第三章元素半导体材料ppt课件.ppt
第三章 元素半导体,李斌斌,元素半导体材料,3.1 硅3.2 锗3.3 硼、磷、硒和碲等,周期表中与半导体相关元素,3.1 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。,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。,地壳中各元素的含量,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,玛瑙,石英坩埚,光导纤维,3.1.1 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。,14Si,32Ge,晶体硅,晶体硅为钢灰色，密度2.4 gcm3，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、氟气反应高温下，较活泼,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4 +2H2,Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2,Si + O2 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,3.1.2 硅的晶体结构,10928,硅原子,SiO2四面体,氧原子,能带结构,间接带隙结构价带：轻空穴和重空穴,补充：有效质量,有效质量的意义,引进有效质量后，半导体中电子所受的外力和加速度的关系和牛顿第二定律类似；描述电子运动方程中出现的是有效质量，而不是惯性质量m0当有外力作用下，电子一方面受到外电场力的作用，同时还和其它电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果但找出内部势场的具体形式并求加速度比较困难，引进有效质量后，就可以把内部势场概括在有效质量里,有效质量与能量函数关系,能带越窄，二次微商越小，有效质量越大；能带越宽，二次微商越大，有效质量越小；内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。,轻空穴和重空穴,轻空穴有效质量小重空穴有效质量大,3.1.3 电学性质,本征载流子浓度 1. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。 2. 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。 3. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。,晶体中电子的E(k)与K的关系,补充：如何推导出NC,能态密度：在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数,费米分布,在热平衡条件下，电子按其能量大小具有一定的统计分布规律，也就是说电子在不同能量的量子态上统计分布机率是一定的。,导带中的电子浓度,在能量EEdE间的电子数dN,导带底能带密度Nc,价带顶的空穴浓度,Nv表示价带顶能带密度,本征载流子浓度,1. 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关2. 对于一个给定的半导体材料，乘积只取决于温度T，与所含杂质无关,Si的本征载流子浓度,温度T=300 K，Eg=1.12 eV,电导率和电阻率,电导率电阻率,轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3,中度掺杂 掺杂浓度为10171019 cm-3,重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3,杂质离子100%电离,载流子浓度低于掺杂浓度,习题1,本征硅的电导率,轻掺杂半导体,习题2,掺杂P浓度为11017 cm-3,3.1.5 硅中的杂质,1. n型掺杂剂：P，As，Sb2. p型掺杂剂：B3. 轻元素杂质：O，C，N，H，O4. 过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni,O的危害,热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷；,C的危害,C会降低击穿电压，增加漏电流；C会促进氧沉淀和新施主的形成；C会抑制热施主的形成,H的作用,H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现；H在硅中形成H-O复合体H能促进氧的扩散和热施主的形成；H会钝化杂质和缺陷的电活性；H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能,过渡金属的危害,在硅中形成深能级中心或沉淀而影响器件的电学性能；减少少子扩散长度从而降低寿命；形成金属复合体，影响器件和材料的性能,2.1.6 硅中的缺陷,原生缺陷二次缺陷外延材料中的缺陷,3.1.7 硅的用途,高纯的单晶硅是重要的半导体材料；金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；光导纤维通信，最新的现代通信手段；性能优异的硅有机化合物等,1）重要的半导体材料,硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件,太阳能电池,2）高温材料,金属陶瓷的重要材料： 将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。,宇宙航行的重要材料 耐高温隔热层，航天飞机能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。,3）光导纤维通信,用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。,3.2 锗,1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium）以纪念他的祖国。Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子材料目前，Ge电子器件不到总量的10%，主要转向红外光学等方面。,锗的分布,锗在地壳中含量约为210-4%，但分布极为分散，常归于稀有元素；1. 在煤和烟灰中；2. 与金属硫化物共生；3. 锗矿石,锗的制取,锗来源稀少，通常先将各种锗废料氯化成四氯化锗；制取的四氯化锗经过精馏，萃取等提纯水解生成二氧化锗；用氢气还原成高纯锗进一步区熔提纯成高纯锗,3.3 硼、磷等,见教材,
