克工厂）。
目前中国有四川的峨眉半导体材料厂、四川新光、洛阳中 硅等生产多晶硅，今年年产量预计可达1000吨左右， 只占 世界产量的2％左右。
第14页，本讲稿共44页
半导体硅材料的制备 ：
全球80%以上的多晶硅是用这种方法制备的，其纯度可达7—9个 “九”，基本可以满足大规模集成电路的要求。多数工厂在氢还原 工艺中采用12—24对棒的还原炉生产，多晶硅棒的直径在φ100— 200mm之间，炉产量在1.5—3吨，大约要180—200小时才能生产一 炉。据报导有50对棒的还原炉，单炉产量可达10吨以上。
• 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容
易传导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材 料。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们 的电阻率极低，大约是10-6—10-8Ωcm。如金属 铜的电阻率仅为1.75×10-8Ωcm。
• 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不
导电的一类物质，如：玻璃、橡胶、石英等材料 。绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电 阻率＞108Ωcm。
第6页，本讲稿共44页
半导体硅材料基础知识
由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正 好等于原子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下 ，整体上处于电中性状态。我们常常把原子核最外层那些离 原子核最远的电子叫作价电子。这些价电子受原子核的束缚 较弱，在外电场或其它外力（如光照）的作用下，很容易摆 脱原子核的束缚而成为自由电子。金属导体之所以容易导电 ，是因为在金属体内存在着大量的自由电子，在外电场的作 用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反方向流动， 这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外电场 的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大， 它的导电性能越好，其电阻率就越低。
目前中国有四川的峨眉半导体材料厂、四川新光、洛阳中 硅等生产多晶硅，今年年产量预计可达1000吨左右， 只占 世界产量的2％左右。
第14页，本讲稿共44页
半导体硅材料的制备 ：
全球80%以上的多晶硅是用这种方法制备的，其纯度可达7—9个 “九”，基本可以满足大规模集成电路的要求。多数工厂在氢还原 工艺中采用12—24对棒的还原炉生产，多晶硅棒的直径在φ100— 200mm之间，炉产量在1.5—3吨，大约要180—200小时才能生产一 炉。据报导有50对棒的还原炉，单炉产量可达10吨以上。
• 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容
易传导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材 料。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们 的电阻率极低，大约是10-6—10-8Ωcm。如金属 铜的电阻率仅为1.75×10-8Ωcm。
• 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不
导电的一类物质，如：玻璃、橡胶、石英等材料 。绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电 阻率＞108Ωcm。
第6页，本讲稿共44页
半导体硅材料基础知识
由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正 好等于原子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下 ，整体上处于电中性状态。我们常常把原子核最外层那些离 原子核最远的电子叫作价电子。这些价电子受原子核的束缚 较弱，在外电场或其它外力（如光照）的作用下，很容易摆 脱原子核的束缚而成为自由电子。金属导体之所以容易导电 ，是因为在金属体内存在着大量的自由电子，在外电场的作 用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反方向流动， 这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外电场 的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大， 它的导电性能越好，其电阻率就越低。
半导体第三讲下单晶硅生长技术课件
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效 应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000）， 不利于晶体生长。
ß 对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔 体内的传输特性进行比较后发现，随着勾 形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流 动减弱，并且紊流强度也相应降低。
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 对1000 ℃、1100℃退火后的掺氮直拉硅中 氧沉淀的尺寸分布进行的研究表明，随着 退火时间的延长，小尺寸的氧沉淀逐渐减 少，而大尺寸的氧沉淀逐渐增多。氮浓度 越高或退火温度越高, 氧沉淀的熟化过程进 行得越快。
ß 因此适当控制氧析出物的含量对制备性能 优良的单晶硅材料有重大意义
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 通过一定的工艺, 在硅片体内形成高密度的 氧沉淀, 而在硅片表面形成一定深度的无缺 陷洁净区，该区域将用于制造器件, 这就是 “内吸杂”工艺。
ß 如果氧浓度太低, 就没有 “内吸杂”作用, 反之如果氧浓度太高, 会使晶片在高温制程 中产生挠曲。
拉晶试验，结果发现平均 拉速可从0.6mm/min提高 到0.9mm/min，提升了 50%。
《半导体的基本知识》PPT课件
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
半导体基础知识(48)PPT课件
结电容： Cj Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
个人观点供参考，欢迎讨论！
2、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由 电子和带正电的空穴均参与导 电，且运动方向相反。由于载 流子数目很少，导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 绝对温度0K时不导电。
载流子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、杂质半导体
1、N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？
四、PN结的电容效应
1、势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生
变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容为势垒电容Cb。 2、扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容为扩散电容Cd。
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构
1、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
个人观点供参考，欢迎讨论！
2、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由 电子和带正电的空穴均参与导 电，且运动方向相反。由于载 流子数目很少，导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 绝对温度0K时不导电。
载流子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、杂质半导体
1、N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目 多了？少了？为什么？
四、PN结的电容效应
1、势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生
变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容为势垒电容Cb。 2、扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容为扩散电容Cd。
第二讲 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及单向导电性 四、PN结的电容效应
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构
1、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
半导体硅材料基础知识
半导体硅材料基础知识半导体硅材料，就像是科技世界里的基石，默默支撑着我们现代生活中的无数奇迹。
硅啊，在地球上那可是相当常见的元素，就像人群里那些低调但不可或缺的老实人。
它不像金啊银啊那么耀眼，可一旦到了半导体这个大舞台，那就是大放异彩的主角。
你看，硅原子就像一个个训练有素的小士兵，整整齐齐地排列着。
在硅晶体里，这些小士兵的排列方式那可是相当有讲究的，这种有序的排列就像是精心编排的团体操，每个动作都恰到好处。
说到硅材料在半导体里的作用，那可就太厉害了。
这就好比是盖房子时的砖头，没有砖头，房子可就成了空中楼阁。
电子设备里要是没有硅材料，那那些小巧精致的手机、功能强大的电脑，估计都只能存在于幻想之中了。
硅能够成为半导体的宠儿，是因为它独特的电学性质。
硅原子之间的化学键就像是一条条小轨道，电子就在这些轨道上跑来跑去。
有时候电子很听话，规规矩矩地按照我们的要求运动，有时候又像是调皮的小孩子，需要我们用一些特殊的手段去引导。
硅材料的纯度要求可高啦。
这就像是做一道超级精细的菜，一点点杂质就可能把整道菜搞砸。
从硅矿石到可以用于半导体制造的硅材料，这中间的过程就像是一场漫长的修行。
要经过好多道工序，把那些杂质一点点剔除出去。
这感觉就像是从一群人中挑选出最优秀的精英，容不得一点马虎。
在半导体器件的制造过程中，硅材料又像是一块神奇的画布。
工程师们就像画家一样，在这块画布上进行创作。
他们用各种技术手段，在硅片上制造出晶体管啊、电路啊这些东西。
每一个微小的晶体管就像是一个小小的开关，无数个这样的小开关组合在一起，就能实现各种复杂的功能。
这就好比是用一个个小小的乐高积木，搭建出一个超级巨大又无比复杂的城堡。
硅材料的发展历程也很有趣。
一开始人们可能并没有意识到它有这么大的潜力，就像一颗被遗落在角落里的明珠。
随着科技的发展，人们慢慢发现了硅的独特之处，就像是突然发现了宝藏一样。
然后就开始不断地挖掘它的潜力，让它在各个领域发光发热。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.2.1几种常见元素的原子结构
硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B） 元素的原子结构模型如图1.2-1所示
第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子
最外层5个电子
最外层3个电子
Si +14
P
+15
B
si
P
B
图1.2-1
1.2半导体材料硅的晶体结构
原子最外层的电子称为价电子，有几个 价电子就称它为几族元素。
为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2所示 的平面结构示意图即可。
正四面实体结构
图1.2-4
金钢石结构
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.6晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等
距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向 称为晶向。图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，
简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重 要的晶胞。
(a)简单立方 （Po）
(b)体心立方 （Na、W）
图1.2-3
(c)面心立方 （Al、Au）
1.2半导体材料硅的晶体结构
金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿 对角线方向上移1/4互相套构而成（见图1.2-4）。
1.2半导体材料硅的晶体结构
(100)
(110)
(111) 图1.2-7
1.3固体的能带理论
1.3.1能带的形成 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，
外层电子（价电子）能量较大。图1.3-1表示所谓能级图。
E5 E4 E3(8) E2(8)
E1(2)
图1.3-1
1.3固体的能带理论
1.3固体的能带理论
导 带 Ec
禁
E9
带
E9
Ev 绝缘体
价 带
半导体
导体
图1.3-3
1.4半导体的导电特性
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和 绝缘体所没有的独特性能。 1.4.1导电能力随温度灵敏变化
导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高 一度，电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降 低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电 阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘 体。 1.4.2导电能力随光照显著改变
1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的
规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单 晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅
原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种 共有电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
(100晶面)
(110晶面) 图1.2-5
(111晶面)
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.7原子密排面和解理面： 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原
子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将 如图1.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。
图1.2-6
1.2半导体材料硅的晶体结构
比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。 而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶 胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原 子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110所示。
金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是 原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面 之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：
当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强， 没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。 1.4.3杂质的显著影响
(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在 外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂 的晶面称为晶体的解理面。
(b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓 慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面 的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度 比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的 结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体， 形成绒面状的硅表面。
半导体硅知识优秀课件
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率 越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区 分导体，绝缘体和半导体的大致范围。
物体 电阻率
Ω· CM
导体 <10e-4
半导体
10e3~10e9
绝缘体 >10e9
1.2半导体材料硅的晶体结构
若原子失去一个电子，称这个原子为正 离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的 负离子。原子变成离子的过程称为电离。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。
原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶 体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有 确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时 在某一温度范围内逐渐软化。
图1.3-2
能带
禁带 能带 禁带 能带
1.3固体的能带理论
从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成 由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每 一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组 密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。 能带之间的间隙叫做禁带。
未被电子填满的能带称为导带，已被电子 填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电 性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。 (图1.3-3)
晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这 个原子的作用。还将受到相邻原子的作用 。相邻原子上的电子 轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以 从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原 子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。
电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能 量相同的轨道之间发生转移。图1.3-2表示出这种共有化轨道 的能级图。