半导体材料特性课件.pptxVIP

半導體材料特性1

2.1原子結構原子由三種不同的粒子構成：中性中子和帶正電的質子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉的帶負電核的電子，質子數與電子數相等呈現中性。圖2.1碳原子的基本模型2

電子能級：原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層：原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學和物理性質具有顯著的影響，只有一個價電子的原子很容易失去這個電子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。圖2.2鈉和氯原子的電子殼層3

2.2化學鍵2.2.1離子鍵當價電子層電子從一種原子轉移到另一種原子上時，就會形成離子鍵，不穩定的原子容易形成離子鍵。圖2.3NaCl的離子鍵4

2.2.2共價鍵不同元素的原子共有價電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價層完全填充變得穩定。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。圖2.4HCl的共價鍵5

2.3材料分類-能帶理論6

導體導體在原子的最外層通常有一些束縛鬆散的價電子，容易失去，金屬典型地具有這種價電子層結構。在一般的半導體製造中，鋁是最普遍的導體材料，可以用來充當器件之間的互連線，而鎢可作為金屬層之間的互連材料。銅是優質金屬導體的一個例子，逐漸被引入到矽片製造中取代鋁充當微晶片上不同器件之間的互連材料。7

絕緣體絕緣體的價電子層不具有束縛鬆散的電子可用於導電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價帶電子和導帶電子。半導體製造中的絕緣體包括二氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）和聚醯亞胺（一種塑膠材料）。半導體半導體材料具有較小的禁帶寬度,其值介於絕緣體（2eV）和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。圓片製造中最重要的半導體材料是矽。8

週期表中半導體相關元素週期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B碳C氮N3鋁Al矽Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te

2.4矽矽是一種元素半導體材料，因為它有4個價電子，與其他元素一起位於週期表中的ⅣA族。矽中價層電子的數目使它正好位於優質導體（1個價電子）和絕緣體（8個價電子）的中間。10

矽的晶體結構109o28′

地殼中各元素的含量

2.4.1矽作為電子材料的優點原料充分；矽晶體表面易於生長穩定的氧化層，這對於保護矽表面器件或電路的結構、性質很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學特性好，線熱膨脹係數小，2.5×10-6/℃，熱導率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；化學性質穩定，常溫下只有強鹼、氟氣反應；機械性能良好。13

2.4.2純矽純矽是指沒有雜質或者其他物質污染的本征矽。純矽的原子通過共價鍵共用電子結合在一起。+4+4+4+4共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。14

2.4.3摻雜矽在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴。N型矽——在本征矽中摻入五價雜質元素（例如磷、氮），主要載流子為電子。P型矽——在本征矽中摻入三價雜質元素（例如硼、鎵、銦），主要載流子為空穴。15

N型矽多餘電子磷原子矽原子SiPSiSi16

P型矽空穴硼原子SiSiSiB矽原子17

2.5可選擇的半導體材料2.5.1元素半導體——Ge、Si最初大量使用的半導體材料是鍺。1947年第一只電晶體用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為067V熱穩定性差最高工作溫度只有85℃。矽具有很多優點，地球上儲量豐富，易於提純，熱穩定性好，在表面可生長品質很高的二氧化矽層，工作溫度可達160℃。矽幾乎成了半導體的代名詞，全球矽積體電路年產值在2400億美元左右。18

2.5.2化合物半導體——GaAs、InP砷化鎵等材料的電子遷移率差不多是矽材料的6倍。它們的峰值電子速度也是矽飽和速度的2倍多。禁帶寬度和臨界擊穿場強也比矽高，因此是製造高頻電子器件的理想材料。目前砷化鎵是化合物半導體的主流材料，全球砷化鎵高頻電子器件和電路的年產值24億美元。磷化銦器件的電子遷移率高達10000cm2/V﹒s，比砷化鎵還高，所以其高頻性能更好，工作頻率更高，且有更低的雜訊和更高的增益。目前在100GHz左右的3mm波段多數都用磷化銦器件。19

2.5.3寬頻隙半導體——SiC、GaN