晶体及半导体材料.答案

体心立方晶格结构 食盐( NaCl ) 晶体分子结构
面心立方晶格结构 铜( Cu )晶体原子结构
晶体结构-分类
▪ 晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶 格类型
• 七大晶系
三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、三方晶系、四方晶系、六方 晶系、立方晶系
• 14种晶格结构
简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心 正交、面心正交、三角、简单四方、体心四方、简单六方、简 单立方、体心立方、面心立方
晶胞
▪ 晶胞
• 晶格的最小单元。晶体以晶胞的结构方式在空间重复排列， 构成了晶体。
* 单晶体：长程有序晶胞重复排列；多晶体：短程有序。
▪ 硅晶胞
共价键
• 一个硅原子与周围 其它四个硅原子以共 价键组成了一个正四 面体晶胞。
源自文库
中心结点
面心立方金刚石晶格结构
▪ 硅、锗、碳的金 刚石晶格结构
• 这一类晶体的晶格 结构统称为面心立 方正四面体金刚石 结构。
• 晶体二极管的原理，交流电转变为直流电的整流技术基础。
半导体其它特性-2
▪ 掺杂效应（杂质敏感性）
• 半导体的电导（阻）率与材料中的杂质元素含量有关 • 高纯半导体材料几乎不导电，极少量的杂质即可大大提高半导体材料
的电导率。
▪ 热敏特性（负温度电阻系数）
• 导电性能随环境温度的改变而明显变化 • 与多数金属导体相反，电阻率随温度升高而降低
扫描电镜下的雪花晶体
小贴士：液晶
▪ 液晶
• 一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具 有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。
• 液晶在正常情况下，其分子排列很有秩序，显得清澈透明，一旦加上 直流电场后，分子的排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深， 因而能显示数字和图象。
本征半导体 ▪ 本征半导体
• 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体(intrinsicsemiconductor) 。
▪ 载流子
• 晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。可以是电子或空穴。
▪ 电子-空穴对
• 本征半导体受到光电注入或热激发时，部分电子会挣脱共价键的束缚， 跃迁成为自由电子。原来位置形成带正电的空位，称为空穴。电子和空 穴合称为电子-空穴对。电子和空穴均能自由移动，称为自由载流子。
950℃ (锗) ，熔化原料； ▪ 使籽晶和坩埚反向旋转，将确定晶向的清洁单晶籽晶插入熔体； ▪ 降低温度到结晶点附近，同时向上提拉籽晶，此时熔体沿籽晶的晶格
结构排列凝固在籽晶周围； ▪ 缓慢扩大结晶部份，待直径达到要求时，控制温度和籽晶向上提拉的
速度，进入等径生长； ▪ 满足要求长度后，升温逐渐收细晶体直径，直至晶体脱离熔体表面，
P型和N型掺杂
▪ P型(IIIA族)掺杂
• B（Al）：最外层有3个价电子。取代晶格结点中硅原子构成共键价时，因 缺少一个价电子而形成一个空穴。其它位置的电子补位可看作空穴的移动。
• 空穴导电型半导体称为P型半导体（Positive-type）。 • P型掺杂称为受主杂质（Acceptor）。
▪ N型(VA族)掺杂
▪ 溶液内生长单晶法
• 通过饱和溶液的析出方法，生长一些可溶性离子晶体。
* 以上方法都不能用于大规模生长单晶体。
目录
▪ 晶体 ▪ 半导体 ▪ 掺杂和杂质
半导体
▪ 导体、绝缘体、半导体
• 导体（Conductor）：容易导通电流的物体。
电阻率小于1×10-5Ω·cm。
• 绝缘体（Insulator）：不容易导通电流的物体。 电阻率大于1×1011Ω·cm。
FZ法工艺示意
籽晶
保护气氛中
加热感应圈
硅锭
夹头 单晶 熔区 底座
FZ法设备和产品-1
FZ法设备和产品-2
其它单晶生长方法
▪ CVD和PVD法
• 化学或物理气相沉积法可在单晶硅/锗片衬底上生长厚度以 微米计的单晶薄膜。
• 气相沉积法可生长出不同单质和化合物材料的单晶薄膜，如 硅衬底上生长碳(金刚石)、砷化镓、磷化铟等薄膜，称为外 延生长。
• 液晶显示屏：Liquid Crystal Display ( LCD )
晶体特性
▪ 一定的几何形状
• 一般为规则的多面体结构。
▪ 各向异性(力学、光学等)
• 晶体在不同方向上具有不同的机械和物理特性。
* 溶融晶体物质结晶（凝固）时在各个方向生长速度不一致。 * 晶体很容易沿粒子密排面（解理面）断裂，断面呈平整面。 * 多晶体内的很多个晶粒排列方向不同，各晶粒的方向性互相抵消；加之晶界的作用，
完成单晶生长。 * 这就是国际主流的直拉单晶工艺(切克劳斯基法)；
直拉法可生长很大直径的单晶体(目前国际上直拉法硅单晶直径已达 300～400mm，12～16")。
保护气氛中 单晶体 硅(锗)熔体
CZ法工艺示意
籽晶 石墨坩埚（锗） 石英坩埚（硅） 石墨加热器
电缆
晶体运转系统（提拉钢 缆或硬轴提拉头）
• 热激发产生的电子跃迁过程称为本征激发。
硅的原子结构
▪ 硅的外层电子排列为1S22S22P63S23P2，如下图所示。最外层的4 个价电子都与邻近的原子构成共价键结构。这时，每两个相邻原 子之间都共用一对电子，使原子的最外层轨道上形成了8个价电 子的稳定原子结构。
最外层价电子
共价键
+14
内层电子
CZ法设备和产品—1
CZ法设备和产品—2
FZ法生长单晶
( Float zone grown crystal ) ▪ 在多晶硅棒上截取一段内外均无裂纹硅锭，或使用模具熔铸出一根硅锭。滚
磨至一定直径，腐蚀清洁处理； ▪ 将硅锭竖直安装在区熔炉底座上。感应圈套在锭外； ▪ 将切割清洁处理的单晶籽晶安装在炉体上端夹头内，并下移与硅锭接触； ▪ 在保护气氛(Ar气)或真空环境中，通过感应加热，使硅锭上产生一段熔化区
• 半导体（Semiconductor）：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物体。 电阻率在1×10-4~1×1010Ω·cm左右的范围内。
导体导电原理
▪ 金属导体
• 绝大多数金属都是导体 • 金属之间以金属键结合为一个整体，原子外层价电子成为自由电子，在电
场作用下产生电流。
▪ 溶液
• 离子晶体的溶液（如氯化钠）内存在正、负两种离子，外加电场时，两种 离子分别向不同的电极性方向运动，产生电流。
▪ 半导体
• 半导体（特别是IVA族硅、锗）原子最外层4个电子，全部互相结合形成 共价键，材料体内没有自由电子，也没有正、负离子。
半导体与晶体
▪ 半导体材料几乎都是晶体
• 半导体材料种类：
单质半导体材料：以锗、硅、碳*为代表。 * 以不同的原子排列方式，碳可呈现不同的性状：
石墨：层状结构，黑色，良导体； 金刚石：四面体金刚石结构，透明，半导体。 * 金刚石薄膜半导体技术是当今方兴未艾的半导体电子学热点。
准的测量中用单位电导率（S/cm）来表示 。
半导体其它特性-1
▪ 光敏特性-光生伏特(打)效应
• 不同导电类型的半导体接触面间形成PN结，在光照下会产生一个电压。 两端引线形成回路则产生电流。
• 太阳电池的应用原理，所以太阳电池产业也称为光伏产业。
▪ 整流效应
• 半导体的导电性与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，两端 加正向电压，导电；电压极性反过来，就不导电。
化合物半导体材料：如GaAs、InP、GaN、SiC和ZnO等 • 化合物半导体材料根据用途分类
主要有半导体材料、微波器件和光电器件几类。
小贴士：电阻率
▪ 电阻率：
• 表示各种物质导电性能和电阻特性的物理量。 • 某种材料制成的长1m、横截面积1mm2的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。 • 符号：ρ。
• P（As、Sb）：最外层有5个价电子。取代晶格结点中硅原子构成共键价时， 多余的第五个价电子容易摆脱磷原子核束缚形成自由电子。
• 电子导电型半导体称为N型半导体（Negative-type）。 • N型掺杂称为施主杂质（Donor）。
* 注意：不论P型或N型半导体，尽管其中有一种载流子占多数，但整个晶体
硅(金刚石)晶格结构 —— 晶胞在空间重复排列
结点 键(虚拟)
单晶和多晶 ▪ 单晶体
• 整个物质内部的原子都按照一定的规律（晶胞结构）定向排列， 组成的物体称为单晶体。
▪ 多晶体
• 由很多不同取向的小尺寸单晶体（晶粒）组成的物体称为多晶体。
单晶硅锭
多晶硅锭
单晶生长
▪ 为什么要生长单晶
• 只有体内原子排列长程有序的单晶体，才能充分表现出材料 的半导体特性，特别是表现出其特异的电学性质，也才能在 电子工业中加以应用。
▪ 单位
• 国际单位制中，电阻率单位是Ω·mm2/m。常用导出单位Ω·m或Ω·cm。 • 1 Ω·mm2/m = 1×10-6Ω·m = 1×10-4Ω·cm * 铜电阻率：1.7×10-6Ω·cm；超纯理想硅电阻率：～50000Ω·cm
* 电导率：
• 物体传导电流的能力，电导率的倒数为电阻率。 • 电导率的基本单位是西门子（S），原来被称为姆欧，取电阻单位欧姆倒数之意。标
原子核
电子-空穴对
硅的本征激发示意
目录
▪ 晶体 ▪ 半导体 ▪ 掺杂和杂质
半导体的掺杂
▪ 掺杂的意义
• 电子-空穴数量相同，在本征半导体体内达到一个动态平衡。即同 一时间既有激发的电子与空穴复合，也有新的位置上价电子的激发。
• 本征激发所产生的自由电子与空穴统称非平衡载流子，数量较少。 正常情况下半导体导电性很弱，没有实际应用意义。
小贴士：自然晶体
▪ 自然界的奇迹
• 自然界非生命形态中最具有规律性美感的物体。 • 所有的宝石都是晶体，而且很多都是单晶体。
水晶（SiO2）单晶体
▪ 晶体结构
晶体结构
• 组成晶体结构的粒子(分子、原子、离子)在空间有规则地排 列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶格。 排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。
晶体及硅材料简介
目录
▪ 晶体 ▪ 半导体 ▪ 掺杂和杂质
晶体
▪ 晶体
• 组成物质的原子、分子或离子在空间呈现具有规律性、周期 性的排列，这样的物质就是晶体。晶体一般呈固体形态 。
* 食盐是氯化钠的结晶体，味精是谷氨酸钠的结晶体，冬天窗户玻璃
上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶体。
食盐（NaCl）晶体
• 为了应用于实际生产、生活中，人们有意识地在高纯半导体中掺入 特定种类和特定数量的杂质，以使半导体表现出特定的电学和光学 等性能。
• 这种人为有意识掺入的杂质称为掺杂杂质。 * 掺杂是在高纯半导体材料基础上进行的，为此，首先要得到高纯材料 。
对半导体粗材料的提纯与掺杂过程相反，是除去材料内原有的不需要 的杂质。
整个多晶体呈现出各向同性。
▪ 固定的熔点
• 达到熔点温度，晶体才会熔化为液体。熔点也是溶融态晶体 的凝固点。
▪ 负电阻温度系数
• 随环境温度升高，材料电阻值降低。
▪ 掺杂特性
• 半导体材料对掺入其中的杂质特别敏感，很微量的杂质就可 以大幅度改变材料的电学、光学性能
* 这种改变可能是降低，也可能是提高某一性能。如杂质降低电电阻率，某些杂质也可 提高硅材料的红外透射性能。
域； ▪ 籽晶与熔区充分熔接后，向上移动籽晶；控制温度，使熔化硅料沿籽晶的晶
格结构排列凝固在籽晶周围。由于硅液的表面张力较大，熔区不会断开； ▪ 随着硅料向上结晶，感应圈和熔区也逐渐向下移动，直至到达硅锭底端，晶
体生长完成。 * 区熔法避免了坩埚和加热器带来的污染，是生长高纯单晶的唯一方法；
区熔法只能生长熔体表面张力较大的单晶材料；受硅熔体自身表面张力的限 制，区熔法生长的单晶直径有限（一般不超过150mm）。
▪ 单晶生长方法
• 工业上的单晶生长方法有两种
直拉（CZ： Czochralski ）法，也称为坩埚法； 区熔（FZ： Float Zone ）法，也称为无坩埚法。
CZ法生长单晶
( Czochralski grown crystal ) ▪ 在石英(硅)或石墨(锗)坩埚内加入清洁处理后的高纯多晶硅(锗)原料； ▪ 在保护气氛(Ar气)或真空环境中，石墨加热器加热到1450℃(硅)或
▪ 各向异性
• 作为固体晶体，半导体也具有显著的物理和机械的各向异性
半导体材料用途
▪ 电子元器件
• 分离元器件：半导体二极管、晶体管（三极管）、 可控硅（闸流管）。
各种LED（发光二极管）、光热-电传感元器件。
▪ (极)大规模集成电路
• 以个人电脑CPU为代表的集成电路芯片。
▪ 太阳电池
• 几乎95%以上的太阳电池都使用半导体硅材料制作。