半导体物理

（2.2）物理提纯

物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提 纯等，使用最多的是区域精制。
区域熔炼技术,即将半导体材料铸成锭条,从锭条的 一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在 凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一 端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去 掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料。

1）杂质的概念

杂质包括物理杂质和化学纯度 物理杂质－－晶体缺陷，包括位错和空位等


化学杂质－－是指基体以外的原子以代位或填 隙等形式掺入 现在，半导体材料的纯度达到并超过了 99.9999999%，常称为“九个9”

例子：

纯硅在室温时的电导率为5×10－6/欧姆厘米
当掺入百万分之一的杂质时，虽然纯度仍 有99.9999%，导电率却提高了一百万倍。
地壳中各元素的含量
2.1.3 硅的分布

硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％， 在自然界中是没有游离态的硅 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。


SiO2
水晶
光导纤维
玛瑙
石英坩埚
2.1.4 硅的化学性质

原子序数14，相对原子质量28.09，有无 定形和晶体两种同素异形体，属于元素 周期表上IVA族的类金属元素。
掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导 电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为受 主杂质。如在 Si中掺入III族的硼(B)元素。
当半导体中掺有施主杂质时，主要靠受主提供的 空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型 半导体。
半导体掺杂
杂质补偿
单位体积（通常指每立方厘米）杂质的数量称为杂质浓度； 杂质浓度分为电子浓度n和空穴浓度p。
不同的体单晶生长技术

直拉技术－－应用最广，80%的硅单晶、大部分 锗单晶 悬浮区熔法－－生长高纯硅单晶 水平区熔法－－生产锗单晶 垂直定向结晶法－－生长碲化镉、砷化镓 国际上的产品主要是12英寸以上的单晶硅，最大 尺寸达24英寸。




半导体外延生长技术

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延生长。

尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了活泼的金 属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中分离出来的途 径。 1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius J.J.)用金属钾还 原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，首次制得较纯的 粉状单质硅。


1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯化物熔盐 电解法制得晶体硅。

光生伏特效应



1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导体在磁场中受力，发 现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称 为“霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、 电阻率、霍尔系数等重要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五
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2）半导体材料的提纯

提纯的主要目的是去除半导体材料中的杂质
提纯方法可分化学法和物理法。 化学提纯是把元素先变成化合物进行提纯，再将 提纯后的化合物还原成元素； 物理提纯是不改变材料的化学组成进行提纯



化学提纯

化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏 等，使用最多的是精馏。 电解：利用金属活动顺序的不同，阳离子在阴极 析出 精馏：利用回流使液体混合物得到高纯度分离的 方法
14Si
32Ge
晶体硅

晶体硅为钢灰色，密度2.4 g／cm3，熔点1420℃，沸点 2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性 质。
硅
化学性质稳定

常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应
①Si+2F2=SiF4
②Si+4HF=SiF4 ↑+2H2↑

高温下，较活泼
Si + O2
△
③Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2↑

区熔法示意图
3）半导体单晶生长技术

为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对 半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的 基体材料一般采用单晶体。
单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄 膜单晶的制备。

半导体体单晶生长技术


1950年，蒂尔（G.K. Teal）用直拉法制备出了 Ge 单晶。 体单晶基本上是由熔体生长法制成
半导体掺杂
施主(Donor)掺杂
掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提 供导电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂 质称为施主杂质。如 在Si中掺入V族的P 和As。 当半导体中掺入施主杂质，并主要靠施主提供的电 子导电，这种靠电子导电的半导体称为N型半导体。
半导体掺杂
受主(Acceptor)掺杂
第二章半导体物理和器件
物理基础
半导体物理和器件物理基础
2.1 半导体及其基本特性 § 2.2 PN结 § 2.3 金属半导体接触 § 2.4 双极晶体管 § 2.5 MOS场效应晶体管
§
2.1 半导体及其基本特性
什么是半导体？ 金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带； 半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带； 绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽； 半导体的特点： 1. 电导率随温度上升而指数上升； 2. 杂质的种类和数量决定其电导率； 3. 可以实现非均匀掺杂； 4. 光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其 电导率；

在1880年就发现了半导体材料的五大特性： 整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光 生伏特效应和霍尔效应 但半导体科学却没有取得迅猛的发展，主要原 因在于： 1. 半导体材料的不纯 2. 半导体物理理论的不完善
扩散理论

1939年，莫特（N.F. Mott）和肖特基（W. Schottky）各自独立地提出可以解释阻挡 层整流的扩散理论。




法拉第 M. Faraday (1791~1867)，英国英国物理学家、化学家，现 代电工科学的奠基者之一。 电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。 法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电磁感应定律是他的 一项最伟大的贡献 。 1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料，发现了负的电阻温 度系数，即随着温度的升高，电阻值下将。 负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一



1873年，英国史密斯W.R. Smith用光照在硒的表面，发现了硒的光 电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。 所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种 物理现象。 光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。 光电导效应是半导体材料的特有性质之二

光电导示意图
如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质 外延 如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异 质外延


外延生长的优点

1. 外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不 依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶生长 需要进行杂质掺杂。 2. 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的 外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的 制备尤为重要。 3. 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备， 如GaN

金属
阻挡层
半导体

能带论、导电机理模型和扩散理论这三个 相互关联逐步发展起来的半导体理论模型， 便大体上构成了确立晶体管这一技术发明 目标的理论背景。
2.1.7 半导体材料工艺的发展

另一方面的突破是半导体材料工艺的发展
半导体材料工艺可概括为提纯、单晶制备和杂质 控制。
当一块半导体中同时含有施主和受主杂质时，受主 和施主在导电性上会相互抵销，这种现象叫做杂质 的“补偿” 。 在有补偿的情况下，决定导电能力的 是施主和受主浓度之差。 当施主数量超过受主时，半导体就是N型的；反之， 受主数量超过施主，则是P型的。
生长技术

体单晶生长技术 单晶生长通常利用籽晶在熔融高温炉里拉伸得到 的体材料 ，半导体硅的单晶生长可以获得电子级 （99.999999%）的单晶硅
硅的共价键结构
金刚石结构
最重要的半导体材料是硅

硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃及就 已经用石英砂为原料制造玻璃。


由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么酸也不能 侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们把它看成是不能再 分的简单物质。 大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸作用发现 氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石复杂组成的大门。


多层膜外延生长
外延生长的技术

外延生长的技术有汽相、液相、分子束外延等。
采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延； 采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相 外延;


2.1.8 杂质的掺杂

半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂 质原子和晶体缺陷有很大关系：
一方面，电阻率 、载流子迁移率和非平衡载流子 寿命等一般随杂质的增加而减小，希望尽可能的 提高半导体材料的纯度；

化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V 族化合物，如，GaAs(砷化镓)，InSb(锑化 铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用 于光电器件、半导体激光器和微波器件。
硅半导体的结构
原子结合形式：共价键；
形成的晶体结构：
构 成 一 个正四面体， 具 有 金
刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。


1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体硒和金属接触 在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏打效应。 光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为 太阳能电池。 1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池， 效率为4%。 光生伏特效应是半导体材料的特有性质之四
霍尔效应示意图
P型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方向为x 方向 BZ z y x d
b

fE fB

v Ix
L
2.1.2. 常见半导体材料及其结 构

单一元素半导体(IV族)：硅（Si）、锗(Ge)

硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产 业用量最大、也是最重要的半导体材料；
SiO2
表面易纯化，形成本征二氧化硅 层

二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用： 1. 对杂质扩散起掩蔽作用；
2. 对器件的表面保护和钝化作用
3. 用于器件的绝缘隔离层 4. 用作MOS器件的绝缘栅材料等
2.1.5 硅的晶体结构
109º 28´
[SiO2]四面体
氧原子
2.1.6 半导体发展中所受到的限制



布劳恩 K.F. Braun (1850~1918)，德国物理学家。 布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理学奖。 1874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，在 它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来， 它就不导通，这就是半导体的整流效应。 整流效应是半导体材料的特有性质之三


另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不 开各种杂质原子的作用。
杂质的掺杂

1. 先生长出纯净的半导体材料，再按照需要 外加的掺入不同的杂质； 2. 一边生长半导体材料的同时，一边加入所 需要的杂质

• 电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况 下，是靠晶体内部原子本身的热运动提供 的。常温下，硅里面由于热运动激发价健 上电子而产生的电子和空穴很少，它们对 硅的导电性的影响是十分微小的。 • 室温下半导体的导电性主要由掺入半导体 中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，这 是半导体能够制造各种器件的重要原因。

2.1.1半导体材料的发现历史 伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。 一 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。 从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究 领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电 性能介于它们之间的“半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor” （半导体）