第二章半导体材料
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第二章半导体材料
• 元素：同种原子构成的最简单的物质，具 有特定的物理和化学性质
• 分子：由两个或更多的原子构成，通过化 学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一 个独立单元
• 化合物：由两个或更多的原子构成，形成 一种性质不同于组分原子的新物质
第二章半导体材料
• 电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的 轨道，每个壳层对应了一个特定的能级， 以从K到Q得字母来区分。
• 电离：从原子中移去电子的过程，产生了 带正电的原子或分子。
• 离子键：当价层电子从一种元素的原子转 移到另一个原子上时，形成离子键。
• 共价键：不同元素的原子共有价层电子， 原子通过共有电子来使价层完全填充而变 得稳定。
第二章半导体材料
2.1.2元素周期表 • 原子结构的规则 1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子 2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任
子从价带移动到导带很困难，有很低的电 导率和很高的电阻率。 半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚 酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是 绝缘体。
第二章半导体材料
• 电容 电容是被电介质分隔开的两个导电极板上 的电荷存储装置。 在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层 隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。 介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
第二章半导体材料
IB：最好的金属导体 Cu正在取代AL的互连导体材料的位置
IVB~VIB：难熔（高熔点）金属，一般用于 半导体制造中以改善金属化（尤其 是Ti、W、Mo、Ta和Cr） 与Si反应良好，形成具有优良电学 特性的稳定化合物
第二章半导体材料
2.2材料分类 根据流经材料电流的不同可分为三类材料： • 导体 • 绝缘体 • 半导体
• 寿命：一个电子从导带移出直到复合所经历的时 间。
热能促使电子—空穴对持续不断的产生并随之复合。
第二章半导体材料
• 电导率与电阻率
材料传导电流的性质称为导电性。
用电阻率（ ）来表征材料的导电性。电阻率越低
的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与
几何形状无关。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米
VA：5个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主 要是P和AS）
第二章半导体材料
VIA：6个价电子 VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性
腐蚀性 非常活泼 形成离子键 在某些半导体应用中有用：作为刻蚀 和清洗化合物而使用
第二章半导体材料
VIIIA：8个价电子 稳定，不活泼 惰性气体 应用在半导体制造的某些方面是安全的
何两种元素有相同数目的质子。“原子序数” 就等于原子中质子的数目。 3、有相同最外层电子数的元素有着相似的性 质。
第二章半导体材料
4、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是 稳定的，在化学性质上比最外层未填满的 原子更稳定。
5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的 条件。
第二章半导体材料
2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性 IA ：一个价电子，容易失去，低负电性
第二章半导体材料
• 空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空 位
• 电子—空穴对：每个导带电子必定存在一个价带 空穴与之对应，价带电子能够跃 入空穴的位置，从而推动电子的 移动和导电。这种状态称之为电 子—空穴对。
第二章半导体材料
• 复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能 量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复 合。
以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。用公
式表示：
1
C
第二章半导体材料
• 电阻 电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。
R
l
面积
硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要 参数。更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加 了非理想效应的热损耗。
第二章半导体材料
2.2.2绝缘体 绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电
第二章半导体材料
• 概述 了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半 导体材料重要角色的关键。掌握这些知识， 为理解简单的半导体器件如何能充当复杂 微芯片世界的一部分提供了基础。
第二章半导体材料
• 目标 通过本章学习，能够： 1.能够列出至少三种半导体材料 2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯
片制造中的重要性 3.解释N型和P型半导体材料在组成和电性能
第二章半导体材料
2.2.1导体 导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只
需很小的能量。 在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子， 容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。 在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材 料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属 层之间的互连材料。 铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅 片制造中取代铝。
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
第二章半导体材料
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
不稳定 非常活泼，爆炸性 形成离子键 由于污染问题，不推荐使用这族金属
第二章半导体材料
IIA：2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属
第二章半导体材料
IIIA：3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要 是B） 普通的互连导电材料（AL）
第二章半导体材料
IVA：4个价电子 半导体材料 形成共价键
方面的不同 4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料
第二章半导体材料
2.1原子结构 ➢自然界中任何事物都是由96种稳定元素和
12种不稳定元素组成的。不同原子结构决 定了不同的元素特性。 ➢著名物理学家尼尔斯·玻尔最早把原子的基 本结构用于解释Biblioteka Baidu同元素的不同物理、化 学和电性能。
第二章半导体材料
2.1.1玻尔原子模型 带正电的质子和不带电的中子集中在原子 核中，带负电的电子围绕原子核在固定的 轨道上运动。 带正电的质子和带负电的电子之间存在着 吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动 的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。 每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一 个特定的电子轨道被填满后，其余的电子 就必须填充到下一个外层轨道上。
• 元素：同种原子构成的最简单的物质，具 有特定的物理和化学性质
• 分子：由两个或更多的原子构成，通过化 学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一 个独立单元
• 化合物：由两个或更多的原子构成，形成 一种性质不同于组分原子的新物质
第二章半导体材料
• 电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的 轨道，每个壳层对应了一个特定的能级， 以从K到Q得字母来区分。
• 电离：从原子中移去电子的过程，产生了 带正电的原子或分子。
• 离子键：当价层电子从一种元素的原子转 移到另一个原子上时，形成离子键。
• 共价键：不同元素的原子共有价层电子， 原子通过共有电子来使价层完全填充而变 得稳定。
第二章半导体材料
2.1.2元素周期表 • 原子结构的规则 1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子 2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任
子从价带移动到导带很困难，有很低的电 导率和很高的电阻率。 半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚 酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是 绝缘体。
第二章半导体材料
• 电容 电容是被电介质分隔开的两个导电极板上 的电荷存储装置。 在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层 隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。 介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
第二章半导体材料
IB：最好的金属导体 Cu正在取代AL的互连导体材料的位置
IVB~VIB：难熔（高熔点）金属，一般用于 半导体制造中以改善金属化（尤其 是Ti、W、Mo、Ta和Cr） 与Si反应良好，形成具有优良电学 特性的稳定化合物
第二章半导体材料
2.2材料分类 根据流经材料电流的不同可分为三类材料： • 导体 • 绝缘体 • 半导体
• 寿命：一个电子从导带移出直到复合所经历的时 间。
热能促使电子—空穴对持续不断的产生并随之复合。
第二章半导体材料
• 电导率与电阻率
材料传导电流的性质称为导电性。
用电阻率（ ）来表征材料的导电性。电阻率越低
的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与
几何形状无关。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米
VA：5个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主 要是P和AS）
第二章半导体材料
VIA：6个价电子 VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性
腐蚀性 非常活泼 形成离子键 在某些半导体应用中有用：作为刻蚀 和清洗化合物而使用
第二章半导体材料
VIIIA：8个价电子 稳定，不活泼 惰性气体 应用在半导体制造的某些方面是安全的
何两种元素有相同数目的质子。“原子序数” 就等于原子中质子的数目。 3、有相同最外层电子数的元素有着相似的性 质。
第二章半导体材料
4、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是 稳定的，在化学性质上比最外层未填满的 原子更稳定。
5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的 条件。
第二章半导体材料
2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性 IA ：一个价电子，容易失去，低负电性
第二章半导体材料
• 空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空 位
• 电子—空穴对：每个导带电子必定存在一个价带 空穴与之对应，价带电子能够跃 入空穴的位置，从而推动电子的 移动和导电。这种状态称之为电 子—空穴对。
第二章半导体材料
• 复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能 量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复 合。
以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。用公
式表示：
1
C
第二章半导体材料
• 电阻 电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。
R
l
面积
硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要 参数。更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加 了非理想效应的热损耗。
第二章半导体材料
2.2.2绝缘体 绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电
第二章半导体材料
• 概述 了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半 导体材料重要角色的关键。掌握这些知识， 为理解简单的半导体器件如何能充当复杂 微芯片世界的一部分提供了基础。
第二章半导体材料
• 目标 通过本章学习，能够： 1.能够列出至少三种半导体材料 2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯
片制造中的重要性 3.解释N型和P型半导体材料在组成和电性能
第二章半导体材料
2.2.1导体 导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只
需很小的能量。 在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子， 容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。 在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材 料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属 层之间的互连材料。 铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅 片制造中取代铝。
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
第二章半导体材料
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
不稳定 非常活泼，爆炸性 形成离子键 由于污染问题，不推荐使用这族金属
第二章半导体材料
IIA：2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属
第二章半导体材料
IIIA：3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要 是B） 普通的互连导电材料（AL）
第二章半导体材料
IVA：4个价电子 半导体材料 形成共价键
方面的不同 4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料
第二章半导体材料
2.1原子结构 ➢自然界中任何事物都是由96种稳定元素和
12种不稳定元素组成的。不同原子结构决 定了不同的元素特性。 ➢著名物理学家尼尔斯·玻尔最早把原子的基 本结构用于解释Biblioteka Baidu同元素的不同物理、化 学和电性能。
第二章半导体材料
2.1.1玻尔原子模型 带正电的质子和不带电的中子集中在原子 核中，带负电的电子围绕原子核在固定的 轨道上运动。 带正电的质子和带负电的电子之间存在着 吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动 的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。 每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一 个特定的电子轨道被填满后，其余的电子 就必须填充到下一个外层轨道上。