硅的晶体结构
第一章 硅的晶体结构
替位式杂质
34
举例Si中掺 四、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
35
电离结果： 电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺 子数增加了，这也是掺 施主的意义所在 施主的意义所在
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体 导体称为电子型或 型半导体
3
1.1 硅晶体结构的特点
1.1.1 晶胞
一、基本概念
晶格： 晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞： 晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整 个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即 可产生整个晶格。
4
单晶体： 单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体： 多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶 体。
n型杂质 型杂质
38
举例Si中掺 五、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
39
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
电离结果： 电离结果：价带中的 空穴数增加了， 空穴数增加了，这也 掺受主的意义所在 是掺受主的意义所在
10
1.1.3 原子密度
例题： 硅在300K时的晶格常数a为 5.43Å。请计算出每立方厘米体积 中的硅原子数及常温下的硅原子密 度。 解： 每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占 的空间体积为a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3） 密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德 罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3
第一章 硅的晶体结构
m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这 三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、 m3]，称为晶向指数。
14
3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
(或米勒指数)。
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 ( 1 00) {hkl} ：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 1 )六个平面。 (0 1 0)， ( 1 00)， {100}表示(100)，(010)，(001)， [hkl]：代表一晶体的方向，如 [100]方向定义为垂直于 (100) 平 面的方向，即表示 x 轴方向。而 [111] 则表示垂直于 (111) 平面的 方向。 <hkl> ：代表等效方向的所有方向组，如 <100> 代表 [100] 、 [010]、[001]、 [ 1 00]、 [0 1 0]、 [00 1 ] 六个等效方向的族群。
间隙式杂质
替位式杂质
24
1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分
晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的 交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
3 4 r Si / 3 则空间利用率为： 34% 3 a /8
空隙为66%
12
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
一、晶列
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行 直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向 不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。
硅单质的结构
硅单质的结构
硅单质是一种晶格结构为类似于正方体的八面体结构，它是由四个硅原子形成的八面体结构，它们之间分别连接在一起，形成一个较大的立方体状。
硅单质是由四个硅原子围绕中心点排列，构成一个八面体结构，每个八面体有六个外部硅原子，每个外部硅原子又与另外三个外部硅原子相连，而连接的距离称为硅单质的类似正方体的八面体结构。
硅单质的物理性质与其八面体结构密切相关，其特性表现为高弹性、高折射率、高介电常数以及很高的熔点。
硅单质结构也具有良好的光学性能，如高偏振透过率、低色散、低折射率以及良好的可见光稳定性。
此外，由于硅单质的结构极具稳定性，因此它也具有高度的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性。
硅单质的电学性质也是其独特的性质之一，由于硅单质的八面体结构，其导体性能也较佳，同时，由于其八面体结构使得硅单质具有较高的介电常数，因此也具有较高的介电特性。
此外，硅单质具有较高的热稳定性和热导率，可在极端温度条件下工作而不发生形变。
硅单质的八面体结构也使得它具有极强的化学稳定性，它可以抵抗许多有害的物质的侵蚀，并且具有良好的
防腐能力。
此外，由于硅单质具有极低的气体吸附能力，因此它也可以用于制造真空器件或储存容器。
总之，由于硅单质的结构具有良好的物理性质、光学性质和电学性质，以及极高的化学稳定性和防腐能力，因此它被广泛应用于太阳能电池、集成电路、电子元件、磁性材料和生物传感器等领域。
硅的晶体结构
自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。
固态物质可根据它们的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。
具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。
所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。
这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。
最小的晶格，称为晶胞。
晶胞的各向长度，称为品格常数。
将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。
晶体又分为单晶体和多晶体。
整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。
整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体，称为多晶体。
在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。
非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序’’的排列，所以又称为无定形态。
一般的硅棒是单晶硅，粗制硅(冶金硅)和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以为无定形硅。
硅(S1)的原子序数为14，即它的原子核周围有14个电子。
这些电子围绕着原子核按一层层的轨道分布，第一层2个，第二层8个，剩下的4个排在第三层，如图所示。
另图为硅的晶胞结构。
它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1／4互相套构而成。
这种结构被称为金刚石式结构。
硅(Si)锗(Ge)等重要半导体均为金刚石式结构。
1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结，这4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。
硅单晶的制备方法：按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。
区熔拉制的单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧/厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。
由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。
大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。
单晶硅晶体结构
单晶硅晶体结构单晶硅是用于制造微电子器件的显微结构材料，是一种半导体材料。
它的特性是它有着优异的晶体结构特征，如高晶格密度，低晶粒尺寸，稳定的晶体构造和具有良好的抗对比性。
这些特性使其成为重要的半导体材料，用于制造微电子集成电路和其他电子器件。
单晶硅晶体结构由两种原子组成：硅原子和氧原子。
硅原子有四颗电子，其中两颗电子形成一个稳定的八面体构型，另外两颗电子可以被氧原子吸收。
氧原子有六颗电子，其中四颗电子形成一个稳定的十二面体构型，另外两颗电子可以被硅原子吸收。
在构型上，氧原子就像是把四个硅原子“抓住”，形成一个正方体的构型。
一个正方体的单晶硅晶体结构可以放置在一起，形成任意大小的单晶硅晶体结构。
单晶硅晶体具有优良的特性，使其能够深入研究和制造微电子器件。
其优良的晶体结构特征包括：高晶格密度、低晶粒尺寸、稳定的晶体构造和良好的抗对比性。
高晶格密度是单晶硅晶体结构的一个重要特征，晶体中的原子由极紧凑的正方体构型组成，硅原子和氧原子的排列结构为硅网格八面体氧的九面体结构，晶粒的尺寸可以非常小，低于微米级别。
这使单晶硅晶体结构具有良好的电学特性，能够表现出较高的电绝缘性，减少电子器件的漏电现象，使电子电路稳定性得到提高。
稳定的晶体构造也是单晶硅晶体结构的一个重要特征，单晶硅晶体结构拥有优异的热稳定性，可以耐受温度较高的工作环境，可以更好地满足产品的现场应用。
此外，单晶硅晶体结构还有良好的抗对比性，这样可以使电子器件能够稳定地工作，可以降低噪声，提高信号质量。
单晶硅晶体结构的优良特性使其成为重要的微电子集成电路材料，用于制造微电子集成电路、传感器、光电元件等等。
自从20世纪60年代以来，单晶硅已经成为电子工业的骨干材料，广泛应用于各类现代电子设备，是电子产品高效率可靠运行的重要保障。
综上所述，单晶硅晶体结构具有优异的晶体结构特性，如高晶格密度、低晶粒尺寸、稳定的晶体构造和具有良好的抗对比性。
它的优良特性使其得以成为重要的半导体材料，用于制造微电子集成电路和其他电子器件，是电子产品高效率可靠运行的重要保障。
硅的晶体结构课件
04
硅晶体结构的应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体工业中的应用
硅晶体是半导体工业中最重要 的材料之一，用于制造集成电 路、微处理器、晶体管、太阳 能电池等。
硅晶体的高纯度、低缺陷密度 和优良的电学性能使其成为制 造电子器件的理想材料。
硅晶体在半导体工业中的应用 已经取得了巨大的经济效益和 社会效益。
氧化性
硅在高温下能与氧气发生反应， 生成二氧化硅，这是一种具有高
硬度的玻璃态物质。
还原性
在特定条件下，硅能与一些强还 原剂发生反应，生成硅烷等有机
硅化合物。
硅晶体结构的电学性质
导电性
硅晶体结构是一种半导体材料， 其导电性能介于导体和绝缘体之 间。在一定条件下，硅可以表现 出优良的导电性能。
光导性
硅在特定波长的光线照射下，能 吸收光能并转换为电能，这是制 造太阳能电池的基础原理之一。
强方向性
硅晶体中的共价键具有强 方向性，这使得硅晶体具 有高度的结晶性和各向异 性。
共价键性质
硅晶体中的共价键属于定 域键，其电子云主要集中 在相邻原子的轨道重叠区 域，形成稳定的化学键。
03
硅晶体结构的性质
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
硅晶体结构的物理性质
空间格子
硅晶体的空间格子是由两个面心立 方点阵沿特定方向嵌套而成，这种 结构使得硅晶体具有较高的硬度和 化学稳定性。
晶胞参数
硅晶胞参数为a=b=c=5.43埃， α=β=γ=90°，每个晶胞中含有2个 硅原子。
硅晶体结构的键合方式
01
02
03
单晶硅晶格
单晶硅晶格
单晶硅是一种高纯度的硅材料，其晶体结构具有非常有序的排列方式。
它是由硅原子组成的晶体，每个硅原子都与周围的四个硅原子形成共价键，形成了一个类似于钻石结构的晶格。
单晶硅的晶格结构属于面心立方（FCC）晶系，也被称为钻石型晶体结构。
在晶格中，硅原子按照一定的规律排列，形成了一个连续的晶体结构。
单晶硅的晶格可以用三维笛卡尔坐标系来描述。
每个硅原子位于坐标点上，而硅原子之间的连接线则代表共价键。
晶格的基本单元是一个正方形平面，在这个平面上，硅原子沿着两个方向重复排列。
每个硅原子周围都有四个相邻的硅原子，这是因为硅原子具有四个价电子，能够与其他硅原子形成稳定的共价键。
通过这种方式，晶格中的硅原子形成了一个高度有序的网络结构。
单晶硅的晶格结构对于半导体产业非常重要。
它具有良好的电子传导性能和热导性能，使其成为制造半导体器件的理想材料。
此外，由于单晶硅晶格的高度有序性，它还具有优异的机械性能和光学性能，在太阳能电池等领域也得到广泛应用。
总而言之，单晶硅晶格是由硅原子组成的面心立方结构，具有高度有序的排列方式。
它在半导体和太阳能电池等领域发挥着重要作用。
1。
硅的晶体结构
1.1.4 晶体内部的空隙
z
B
C
例题: 假使将圆球放入一体心立方
晶格中，并使中心圆球与立方体八
A
个角落的圆球紧密接触，试计算出
D
a3
这些圆球占此体心立方晶胞的空间
8
y
比率。 圆球半径定义为晶体中最小
原子间距的一半，即 3a / 8。
x
解：球的体积为：4rS3i
3
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a3 / 8
三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、
m3]，称为晶向指数。
13
3..2.2 晶面
一、定义
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
12
2. 晶向指数
以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任 一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：
L l1x l2 y l3z
给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可 由连接晶列中相邻格点的矢量：
A m1x m2 y m3z
的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、 m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这
z
z
B
C
A D
y
x
x
5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
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自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。
固态物质可根据它们
的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。
具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。
所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。
这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。
最小的晶格，称为晶胞。
晶胞的各向长度，称为品格常数。
将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。
晶体又分为单晶体和多晶体。
整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。
整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体，称为多晶体。
在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。
非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序’’的排列，所以又称为无定形态。
一般的硅棒是单晶硅，粗制硅(冶金硅)和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以为无定形硅。
硅(S1)的原子序数为14，即它的原子核周围有14个电子。
这些电子围绕着原子核按一层层的轨道分布，第一层2个，第二层8个，剩下的4个排在第三层，如图所示。
另图为硅的晶胞结构。
它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1／4互相套构而成。
这种结构被称为金刚石式结构。
硅(Si)锗(Ge)等重要半导体均为金刚石式结构。
1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结，这
4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。
硅单晶的制备方法：按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。
区熔拉制的单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧/厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。
由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。
大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。
直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧/厘米以下的硅单晶。
由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。
大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。
外延片衬底单晶也用直拉法生产。
硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。
外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。
目前，市场上所供应的单晶硅多是以有坩埚直拉(CZ)法制备而成的，下面是直拉硅单晶生长控制主要过程示意单晶硅与多晶硅的区别
单晶硅与多晶硅的区别
单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。
如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。
多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。
例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。
多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。
单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。
大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。
目前，人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。
单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。
高纯度硅在石英中提取，以单晶硅为例，提炼要经过以下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。
冶金级硅的提炼并不难。
它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。
这样被还原出来的硅的纯度约98-99%，但半导体工业用硅还必须进行高度提纯(电子级多晶硅纯度要求11个9，太阳能电池级只要求6个9)。
而在提纯过程中，有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。
我国每年都从石英石中提取大量的工业硅，以1美元／公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料，以46-80美元／公斤的价格卖给我国的太阳能企业。
得到高纯度的多晶硅后，还要在单晶炉中熔炼成单晶硅，以后切片后供集成电路制造等用。
什么是单晶硅
可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。
在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。
北京2008年奥运会将把“绿色奥运”做为重要展示面向全世界展现，单晶硅的利用在其中将是非常重要的一环。
现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能硅单晶的利用将是普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。
河北宁晋单晶硅工业园区正是响应这种国际趋势，为全世界提供性能优良、规格齐全的单晶硅产品。
单晶硅产品包括φ3”----φ6”单晶硅圆形棒、片及方形棒、片，适合各种半导体、电子类产品的生产需要，其产品质量经过当前世界上最先进的检测仪器进行检
验，达到世界先进水平。
图：
区熔硅单晶(float zone silicon crystal)
用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。
由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。
用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。
由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。
用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其。
漩涡缺陷有害，它使载流子寿命下降，进而导致器件特性劣化。
在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大。
这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗电流尖峰。
在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。
90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。
晶向一般为<111)和<100>。
(1)气相掺杂区熔硅单晶。
N型掺磷、P型掺硼。
无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×10“at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3。
氧浓度<1×1016at／cm3。
电阻率范围和偏差列于表2，少子寿命值列于表3。
(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。
N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×1016at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3，氧浓度<1×1016at／cm3，电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4。