【文章內(nèi)容簡介】 。 。 ，堿和溶劑的不同。 。 、分子和離子的定義。 。 原子結(jié)構(gòu) 玻爾原子 要想理解半導(dǎo)體材料就必須了解原子結(jié)構(gòu)的基本知識。 原子是自然界的基本構(gòu)造單元。自然界中的任何事物都是由96種穩(wěn)定12種不穩(wěn)定的元素組成。每一種元素都有不同的原子結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)決定了元素的不同特性。 黃金的特性也是由黃金的原子結(jié)構(gòu)決定的。如果一塊黃金不斷地被分割而變小，那么最終會留下一小塊，依然能呈現(xiàn)出黃金的特性，這一小塊就是原子。 進(jìn)一步分下去，就會產(chǎn)生組成每個原子的三個部分。它們被稱作亞原子粒子，也就是質(zhì)子，中子和電子。這些亞原子粒子各有其特性。要組成金原子就要求這些亞原子粒子有特定的組合和結(jié)構(gòu)。著名物理學(xué)家尼爾斯?玻爾最早把原子的基本結(jié)構(gòu)用于解釋不同元素的不同物理、化學(xué)和電性能（）。 e=電子 +=質(zhì)子 N=中子 O=未填充電子位置 玻爾原子模型 在玻爾的原子模型中，帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子集中在原子核中，帶負(fù)電的電子圍繞原子核在固定的軌道上運動，就象太陽的行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣。帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子之間存在著吸引力，不過吸引力和電子在軌道上運行的離心力相抵，這樣一來原子結(jié)構(gòu)就穩(wěn)定了。 每個軌道容納的電子數(shù)量是有限的。在有些原子中，不是所有的位置都會被電子填滿，這樣結(jié)構(gòu)中就留下一個“空穴”。當(dāng)一個特定的電子軌道被填滿后，其余的電子就必須填充到下一個外層軌道。 元素周期表 不同的元素，其原子中的電子、質(zhì)子和中子數(shù)是不同的。幸運地是，自然界把這些亞原子粒子有序地組合起來。如果對決定原子結(jié)構(gòu)的一些規(guī)則進(jìn)行研究，就會對理解半導(dǎo)體材料和工藝化學(xué)品的特性有幫助。原子（也是元素）的范圍包括從最簡單的氫原子（有一個電子）到最復(fù)雜的鐒（有103個電子）。 氫原子只包括一個原子核中的質(zhì)子和一個電子。這種組合解釋了原子結(jié)構(gòu)的第一條規(guī)則。 。 ，沒有任何兩種元素有相同數(shù)目的質(zhì)子。氫在原子核中有一個質(zhì)子，而氧原子有八個。 這條規(guī)則引出了人們對每種元素指定特定的序數(shù)的做法，“原子序數(shù)”就等于原子中質(zhì)子的數(shù)目（也就是電子的數(shù)目）。元素的基本參照就是元素周期表（）。周期表中每種元素都有一個方格，內(nèi)有兩個字母。原子序數(shù)就在方格的左上角。鈣 （Ca）的原子序數(shù)為20，所以我們立即知道鈣原子核中有20個質(zhì)子，軌道系統(tǒng)上有20個電子。 中子是中性不帶電粒子，和質(zhì)子一起構(gòu)成原子核。 ，三號元素鋰和十一號元素鈉的原子結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)建立這些結(jié)構(gòu)圖的時候，就可以觀察到電子在合適的軌道上分布的規(guī)則。該規(guī)則就是每個軌道（n）只能容納2n2　個電子。按此算法，一號軌道只能容納2個電子。該規(guī)則迫使鋰的第三個電子進(jìn)入第二個軌道。第二個軌道的電子數(shù)受該規(guī)則限制最多有8個，第三軌道的電子數(shù)最多有18個。因此在建立有11個質(zhì)子和電子的鈉原子的結(jié)構(gòu)圖時，開始的兩個軌道容納了10個電子，第十一個電子就留在第三個軌道上。 這三個原子有一個共性，每種原子的最外層都只有一個電子，這顯示出了元素的另外一個可觀察到的事實。 元素周期表 第一號元素：氫 第三號元素：鋰 第十一號元素：鈉 氫、鋰和鈉的原子結(jié)構(gòu) ，這個規(guī)則就反映在周期表中。注意氫、鋰和鈉都出現(xiàn)在標(biāo)著羅馬數(shù)字I 的豎列中，這個豎列數(shù)就代表最外層的電子數(shù)，每一列的元素都有著相似的性質(zhì)。 ，這些原子在化學(xué)性質(zhì)上要比最外層未填滿的原子更穩(wěn)定。 3. 原子會試圖與其它原子結(jié)合而形成穩(wěn)定的條件amp。frac34。amp。frac34。各軌道被填滿或者最外層有八個電子。 如摻雜半導(dǎo)體這一節(jié)所闡述的，規(guī)則4和5影響著N型和P型半導(dǎo)體材料的形成。1 第二章 半導(dǎo)體材料和工藝化學(xué)品2第二章 半導(dǎo)體材料和工藝化學(xué)品2 by r53858電傳導(dǎo) 導(dǎo)電子 很多材料的一個重要的特性就是導(dǎo)電或者支持電流。電流其實就是電子的流動。如果元素或者材料中的質(zhì)子對外層的電子的束縛相對較弱，電傳導(dǎo)就可以進(jìn)行。在這樣的材料中，這些電子可以很容易地流動和建立電流，這種情況存在于大多數(shù)金屬中。 材料的導(dǎo)電性用一個叫做導(dǎo)電率的因素來衡量。導(dǎo)電率越高，材料的導(dǎo)電性越好。導(dǎo)電能力也用導(dǎo)電率的倒數(shù)，即電阻率來衡量。材料的電阻率越低，相應(yīng)導(dǎo)電能力也越好。 C=1/ρ 3個導(dǎo)體分別為銅、銀、金 三個最好的電導(dǎo)體 其中C=導(dǎo)電率 ρ=單位為歐姆厘米（Ωcm）的電阻率 絕緣體和電容器 與導(dǎo)電性相對的是，有些材料中表現(xiàn)出核子對軌道電子的強大的束縛，直接的效果就是對電子移動有很大的阻礙，這些材料就是絕緣體。它們有很低的導(dǎo)電率和很高的電阻率。在電子電路和產(chǎn)品中，絕緣體如二氧化硅用作絕緣。 象做三明治那樣把一層絕緣體夾在兩個導(dǎo)體之間就形成了一種電子設(shè)備即電容。在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，MOS柵結(jié)構(gòu)，被絕緣層隔開的金屬層和硅基體之間和其它結(jié)構(gòu)中都存在電容（參看第16章）。電容的實際效用就是存儲電荷。電容在存儲器中用于信息存儲，消除在導(dǎo)體和硅表面壘集的不利的電荷，并且形成場效應(yīng)晶體管中的工作器件。薄膜的電容能力與其面積和厚度以及一個特性指數(shù)即絕緣常數(shù)。半導(dǎo)體金屬傳導(dǎo)系統(tǒng)需要很高的導(dǎo)電率，因而也就是需要低電阻和低電容材料。這些材料就是低絕緣常數(shù)的絕緣體，用于傳導(dǎo)層間隔離的絕緣層需要高的電容或者高絕緣常數(shù)的絕緣體。 C = 電容 k ＝材料的絕緣常數(shù) E0 = ====空間的介電常數(shù)（====空間有最高的電容） A = 電容的面積 t = 絕緣材料的厚度 電阻 與導(dǎo)電率程度（和電阻率）相關(guān)的電因子就是特定體積材料的電阻。電阻是材料電阻和尺寸的因子，電流的電阻由歐姆來衡量。 R=電阻 L=長度 W=寬度 D=高度 A=橫截面積=WxD P=材料電阻率 長方形棒的電阻 公式定義了特定材料特定體積的電阻（在圖中，體積由三個維度X,Y,Z的矩形）。這種關(guān)系類似于密度和重量，密度為材料的特性，重量為特定體積的材料所受的力。 電流類似與水管中的水流。對于給定的水管直徑和水壓，只有一定量的水會流出水管，水流的阻力可以通過增加水管的直徑，縮短水管和增加水壓。在電子系統(tǒng)中，通過增大材料的橫截面，縮短部件的長度，增大電壓（類似于水壓）和減小材料的電阻，可以增強電流。 本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料，顧名思義就是本身就有一些天然的導(dǎo)電能力的材料。有兩種半導(dǎo)體元素——硅和鍺，在元素周期表中位于第四列（）。另外，還有好幾十種化合物材料（化合物就是兩個或更多元素化合的材料）也表現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性．這些化合物源自第三列和第四列的元素，如砷化鎵和磷化鎵。其它化合物源自第二列和第六列的元素。 本征，該術(shù)語指的是材料處于純凈的狀態(tài)而不是摻雜了雜質(zhì)或其它物質(zhì)。 Ge為元素半導(dǎo)體 3到5族化合物半導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料 摻雜半導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料在其本征狀態(tài)是不能用于固態(tài)元件的。但是通過一種叫做摻雜的工藝，可以把特定的元素引入到本征半導(dǎo)體材料中。這些元素可以提高本征本導(dǎo)體的導(dǎo)電性。摻雜的材料表現(xiàn)出兩種獨特的特性，它們是固態(tài)器件的基礎(chǔ)。這兩種特性是： 摻雜半導(dǎo)體的電阻率 金屬導(dǎo)電率的范圍在每歐姆厘米104到106之間。如果固定體積的金屬的電阻率確定，改變電阻的唯一方法是改變金屬的形狀。而在有半導(dǎo)體特性的材料中，電阻率可以改變，從而在電阻的設(shè)計中增加了又一個====度。半導(dǎo)體就是這樣的材料，其電阻率的范圍可以通過摻雜擴展到103到103之間。 半導(dǎo)體材料可以摻雜一些元素以達(dá)到一個有用的電阻率范圍，材料或者多電子（N型）或者多空穴（P型）。 。X軸標(biāo)為載流子是因為材料中的電子或空穴叫做載流子。注意有兩條曲線：N型與P型。這是因為在材料中移動一個電子或空穴所需的能量是不同的。如曲線所示，在硅中要達(dá)到指定的電阻率Ｎ型所需摻雜的濃度要比P型小。另一種方法來表示這種現(xiàn)象就是移動一個電子比移動一個空穴的能量要小。 橫軸為電阻率，縱軸為載流子濃度，其中P為硼摻雜，N為磷摻雜 硅的電阻率與摻雜（載流子）的濃度。 %%的摻雜物就可以使半導(dǎo)體達(dá)到有用電阻率范圍。半導(dǎo)體的特性允許在材料中創(chuàng)建出非常精確電阻率的區(qū)域。 電子和空穴傳導(dǎo) 金屬傳導(dǎo)的另一個限制就是它只能通過電子的移動來導(dǎo)電。金屬永遠(yuǎn)是N型的。通過摻雜特定的摻雜元素，半導(dǎo)體可以成為N型或者P型。N型和P型半導(dǎo)體可以用電子或者空穴來導(dǎo)電。在了解傳導(dǎo)機理之前，了解在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中====（多余）的電子或空穴的形成是有益的。 為理解N型半導(dǎo)體，（As）摻入硅（Si）中。假定即使混合后每一個砷原子也被硅原子所包圍。，原子試圖通過在外層有八個電子來達(dá)到穩(wěn)定，砷原子表現(xiàn)為與其鄰近的硅原子共享四個電子。但是，砷來自第五族外層有五個電子，直接的結(jié)果是其中的四個與硅中的電子配對，最后一個留下來。這一個可以用來電子傳導(dǎo)。 考慮到硅晶體中每立方厘米中有百萬個原子，從而也就有很多電子可以用來導(dǎo)電。在硅中，摻雜元素砷，磷和銻會形成N型硅。 對P型材料的理解的方法是相同的。不同之處在于使用來自元素周期表第三族的硼來形成P型硅。當(dāng)混入硅中，它也與硅原子共享電子。不過，硼只有三個外層電子，所以在外層會有一個無電子填充的位置。這個未填充的位置就叫做空穴。 多出的電子 用砷來做N型摻雜的硅 空穴 用硼來做P型摻雜的硅 在摻雜的半導(dǎo)體材料中有很多的活動：電子和空穴不停地形成。電子會被吸引入未填充的空穴，從而留下一個未填充的位置，也就是另一個空穴。 。當(dāng)電壓加在一段導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料上時，負(fù)電子就移向電壓的正極，就象電池一樣。 在P型材料（），電子會沿t1的方向躍入一個空穴而移向正極。當(dāng)然當(dāng)它離開它的位置時，它也留下一個新的空穴。當(dāng)它繼續(xù)向正極移動時，它會形成連續(xù)的空穴。這種效果對于用電流表來衡量這個過程的人來說就是該材料支持正電流，而實際上它是負(fù)電流移向相反的方向。這種現(xiàn)象叫做空穴流（hole flow），是半導(dǎo)體材料所獨有的。 N型半導(dǎo)體材料中的電子傳導(dǎo) 電子方向；空穴方向 P型半導(dǎo)體材料中的空穴傳導(dǎo) 在半導(dǎo)體材料中形成P型導(dǎo)電的摻雜劑叫做受主（acceptors）。在半導(dǎo)體材料中形成N型導(dǎo)電的摻雜劑叫做授主（donors）。記住這些術(shù)語一個簡單的方法就是在受主中有一個p而授主中有一個n。 ，絕緣體和半導(dǎo)體的電特性。 使用特定的摻雜元素在鍺和化合物半導(dǎo)體中也可形成N型和P型半導(dǎo)體。[轉(zhuǎn)貼]第二章 半導(dǎo)體材料和工藝化學(xué)品3by r53858載流子遷移率 ，在半導(dǎo)體材料中移動一個電子比空穴要容易。在電路中，我們對載流子（空穴和電子）移動所需能量和其移動的速度都感興趣。移動的速度叫做載流子遷移率，空穴比電子遷移率低。在為電路選擇特定半導(dǎo)體材料時，這是個非常值得考慮的重要因素 。 分類 電子 例子 導(dǎo)電率 1．導(dǎo)體 ====移動 金、銅、銀 2．絕緣體 無法移動 玻璃、塑料 3．半導(dǎo)體a．本征的 有些可以移動 鍺、硅、3到5族元素 B．摻雜的 受控的部分可以移動 N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 材料的電分類 N型 P型 1．導(dǎo)電 電子 空穴 2．極性 負(fù) 正 3．摻雜術(shù)語 授主 受主 4．在硅中摻雜 砷、磷、銻 硼 摻雜半導(dǎo)體的性質(zhì) 半導(dǎo)體產(chǎn)品材料 鍺和硅 鍺和硅是兩種重要的半導(dǎo)體，在最初固態(tài)器件時代，第一個晶體管是由鍺制造的。但是鍺在工藝和器件性能上有問題。它的937攝氏度熔點限制了高溫工藝，更重要的是，它表面缺少自然發(fā)生的氧化物，從而容易漏電。 硅與二氧化硅平面工藝的發(fā)展解決了集成電路漏電問題，使得電路表面輪廓更平坦并且硅的1415攝氏度的熔點允許更高溫的工藝。因此，世界上超過了90%的生產(chǎn)用晶圓的材料都是硅。 半導(dǎo)體化合物 有很多半導(dǎo)體化合物由元素周期表中第三族和第四族，第二族和第六族的元素形成。在這些化合物中，商業(yè)半導(dǎo)體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP），磷化銦（InP），砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。1這些化合物有特定的性能。2當(dāng)電流激活時，由砷化鎵和磷砷化鎵做成的二極管會發(fā)出可見的激光。這些材料用于電子面板中的發(fā)光二極管（LED’s）。 砷化鎵的一個重要特性就是其載流子的高遷移率。這種特性使得在通訊系統(tǒng)中砷化鎵器件比硅器件更快地響應(yīng)高頻微波并有效地把他們轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳌?這種載流子的高遷移率也是對砷化鎵晶體管和集成電路的興趣所在。砷化鎵器件會同類硅器件快上兩到三倍，應(yīng)用于超高速計算機和實時控制電路如飛機控制。 砷化鎵本身就對輻射所造成的漏電具有抵抗性。輻射比如宇宙射線會在半導(dǎo)體材料中形成空穴和電子，它會升高不想要的電流，從而造成器件或電路工作不正?；蛲Ｖ构ぷ??？梢栽谳椛洵h(huán)境下工作的器件叫做輻射硬化。砷化鎵是天然輻射硬化。 砷化鎵也是半絕緣的。這種特性使鄰近器件的漏電最小化，允許更高的封裝密度，進(jìn)而由于空穴和電子移動的距離更短，電路的速度更快了。在硅電路中，必須建立在表面建立特殊的絕緣結(jié)構(gòu)來控制表面漏電。這些結(jié)構(gòu)使用了不少空間并且減少了電路的密度。 盡管有這么多的優(yōu)點，砷化鎵也不會取代硅成為主流的半導(dǎo)體材料。其原因在于性能和制造難度之間的權(quán)衡。雖然砷化鎵電路非?？?，但是大多數(shù)的電子產(chǎn)品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化鎵如同鍺一樣沒有天然的氧化物。為了補償，必須在砷化鎵上淀積多層絕緣體。這樣就會導(dǎo)致更長的工藝時間和更低的產(chǎn)量。而且在砷化鎵中半數(shù)的原子是砷，對人類是很危險的。不幸的是，在正常的工藝溫度下砷會蒸發(fā)，這就額外需要抑制層或者加壓的工藝反應(yīng)室。這些步驟延長了工藝時間，增加了成本。在晶體生長階段蒸發(fā)也會發(fā)生，導(dǎo)致晶體和晶圓不平整。這種不均勻性造成晶圓在工藝中容易折斷，而且也導(dǎo)致了大直徑的砷化鎵生產(chǎn)比硅落后（參照第三章）。 盡管有這些問題，砷化鎵仍是一種重要的半導(dǎo)體材料，其應(yīng)用也將繼續(xù)增多，而且在未來對計算機的性能可能有很大影響。 鍺化硅 與砷化鎵有競爭性的材料是鍺化硅。這樣的結(jié)合把晶體管的速度提高到可以應(yīng)用于超高速的對講機和個人通訊設(shè)施當(dāng)中。3器件和集成電路的結(jié)構(gòu)特色是用超高真空／化學(xué)氣象沉積法（UHV/CVD）來淀