半导体物理基础

太阳能光伏系列产品和设备产业链
多晶硅副产物系列产品和设备产业链
1.2 半导体的形成与能带
1.2.1 原子能级与晶体能带 1、原子结合成晶体前
电子在各自的轨道上做圆周运动，每一壳层对 应相应的能量。
2、形成晶体后
3S
2P
电子共有化运动
能带的形成
N个原子，能级N度简并。
原子能级
能带
允带
禁带
●
允带
金刚石结构
硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还 是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高 纯度。
用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
1.1.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所
3、按结构分： 单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全
是金刚石型的。长程有序 多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。 非晶硅：短程有序，长程无序
各种硅材料的电子迁移率
单晶硅锭(片)、多晶硅锭(片)
上述3种分类一般要综合，例如： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 单晶硅锭（片） 多晶硅锭（片）
禁带 允带
电子分布原则：1、能量最低原理 2、泡利不相容原理
1.2.2 导体、半导体、绝缘体的能带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
晶体能带结构
导带底EC: 导带中能量最低的能级
概况 由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.9999999 ％以上）单晶硅
1． 粗硅的制备
粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。
反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、
(1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或 银粉作为催化剂
(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率 (3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管 道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆 炸
SiHCl3的提纯 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯 多晶硅的制备
价带顶EV： 价带中能量最高的能级
空电 穴子 能能 量量
禁带宽度Eg: 导带底与价带顶的能量差
Eg = EC - EV
半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅 则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式 出现。
1.1.3 硅材料的制备
由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响， 所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需求 。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在 先， 物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以从 低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯度 的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染 ，而物理提纯则没有这些污染。
区熔单晶硅(FZ-Si) 主要用于制作电力电子器件(SR、 SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉 单晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电 池等。
浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池 等。
1.1.4 多晶硅材料相关产业链产品 半导体硅系列产品和设备产业链
Cu 等，其中Fe 含量最多。可用酸洗法初步提 纯，高纯硅还需进一步提纯。
2． 多晶硅的制备
由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间 体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅
三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的 主要方法
SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现
单晶硅片（晶圓）
2、按纯度分：
名称
英文缩写
杂质总含量
主要用途
合金级硅
AG-Si
1N源自文库
炼合金
冶金级硅
MG-Si
2N
炼合金及化工等
太阳级硅
SOG-Si
～6N
太阳能电池等
半导体级硅 （电子级）
SEG-Si （EG-Si）
＞9N
半导体芯片等
随着纯度上升，成本呈指数上升
精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl
上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。
3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方 面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯 作用（分凝效应）。 区熔(FZ) 法 直拉法(CZ) ：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种慢慢拉出单 晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是
2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2
SiHCl3性质 又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差，易水解
SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 注意要点
半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
半导体 掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。 温度 、光照、压力等外界因素会使其导电能力改变。
1.1 硅材料浅谈
1.1.1 重要的半导体材料——硅
硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四个 原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原子 可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。
半导体物理基础
主要内容
1.1 硅材料浅谈 1.2 半导体的形成与能带 1.3 本征半导体 1.4 杂质半导体 1.5 费米能级和载流子浓度统计分布 1.6 半导体的导电性 1.7 非平衡载流子
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 电导率范围 导 体: 106~104(cm)-1