材料科学与技术答案
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杂质能级上的束缚电子很易 被（热和电）激发到导带
Sb
0.04
P As Ec 0.044 0.049 Ed
Si单晶
Eg 1.1eV
Ev
5价杂质原子向导带提供电子 5价杂质原子：施主杂质
eE / kT
室温下施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子或空穴数
N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子
电场 Si
导带电子
其导电过程实质 上是电场的作用 下价电子向空穴 的跳跃过程
等效于带正电的空穴沿与价电子相反方向的运动
空穴带正电量： e
本征半导体导电： 导带电子和价带空穴的共同贡献
电导率： nee meh
n, m : 导带电子和价带空穴的数密度。
本征半导体: m n
nee meh ne(e h )
3C-SiC の積層順序 6H-SiC の積層順序
4H-SiC の積層順序
本征Si 原子键合与导电机制：
电场 Si
导带电子
导带电子和价带 空穴成对出现:
每当一个电子从价带被激发到导带， 便在价带中留下一个电子空位， 空穴
导带电子: 准自由电子、可在电场的作 用下定向运动、形成电流
价带空穴: 等效载流子
Ge : Eg 0.7eV
化合物半导体：
IV-IV 族： SiC
宽禁带、大功率半导体材料
SiC与Si的物性比较
物性
熔点 oC
3C-SiC 2839
禁带宽 eV
2.2
击穿场强 V / cm 3106
4H-SiC 6H-SiC 2700 2800
2.9
3.2
2.5106 3106
Si 1420 1.1
四、半导体
半导体: 本征半导体和非本征半导体（参杂半导体） （一）本征半导体
本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体
能带特征：
价带全满、导带全空、禁带中无能级
Eg 0.2 ~ 3eV
EC
分类： 四族元素半导体和化合物半导体 EV
导带
禁带 Eg
价带
四族元素半导体：
Si : Eg 1.1eV
本征半导体
3105
热导率 W / cmoC 4.9
4.9
5.0
1.5
III-V 族： GaAs, InSb（锑化铟） II-VI 族： CdS（硫化镉）， ZnTe（碲化锌）
把一对Si原子和C 原子看作一个小球
若把第一层作为A层， 第2层有B和C两种可能， B上的层有C和A两种可能， C上的层有A和B两种可能，
P 型半导体：电子使少数载流子；空穴是多数载流子
meP
3、半导体掺杂工艺 掺杂： 将微量的施主或受主杂质加入本征半导 体中、使之成为 N 或P型半导体的过程 掺杂物： 被掺入的物质
掺杂工艺方法：扩散法和离子注入法
（1）扩散法：气相法和预沉积、高温热处理法 a、气相法：置硅片于 1000 — 1100 oC 的扩散炉中， 扩散炉中充满掺杂原子气体。
轰击Si基板
轰击深度：取决于杂质原子的质量、 加速电压、及基板的表面状态
基板的晶格损伤可在适当 可在室温下进行、能精确控制掺杂
的温度下退火处理消除
浓度和深度、适于集成电路制作
五、绝缘体
禁带宽度大、常温下价电子不能被激发到导带、电导率低 绝缘材料的主要性能指标：
电阻率、介电系数、介质损失和介电强度 （一）体电阻率和面电阻率
nee
2、P型半导体
空位
掺杂原子：Al, B, Ga 3价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge中
3价原子的周围共价 键缺一个电子、周围 价电子很容易被激发 到这个电子空缺上
缺电子的位置 可看作与杂质 原子结合微弱 的空位。
3价B原子
结合能： 0.1eV
价电子向空位跳跃的过程等效于空位向价带的运动
杂质半导体：对本征半导体掺杂、实现改变其电性或 获得某种功能
杂质半导体分类：N型半导体和 P型半导体（掺杂种类不同）
1、N型半导体
掺杂原子：P, As, Sb 5价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge 中
束缚电子
未键合电子受杂质原子的束缚很弱
结合能： 0.1eV
5价P原子
N型半导体能带结构
5价杂质原子掺入相当在 导带底引入施主杂质能级
e , h : 导带电子和价带空穴的迁移率。 通常： e h
材料
Si Ge GaP GaAs InSb CdS ZnTe
本征半导体基本参数
Eg , eV , 1 m1 e , m2 /(s V ) h , m2 /(s V )
1.11 4104
0.14
0.05
0.67 2.2
0.38
2.25
0.05
1.35
106
0.85
0.17 2104
7.7
2.40
0.03
0.18 0.002
0.45 0.07
2.26
0.03
0.01
第三章 材料的物性
第一节 材料的电性质
一、欧姆定律 二、固体电子能带结构 三、金属的电阻
四、半导体
（一）本征半导体 （二）非本征半导体 — 杂质半导体
（二）非本征半导体 — 杂质半导体 实际使用的半导体都是杂质半导体
控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数： 温度、时间、气相中掺杂原子浓度
b、预沉积、高温热处理法：
比气相法更易 精确控制掺杂
预沉积杂质层 热处理
Si基板
扩散层 Si基板
控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：
掺杂浓度和深度由 温度和时间决定
杂质量由预沉积层厚度决定
（2）离子注入法：
50~100kV电压 加速杂质离子
2、面电阻率 （1）平行电极
RS V / IS S b / L
电极
A 试样
b : 电极间Байду номын сангаас， L : 电极长度
S RS L / b ( / s.q)
（2）对环状电极
芯电极 环电极
A
RS
V / IS
r2 r1
S
dr
3价杂质原子：受主杂质
接受来自价带的电子
P 型半导体能带结构 3价杂质原子掺入相当在 价带顶引入受主杂质能级 价带电子很易被（热和 电）激发到受主能级上
等效于空位被激发到价带中、成为空穴
Ec
Si单晶
Eg 1.1eV
0.045 0.057 0.065 Ea B Al Ga Ev
室温下受主激发在价带中产生的空穴 数远大于本征激发的电子或空穴数
体电阻率：表征载流子在材料体内输运时的能耗特征 面电阻率：表征载流子在材料表面或界面输运时的能耗特征
测量方法： 欧姆定律
电极被蒸镀 电极
1、体电阻率
在试样上
A
RV V / IV V d / A
试样
d :试样厚度
A : 电极面积
RV V / IV V d / A
V (VA) /(IV d) RV A / d
Sb
0.04
P As Ec 0.044 0.049 Ed
Si单晶
Eg 1.1eV
Ev
5价杂质原子向导带提供电子 5价杂质原子：施主杂质
eE / kT
室温下施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子或空穴数
N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子
电场 Si
导带电子
其导电过程实质 上是电场的作用 下价电子向空穴 的跳跃过程
等效于带正电的空穴沿与价电子相反方向的运动
空穴带正电量： e
本征半导体导电： 导带电子和价带空穴的共同贡献
电导率： nee meh
n, m : 导带电子和价带空穴的数密度。
本征半导体: m n
nee meh ne(e h )
3C-SiC の積層順序 6H-SiC の積層順序
4H-SiC の積層順序
本征Si 原子键合与导电机制：
电场 Si
导带电子
导带电子和价带 空穴成对出现:
每当一个电子从价带被激发到导带， 便在价带中留下一个电子空位， 空穴
导带电子: 准自由电子、可在电场的作 用下定向运动、形成电流
价带空穴: 等效载流子
Ge : Eg 0.7eV
化合物半导体：
IV-IV 族： SiC
宽禁带、大功率半导体材料
SiC与Si的物性比较
物性
熔点 oC
3C-SiC 2839
禁带宽 eV
2.2
击穿场强 V / cm 3106
4H-SiC 6H-SiC 2700 2800
2.9
3.2
2.5106 3106
Si 1420 1.1
四、半导体
半导体: 本征半导体和非本征半导体（参杂半导体） （一）本征半导体
本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体
能带特征：
价带全满、导带全空、禁带中无能级
Eg 0.2 ~ 3eV
EC
分类： 四族元素半导体和化合物半导体 EV
导带
禁带 Eg
价带
四族元素半导体：
Si : Eg 1.1eV
本征半导体
3105
热导率 W / cmoC 4.9
4.9
5.0
1.5
III-V 族： GaAs, InSb（锑化铟） II-VI 族： CdS（硫化镉）， ZnTe（碲化锌）
把一对Si原子和C 原子看作一个小球
若把第一层作为A层， 第2层有B和C两种可能， B上的层有C和A两种可能， C上的层有A和B两种可能，
P 型半导体：电子使少数载流子；空穴是多数载流子
meP
3、半导体掺杂工艺 掺杂： 将微量的施主或受主杂质加入本征半导 体中、使之成为 N 或P型半导体的过程 掺杂物： 被掺入的物质
掺杂工艺方法：扩散法和离子注入法
（1）扩散法：气相法和预沉积、高温热处理法 a、气相法：置硅片于 1000 — 1100 oC 的扩散炉中， 扩散炉中充满掺杂原子气体。
轰击Si基板
轰击深度：取决于杂质原子的质量、 加速电压、及基板的表面状态
基板的晶格损伤可在适当 可在室温下进行、能精确控制掺杂
的温度下退火处理消除
浓度和深度、适于集成电路制作
五、绝缘体
禁带宽度大、常温下价电子不能被激发到导带、电导率低 绝缘材料的主要性能指标：
电阻率、介电系数、介质损失和介电强度 （一）体电阻率和面电阻率
nee
2、P型半导体
空位
掺杂原子：Al, B, Ga 3价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge中
3价原子的周围共价 键缺一个电子、周围 价电子很容易被激发 到这个电子空缺上
缺电子的位置 可看作与杂质 原子结合微弱 的空位。
3价B原子
结合能： 0.1eV
价电子向空位跳跃的过程等效于空位向价带的运动
杂质半导体：对本征半导体掺杂、实现改变其电性或 获得某种功能
杂质半导体分类：N型半导体和 P型半导体（掺杂种类不同）
1、N型半导体
掺杂原子：P, As, Sb 5价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge 中
束缚电子
未键合电子受杂质原子的束缚很弱
结合能： 0.1eV
5价P原子
N型半导体能带结构
5价杂质原子掺入相当在 导带底引入施主杂质能级
e , h : 导带电子和价带空穴的迁移率。 通常： e h
材料
Si Ge GaP GaAs InSb CdS ZnTe
本征半导体基本参数
Eg , eV , 1 m1 e , m2 /(s V ) h , m2 /(s V )
1.11 4104
0.14
0.05
0.67 2.2
0.38
2.25
0.05
1.35
106
0.85
0.17 2104
7.7
2.40
0.03
0.18 0.002
0.45 0.07
2.26
0.03
0.01
第三章 材料的物性
第一节 材料的电性质
一、欧姆定律 二、固体电子能带结构 三、金属的电阻
四、半导体
（一）本征半导体 （二）非本征半导体 — 杂质半导体
（二）非本征半导体 — 杂质半导体 实际使用的半导体都是杂质半导体
控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数： 温度、时间、气相中掺杂原子浓度
b、预沉积、高温热处理法：
比气相法更易 精确控制掺杂
预沉积杂质层 热处理
Si基板
扩散层 Si基板
控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：
掺杂浓度和深度由 温度和时间决定
杂质量由预沉积层厚度决定
（2）离子注入法：
50~100kV电压 加速杂质离子
2、面电阻率 （1）平行电极
RS V / IS S b / L
电极
A 试样
b : 电极间Байду номын сангаас， L : 电极长度
S RS L / b ( / s.q)
（2）对环状电极
芯电极 环电极
A
RS
V / IS
r2 r1
S
dr
3价杂质原子：受主杂质
接受来自价带的电子
P 型半导体能带结构 3价杂质原子掺入相当在 价带顶引入受主杂质能级 价带电子很易被（热和 电）激发到受主能级上
等效于空位被激发到价带中、成为空穴
Ec
Si单晶
Eg 1.1eV
0.045 0.057 0.065 Ea B Al Ga Ev
室温下受主激发在价带中产生的空穴 数远大于本征激发的电子或空穴数
体电阻率：表征载流子在材料体内输运时的能耗特征 面电阻率：表征载流子在材料表面或界面输运时的能耗特征
测量方法： 欧姆定律
电极被蒸镀 电极
1、体电阻率
在试样上
A
RV V / IV V d / A
试样
d :试样厚度
A : 电极面积
RV V / IV V d / A
V (VA) /(IV d) RV A / d