硅材料基础知识

导体：导体是很容易导电的物质，电阻率约为10-6-10-8Ωcm,

绝缘体：极不容易或根本不导电的一类物质。

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，目前已知的半导体材料有几百种，适合工业化的重要半导体材料有：硅、锗、砷化镓、硫化镉，电阻率介于10-5-1010Ω（少量固体物质如砷、锑、铋，不具备半导体基本特性，叫做半金属。

冶金级硅（工业硅）：将自然级自然界的SI02矿石冶炼成元素硅的第一步，冶金级硅分为两类：1、供钢铁工业用的工业硅，硅含量约为75%。2、供制备半导体硅用，硅含量在99.7%-99.9%，它常用作制备半导体级多晶硅的原料。

多晶硅：1、改良西门子法，2、硅烷法，3、粒状硅法。

改良西门子法：多晶硅生产的西门子工艺，在11000C左右德高纯度硅芯上还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。过程：1、原料硅破碎；2、筛分（80目）——沸腾氯化制成液态的SIHCL3——粗馏提纯——精馏提纯——氢还原——棒状多晶硅——破碎——洁净分装。

硅烷法：原料破碎——筛分——硅烷生成——沉积多晶硅——棒状多晶——破碎、包装。单晶硅：硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体，纯度要求达到99.9999%甚至达到99.9999999%用于制造半导体器件、太阳能电池等。

区域熔炼法：制备高纯度、高阻单晶的方法。

切克劳斯基法（直拉法）：制作大规模集成电路、普通二极管和太阳能电池单晶的使用方法。硅棒外径滚磨：将单晶滚磨陈完全等径的单晶锭。

硅切片：硅切片是将单晶硅原锭加工成硅圆片的过程（内圆切片机刀口厚度在300-350um，片厚300-400um。线切机刀口厚度不大于200u，片最薄可达200-250u.）.

硅磨片：一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50-100u，用磨片的方法去除硅片表面的划痕，污渍和图形，提高硅片表面平整度。用内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。

倒角：将硅切片的边沿毛刺、崩边等倒掉。

抛光片：大规模集成电路使用的硅片。

硅材料电性能的三个显著特点：

1、对温度的变化十分灵敏，当温度提高时，电阻率将大幅度下降。

2、微量杂志的存在对电子的影响十分显著，纯硅中加入百万分之一的硼，电阻率就会

从2.14*103下降至4*10-3Ω。

3、半导体材料的电阻率在受到光照时会改变其数值大小。

本征硅：绝对纯净没有缺陷的硅晶体称作本征硅，本征硅中导电的电子和空穴都会由于其价键破裂而产生。体内电子和空穴浓度相等。

N型硅：在纯硅中掺入V族元素（如、磷、砷等），能够提供自由电子的杂质统称为施主杂质，掺入施主杂质的硅叫N型硅。以电子为多数载流子的半导体。

P型硅：在纯硅中掺入III型元素（如硼）以后，具有接受电子的杂质成为受主杂质，掺入受阻杂质的硅叫做P型硅。以空穴为多数载流子的半导体。

单晶：一块晶体如果从头到尾按照同一种排列重复下去叫做单晶体，

多晶：许多微小单晶颗粒杂乱的排列在一起称为多晶体。

晶体中的缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、孪晶、旋涡、杂质条纹、堆垛层错、氧化层错、滑移线等

电阻率：

高能粒子探测器：要求几千乃至上万Ω的FZ单晶。

大功率整流器件：SCR（可控硅）要求300——1000Ω的FZ单晶。

IC（集成电路）：5-30Ω的CZ单晶。

太阳能单晶：P型（100）0.5-6Ω的CZ单晶。

少子寿命：半导体中非平衡少数载流子平均存在的时间长短，单位是US。

非平衡载流子：当半导体中载流子产生于复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如收到光纤照射时新增加的电子——空穴对，新增加的载流子叫做非平衡载流子。对P型而言，新增加的电子叫做非平衡少数载流子，新增加的空穴叫做非平衡多数载流子。N型正好相反。

注意：光照停止后，非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合消失，它们存在的平均时间就叫做非平衡载流子寿命。

非平衡载流子寿命反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构完整性，所含杂质以及缺陷的多少，硅晶体中缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。

检测方法：直流光电导衰减法、高频光电导衰减法、微波光电导衰减法、表面光电压法、光电流法、电子束感生电流法、MOS电容法。

少子寿命要求：高能粒子探测器FZ硅的电阻率要求上万Ωcm,少子寿命上千微秒。

IC工业的CZ硅少子寿命在100us以上；晶体管极CZ硅的少子寿命在100us以上，，太阳能电池CZ硅片的少子寿命不小于10us。

氧化量：硅材料中氧原子数量浓度。太阳能电池要求氧含量小于5*1018原子个数/cm3

碳含量：硅材料中碳原子浓度。太阳能电池要求碳含量小于5*1017原子个数/cm3

IC用硅片要求检测：

微缺陷种类及均匀性，电阻率均匀性

氧碳含量均匀性

TTV（总厚度变化）、LTV(局部平整度）

导电类型测量方法：冷探针法、热探针法、整流法、霍尔效应法。

电阻率：单位长度、单位面积下的物体的电阻值、电阻率直接反应其导电能力大小，某一物体的电阻率是他电导率的倒数。在一定的温度条件下，半导体材料的电阻率直接反应了材料的纯度。电阻率测量方法：二探针法、四探针法、扩展电阻法、范德堡法、涡流法、光电压法。

载流子浓度：在一定温度条件下，内部处于热平衡的半导体中，电子和空穴的浓度基本保持一定，此时的电子及空穴的浓度叫做平衡载流子浓度。

测量方法：三探针击穿电压法、微分电容法、二次谐波法、红外线等离子发射光谱法、红外吸收法。

应用：

FZNTD：硅整流器、可控硅、智能功率器件、

FZGD：半导体功率器件、绝缘栅双极晶体管、

CZ：二极管、三极管、集成电路

FCZ：高效太阳能

FZ：高反压器件、光电子器件

MCZ：集成电路器件、分立器件

硅晶体生长缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

点缺陷：自间隙原子、空位、外来原子，根据热力学原理，晶体中一定会产生本征点缺陷，并聚集成为微缺陷。（结晶过程中形成。）

线缺陷：最常见为产生位错，范围性变形，分为刃位错（位错线与滑移矢量垂直时形成的位错）和螺位错（位错线与滑移矢量平行时形成的位错）