硅材料的电学及化学性质

硅的电学性质

半导体材料的电学性质特点：一是导电性介于导体和绝缘体之间,其电阻率约在10-4－1010Ω.cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光\热\磁)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当硅中掺入微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加,例如,向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。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结构和工作基础。

硅也存在不足之处，硅的电子迁移率比锗小。尤其比GaAs小。所以简单的硅器件在高频下工作时其性能不如锗或GaAs高频器件。此外，GaAs等化合物半导体是直接禁带材料，光发射效率高，是光电子器件的重要材料，而硅是间接禁带材料，由于光发射效率很低，硅不能作为可见光器件材料。

硅的化学性质

硅在自然界以化合物状态存在。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。硅容易和氧、氮等物质发生作用，他可以在400℃与氧，在1000℃与氮进行反应。直拉法制备硅单晶时，要使用超纯石英坩锅。石英坩锅与硅熔体反应：

Si+ SiO2＝2SiO(1400℃)反应产物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在硅中，从而增加了熔硅中氧的浓度，是硅中氧的主要来源。硅的一些重要的化学性质如下：

Si+O2＝SiO2

Si+2H2O= SiO2+2H2↑

这两个反应是硅平面工艺中在硅表面生成氧化层的热氧化反应。二氧化硅十分稳定，这一特点是二氧化硅膜在器件工艺中起着极为重要的作用。由于SiO2膜容易热氧化生成以及可以通过化学腐蚀选择性去除，因此，能够使用光刻方法实现器件小型化，是精密结构变为现实Si+2CL2= SiCL4 Si+3HCL= SiHCL3+H2↑

这两个反应是制造高纯硅的基本反应及材料。

硅对多数酸是稳定的。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸和王水。但硅却很容易被HF-HNO3的混酸所溶解。因此使用此类混酸作为硅的腐蚀液，反应式为：

Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2↑+4H2O

在此反应式中HNO3作为氧化剂，没有氧化剂存在，HF就不容易与硅反应。

HF加少量的镉酸酐CrO3的溶液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂。硅和稀碱溶液作用也能显示硅中缺陷。硅和NaOH或KOH能直接作用生成相应的硅酸盐而溶于水中：

Si+2NaOH＋H2O＝Na2SiO3+2H2↑。

硅与金属作用生成多种硅化物。TiO2、WSi、MoSi2等化物具有良

好的导电、耐高温、抗电迁移等特性，可以用于制备集成电路内部的引线、电阻等元件。

硅的力学和热学性能

室温下硅无延展性，属于脆性材料。当温度高于700℃时硅具有热塑性，在应力作用下会程现塑性变形。硅的抗拉应力远大于抗剪应力，所以硅片容易破碎。

抗弯强度是指试样破碎时的最大弯曲应力，表征材料的抗破碎能力。A．硅单晶内残留应力和表面加工损伤对其机械性能有很大的影响，表面损伤越严重，机械性能越差。但热处理后形成二氧化

硅层对损伤能起到愈合作用，可提高材料的强度。

B．硅中塑性变形数据是位错滑移的结果，位错滑移面{111}面。晶体中原生位错和工艺诱生位错及他们的移动对机械性能起着重

要的作用。在室温下，硅的塑性变形不是热激发机制，而是由

于劈开产生晶格失配位错造成的。

C．杂质对硅单晶的机械性能有着重要的影响，特别是氧、氮等元素的原子或通过形成氧团及硅氧氮络合物等结构对位错起到

“钉扎”作用，从而改变材料的机械性能使硅片强度增加。

硅在熔化时体积缩小，反过来，从液态凝固时体积膨胀。正是由于这个因素，在拉制硅单晶结束后，剩余硅熔体凝固会导致石英坩锅破裂。

导体和非导体的能带模型

能带理论可以说明导体、半导体、绝缘体的区别，如图说示。金属导

体有被电子部分占据的能带，称为导带。在导带中，空态的能量与被

占态的能量相连。能带填充情况很容易被占态的能量相接。能带填充

情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。

由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1—2eV左右，会有少量电子从

高的满带跃迁到空带，成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自

由电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导

电性。绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。

第二章硅材料的测试与分析

1.导电型号仪

导电性号仪属于硅单晶的常规测量参数之一，目前测量的方法有：整流法、热电动势法、双电源动态电导法和赫尔效应法。现在被广泛采用的仪器将两种或两中以上的方法结合在一台仪器中运用。现主要介绍整流法和热电动势法。

A整流法

将一直流微安表、一个交流电源与半导体上的两个接触点串联起来，（其中一个触电必须是欧姆接触，另外一个是整流接触）那么直流微安所指示的电流的方向指示出半导体材料的导电型号。整流触点通常采用一个金属点接触（探针）即可；欧姆接触点较难处理，经常采用大面积夹紧获得。

三探针结构能消除制备欧姆触点的困难。在样品表面压以1、2、3顺序的三个探针，在1、2探针间接上交流电源，2、3探针间接以直流微安表，同样可以根据直流微安表所指示的电流方向确定半导体材料的导电型号。在示波器上观察图形可以检查上述方法的工作状况。如果图形对称，则说明该方法无效，必须采用其他类型的导电型号测量装置。引起图形对称的原因可能是由于电阻率非常低，或是由于两个触点具有同样程度的整流效应。

B.

热电动势法

热探针和N 型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处电子缺少，因而其电势相对于同一材料上的室温接触点而言将是正的。同样道理，对P 型半导体热探针相对室温接触点而言将是负的。热探针的结构可以是将小的加热线圈绕在一个探针的周围，也可以用小型电烙铁。次电势差可以用简单的微伏表测量，也可以用更灵敏的电子仪器放大后测量。也可以用共线三探针装置测量，让电流在最边上的一个探针1和与其相邻的另一个探针2之间流动，使半导体内产生温度梯度，这样2、3二个探针将处于不同的温度而产生电势差，由此既能判别型号。热电动势法测量装置的应用范围一般只限于低阻材料。如果电阻率足够高，热探针可能使材料处于本征状态。这样电子迁移率总是高于空穴迁移率，测量结果将都是指示出材料为N 型。为了防止这种情况的产生，可以用冷探针来代替热探针，其原理与热探针完全相同。