半导体硅材料基础知识.1
(整理)半导体基础知识.
1.1 半导体基础知识概念归纳本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。
绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。
绝缘体导电性：极差。
如惰性气体和橡胶。
半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。
半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。
半导体的特点：★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。
自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
半导体硅材料基础知识
半导体硅材料基础知识半导体硅材料，就像是科技世界里的基石，默默支撑着我们现代生活中的无数奇迹。
硅啊，在地球上那可是相当常见的元素，就像人群里那些低调但不可或缺的老实人。
它不像金啊银啊那么耀眼，可一旦到了半导体这个大舞台，那就是大放异彩的主角。
你看，硅原子就像一个个训练有素的小士兵，整整齐齐地排列着。
在硅晶体里，这些小士兵的排列方式那可是相当有讲究的，这种有序的排列就像是精心编排的团体操，每个动作都恰到好处。
说到硅材料在半导体里的作用，那可就太厉害了。
这就好比是盖房子时的砖头，没有砖头，房子可就成了空中楼阁。
电子设备里要是没有硅材料，那那些小巧精致的手机、功能强大的电脑，估计都只能存在于幻想之中了。
硅能够成为半导体的宠儿，是因为它独特的电学性质。
硅原子之间的化学键就像是一条条小轨道，电子就在这些轨道上跑来跑去。
有时候电子很听话，规规矩矩地按照我们的要求运动，有时候又像是调皮的小孩子，需要我们用一些特殊的手段去引导。
硅材料的纯度要求可高啦。
这就像是做一道超级精细的菜，一点点杂质就可能把整道菜搞砸。
从硅矿石到可以用于半导体制造的硅材料，这中间的过程就像是一场漫长的修行。
要经过好多道工序，把那些杂质一点点剔除出去。
这感觉就像是从一群人中挑选出最优秀的精英，容不得一点马虎。
在半导体器件的制造过程中，硅材料又像是一块神奇的画布。
工程师们就像画家一样，在这块画布上进行创作。
他们用各种技术手段，在硅片上制造出晶体管啊、电路啊这些东西。
每一个微小的晶体管就像是一个小小的开关，无数个这样的小开关组合在一起，就能实现各种复杂的功能。
这就好比是用一个个小小的乐高积木，搭建出一个超级巨大又无比复杂的城堡。
硅材料的发展历程也很有趣。
一开始人们可能并没有意识到它有这么大的潜力，就像一颗被遗落在角落里的明珠。
随着科技的发展，人们慢慢发现了硅的独特之处，就像是突然发现了宝藏一样。
然后就开始不断地挖掘它的潜力，让它在各个领域发光发热。
1.1半导体基础知识
P、N两区杂质浓度相等——对称结 P、N两区杂质浓度不相等——不对称结 高掺杂浓度区域 用N+表示
离子密 度小
P
_ _ _ _ _ _
空间电荷 层较厚
+ + + + + +
N+
离子密 度大
空间电荷 层较薄
导电。
半导体－－导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
半导体的几个重要特性： （1） 热敏特性
（2）光敏特性 （3）掺杂特性 半导体导电性能是由其原子结构决定的。
最常用的半导体材料
硅
锗
硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子
受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
二、 PN 结的单向导电性
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半导体的一
端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置， 简称正偏。 PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半导体的一 端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，
简称反偏。 正向偏置——PN结外加正向电压（P＋，N－）
杂质半导体有两种 N (Negative)型半导体 P (Positive)型半导体
一、 N 型半导体
掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
+4
+4
+4
+4
+4
+4
半导体的基本知识
第1章半导体的基本知识1.1半导体及PN结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于10*Q?cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Q cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10°Q?cm-1010Q cm范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20C升高到30C时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10C时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。
《硅半导体材料基础》课件
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利 乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的 原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连 续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性 ，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具 有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形 成异质结构，实现优势互 补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的 硅基材料，探索其在光电 器件和电子器件中的应用 。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高 硅半导体的导电性能和稳 定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善 硅半导体的表面质量和稳 定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递 和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶 格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定 性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度 下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法
硅材料基础知识
基础课件－硅材料基础知识硅材料基础知识主要内容：一、概述二、硅的结构、分类与来源三、硅的物理性质四、硅的化学性质五、硅的物理参数及测量六、硅的应用及注意事项一、概述硅材料的基础知识，课程包括较多，有固体物理、量子力学、半导体物理、半导体化学、半导体器件工艺、半导体材料等方面的知识；内容较多，如半导体电子状态和能级、载流子的发布、导电性、非平衡载流子、P－N结、金属与半导体的接触、表面理论、光电效应、磁电效压阻效应、异质结等。
这里只介绍半导体材料的最基本的内容。
1、材料按导电性能划分，可分为：导体、绝缘体、半导体三类。
导体——容易导电的材料。
如各种金属、石墨等。
一般的，电阻率<0.2Ω·cm 绝缘体——很难导电的材料。
如橡胶、玻璃、背板、EVA、SiO2、Si3N4等。
一般的，电阻率>20000Ω·cm半导体——介于两者之间的材料。
如Si、Ge、GaAs、ZnO等，它具有一些独特的性质。
注：a、金属靠电子导电，溶液靠离子导电，半导体导电靠电子或空穴导电。
b、空穴就是电子的缺少。
2、半导体材料，按组成结构可分为：元素半导体、化合物半导体、非晶半导体、有机半导体。
3、半导体器件对材料的要求：3.1禁带宽度适中（一般0.5～1.5电子伏，硅是1.08）3.2载流子迁移率高（一般1000～5000cm2/V·s）3.3纯度高3.4电阻率要求可靠、均匀（一般0.001～100000 ，硅本征2.3×105）3.5晶体的完整性二、硅的结构、分类与来源1、硅的原子理论1.1元素周期表中，第三周期、第IVA 族元素，原子序数14，原子量28电子排布1S 22S 22P 63S 23P 2 ,化合价为＋4价（＋2价）1.2硅有三种同位素28Si ：92.21％、29Si ：4.70％、30Si ：3.09％、1.3晶体结构：金刚石结构（正四面体），原子间以共价键结合。
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的特性自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]半导体的特性硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。
通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
[下一页]1.1.2 本征半导体在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。
如图所示。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。
价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。
为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子-空穴”对，这一相反过程称为复合。
在一定温度条件下，产生的“电子空穴对”和复合的“电子空穴对”数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时，“电子-空穴对”维持一定的数目。
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微秒是10-6秒）。
所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子——空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡载流子。
对于P型硅而言：新增加的电子叫作非平衡少数载流子；而新增加的空穴叫作非平衡
多数载流子。
对于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少数载流子；而新增加的电子叫作非平衡
多数载流子。
当光照停止后，这些非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。
非平衡载流子的寿命长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，因为硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。
少子寿命是一个重要的参数，用于高能粒子探测器的FZ硅的电阻率高达上万Ωcm，少子寿命上千微秒；用于IC工业的CZ硅的电阻率一般在5—30Ωcm
范围内，少子寿命值多要求在100μs以上；用于晶体管的CZ硅的电阻率一般
在30—100Ωcm，少子寿命也在100μs以上；而用于太阳能电池CZ硅片的电
阻率在0.5—6Ωcm，少子寿命应≥10μs。
5. 氧化量：指硅材料中氧原子的浓度。
太阳能电池要求硅中氧含量＜5×1018原子个数/cm3。
6. 碳含量：指硅材料中碳原子的浓度。
太阳能电池要求硅中碳含量＜5×1017原子个数/cm3。
7、晶体缺陷
另外：对于IC用硅片而言还要求检测：
微缺陷种类及其均匀性；
电阻率均匀性；
氧、碳含量的均匀性；
硅片的总厚度变化TTV；
硅片的局部平整度LTV等等参数。
一、我公司在采购中常见的几种硅材料
1.Cell：称为电池片，常常是电池片厂家外销的产品，它实际是一个单元电池。
2.Wafer：这通常指的是硅片，可能是圆片，也可能是方片。
圆片包括：硅切片，硅磨片、硅抛光片、图形片、污渍片、缺损片。
3.Ingot：常常指的是单晶硅锭，且是圆柱形的硅锭，也有用指多晶硅铸锭的。
4.Polysilicon：通常是指多晶硅料，它又分为棒料、块料、碎料。
5.碳头料(goods with carbon)：通常指多晶硅棒的下部接近石墨头的部分
6.横梁料(beam)：通常是指多晶硅棒最上部的横梁，由于其处在硅棒上部，靠近炉
顶部，且过热（生成温度超过1100℃），也常是金属杂质较多的部分，常不
适合于IC工业，而作为太阳电池材料。
7.头尾料（top and tail）：这是指拉制单晶锭的头部和尾部的部分，它由于电阻率
范围不在IC适用范围内，杂质浓度高（如尾料），或缺陷密度大（如头部料）
而被切下报废，但可作太阳电池的原料。
8.埚底料（Pot scrap）：这是指CZ单晶拉制结束后残留于石英埚底部的余料，常用
作太阳电池片的原料。
9.边皮料（Side walls）：
目前理解方法有两种，一种是单晶锭劈成方锭时取下的料，这应是一种比较好的原料，可用于回炉再次拉制单晶锭。
另一种是浇注硅的大方锭六面劈下的废料（由于上方有浮渣，其余五面接触石英，故需剖下），腐浊清洗后才可再用于浇注硅方锭。
10. 硅渣：这通常是指在对多晶棒进行破碎加工时，粒径＜2cm的渣料，不可再用作拉
单晶使用，但可用于浇注硅，用于太阳能电池工业。
11. 瓜子料(Small pot scrap)：这是在清理埚底料时的残渣,大约有1/3以上是石英碎片,
其余
的硅粒上都存有或多或少的石英渣残留物。
如果我们把那些＞
1cm的硅粒选出来的话，也必须进行腐浊处理，去掉石英渣，
作成免洗料以后才能送去作浇注用料。
思考题:
1、什么是半导体？
2、半导体硅材料的电性能有哪些特点？
3、简述半导体硅材料的制备工艺(分为多晶硅、单晶硅及硅片三部分)？
4、什么是N型半导体？什么是P型半导体？
5、半导体的少子寿命指的是什么？
6、请正确区分Cell Wafer Ingot和头尾料、埚底料、边皮料、碳头料、横樑料
等硅原料。
7、在硅材料采购中应注意哪几个主要参数？。