半导体硅资料基础常识

10
10
二、半导体材料的分类：
对半导体材料的分类方法很多，但常见的是将半导体材料分 为以下四类： 元素半导体：常见的有硅、锗等。 化合物半导体：部分Ⅲ—Ⅴ族元素和Ⅱ—Ⅵ族元素形成的化合物 具有半导体的特性，且被广泛应用。如：Ⅲ—Ⅴ族化合物： GaAs、InP等。 Ⅱ—VI族化合物：CdTe、CdS等。 有机半导体——现已发现部分有机化合物也具有半导体的特性 。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青以及一些芳香类化合物等。 无定形半导体：无定形硅（a硅）和微晶半导体即属此类，其应 用价值正在开发之中。
9 9
半导体硅材料基础知识
半导体芯片的身影。就连我们常用的计算器、手机、电子 表、数码相机、数码DV等的芯片都是由半导体硅作的芯 片而制成的。 迄今全球仅100亿美元的多晶硅材料支撑起约500亿美元的 单晶硅及硅片的全球市场。然而就是这些材料支持了大约 2000亿美元的电力电子工业，5000亿美元的集成电路产 业和约100亿美元的太阳能电池产业。如果说半导体硅材 料在前50年的发展主要是在集成电路行业的话，时至今日 ，当人类面临越来越严峻的能源危机时，它将快速进入为 人类提供清洁环保能源的行列。在未来的数十年里，硅片 将为我们提供更多、更好的清洁能源。
2
2
目录
四、半导体硅材料的加工 1.硅切片 2.硅磨片 3.硅抛光片 五、半导体硅材料的电性能特点 六、半导体硅材料的主要性能参数 1.导电类型 2.晶体结构及缺陷 3.电阻率 4.少子寿命 5.氧、碳含量 6.晶体缺陷
3
3
目录
七、半导体的主要电性能参数及其测量方法
八、硅中的杂质及其测量方法
半导体硅材料基础知识
半导体硅材料基础知识讲座
李本成
2007/06/25
1
1
目录
一、什么是半导体？ 1.导体（Conductor） 2.绝缘体（Insulator） 3.半导体（Semiconductor） 二、半导体材料的分类 1.元素半导 2.化合物半导体 3.有机半导体 4.无定形半导体 三、半导体硅材料的制备 1.冶金级硅（工业硅）的制备 2.多晶硅的制备 3.单晶硅的制备
，世界上的物质在导电性能上为什么会有这样的差异呢？ 知道，世界上所有的物质都是由原子构成的，在原子的中心位置 一个带正电荷的原子核，某一原子所带正电荷的多少正好等于它在 周期表中的原子序数，而原子核外则存在着一系列不连续的、
6 6
半导体硅材料基础知识
由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正好等于 子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下，整体上处于 中性状态。我们常常把原子核最外层那些离原子核最远的电子叫 价电子。这些价电子受原子核的束缚较弱，在外电场或其它外力 如光照）的作用下，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子。 属导体之所以容易导电，是因为在金属体内存在着大量的自由电 ，在外电场的作用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反 向流动，这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外 场的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大，它 导电性能越好，其电阻率就越低。 电子流动时运载着一定的电荷量，我们把这种能运载电量的粒 叫作载流子。在半导体中，电子和空穴都可以运载电量，我们把 们统称为载流子。常温下，绝缘体内只有极少极少的自由电子， 此，它对外不呈现导电性。而半导体内都存在少量的自由电子或 穴，所以在一定的条件下，它呈现出一定的导电性。
7 7
半导体硅材料基础知识
以硅（Si）为例，硅的原子序数是14，硅的原子核 带有14个正电荷，其核外应有14个电子分为三 层绕核运动，第一层2个电子，第二层8个电子 ，最外层4个电子。 （如图示）
硅原子结构示意图
88ຫໍສະໝຸດ 半导体硅材料基础知识通常我们把原子核最外层的电子叫作价电子，Si原子外层有4个价电 子，因此它是4价元素。在一定的条件下，这4个价电子就可能脱离 原子核的束缚而成为自由电子，从而使之呈现出一定的导电性。 半导体材料从1782年发现其在导电性方面的某些特点而被称为“半 导体”以来，在其研究领域不断取得新的突破，1883年人们发明 了硒整流器。1931年英国科学家威尔逊发表了半导体的能带理论 ，首次提出了本征半导体和掺杂半导体，施主和受主等概念。 947年人们制得了锗的点接触晶体管，同年发现了锗的PN结光伏 效应。1954年制作出硅的PN结太阳电池。1959年由美国的贝尔实 验室制成了仅有三个电子原件组成的世界上第一个集成电路。 半导体硅材料从发现、发展至今不过200多年的历史，由于它的特 殊性质而在电力电子、微电子和光电转换领域获得了广泛的应用。 如今人们谈论半导体犹如谈论粮食和钢铁一样，已是我们生活中不 可或缺的。我们的家用电器、电脑和几乎所有的自动控制系统无处 不有
5
5
半导体硅材料基础知识
emiconductor）： 指导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，我们统称为半导 现有已知的半导体材料有近百种，比较适用且已工业化的重要半导 料有：硅、锗、砷化镓、硫化镉等。半导体的电阻率一般在10-5— Ωcm。 一提的是还有少量固体物质,如砷、锑、鉍等，它们的电阻率比一 属导体要高出100~1000倍，但却不具备半导体材料的基本特性， 能称作半导体，我们把它叫做半金属。因此半导体材料的定义应该 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材
一、什么是半导体？ 大家知道，如果我们用物质的存在状态来区分 世界上的各类物质的话，就可以分为气体、液 体和固体三大类。 但是如果我们用导电性能来区分世界上的各种 物质的话，也可以分为三大类，即：导体、绝 缘体和半导体。 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容易传 导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材料 。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们 的电阻率极低，大约是10-6—10-8Ωcm。如金 属铜的电阻率仅为1.75×10-8Ωcm。 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不导电 的一类物质，如：玻璃、橡胶、石英等材料。 绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电 阻率＞108Ωcm。