【正文】 性 ， 且被廣泛應(yīng)用。 在未來(lái)的數(shù)十年里 ， 硅片將為我們提供更多 、 更好的清潔能源 。 然而就是這些材料支持了大約 2021億美元的電力電子工業(yè) ， 5000億美元的集成電路產(chǎn)業(yè)和約 100億美元的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè) 。 就連我們常用的計(jì)算器 、手機(jī) 、 電子表 、 數(shù)碼相機(jī) 、 數(shù)碼 DV等的芯片都是由半導(dǎo)體硅作的芯片而制成的 。 如今人們談?wù)摪雽?dǎo)體猶如談?wù)摷Z食和鋼鐵一樣 ， 已是我們生活中不可或缺的 。 1959年由美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了僅有三個(gè)電子原件組成的世界上第一個(gè)集成電路。 1947年人們制得了鍺的點(diǎn)接觸晶體管 ， 同年發(fā)現(xiàn)了鍺的 PN結(jié)光伏效應(yīng) 。 ? 半導(dǎo)體材料從 1782年發(fā)現(xiàn)其在導(dǎo)電性方面的某些特點(diǎn)而被稱(chēng)為 “ 半導(dǎo)體 ” 以來(lái) ， 在其研究領(lǐng)域不斷取得新的突破 ， 1883年人們發(fā)明了硒整流器 。 ? （ 如圖示 ） 硅原子結(jié)構(gòu)示意圖 9 9 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) ? 通常我們把原子核最外層的電子叫作價(jià)電子 ， Si原子外層有 4個(gè)價(jià)電子 ， 因此它是 4價(jià)元素 。而半導(dǎo)體內(nèi)都存在少量的自由電子或空穴 ， 所以在一定的條件下 ， 它呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性 。 在半導(dǎo)體中 ， 電子和空穴都可以運(yùn)載電量 ， 我們把它們統(tǒng)稱(chēng)為載流子 。 自由電子的數(shù)量越多， 或者它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下 ， 自由電子有規(guī)則流動(dòng)的速度越快 ， 則電流越大 ， 它的導(dǎo)電性能越好 ， 其電阻率就越低 。 這些價(jià)電子受原子核的束縛較弱 ， 在外電場(chǎng)或其它外力 （ 如光照 ） 的作用下， 很容易擺脫原子核的束縛而成為自由電子 。 那么 ， 世界上的物質(zhì)在導(dǎo)電性能上為什么會(huì)有這樣的差異呢 ？ 我們知道 ， 世界上所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的 ， 在原子的中心位置上有一個(gè)帶正電荷的原子核 ， 某一原子所帶正電荷的多少正好等于它在元素周期表中的原子序數(shù) ， 而原子核外則存在著一系列不連續(xù)的 、 7 7 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) 由電子運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成的殼層 ， 原子核外的電子數(shù)目也正好等于原子序數(shù) ， 這就使得原子在無(wú)得失外層電子的情況下 ， 整體上處于電中性狀態(tài) 。 值得一提的是還有少量固體物質(zhì) ,如砷 、 銻 、 鉍等 ， 它們的電阻率比一般金屬導(dǎo)體要高出 100~1000倍 ， 但卻不具備半導(dǎo)體材料的基本特性 ， 則不能稱(chēng)作半導(dǎo)體 ， 我們把它叫做半金屬 。 現(xiàn)有已知的半導(dǎo)體材料有近百種 ， 比較適用且已工業(yè)化的重要半導(dǎo)體材料有：硅 、 鍺 、 砷化鎵 、 硫化鎘等 。 絕緣體的電阻率很大 ， 一般來(lái)說(shuō) ， 絕緣體的電阻率＞ 108Ωcm。 如金屬銅的電阻率僅為 108Ωcm。 ? 導(dǎo)體 （ conductor） ：顧名思義 ， 導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì) ， 如金 、 銀 、 銅 、 鋁等金屬材料 。1 1 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí)講座 李本成 2021/06/25 2 2 目錄 ? 一 、 什么是半導(dǎo)體 ？ ? （ Conductor） ? （ Insulator） ? （ Semiconductor） ? 二 、 半導(dǎo)體材料的分類(lèi) ? ? ? ? ? 三 、 半導(dǎo)體硅材料的制備 ? （ 工業(yè)硅 ） 的制備 ? ? 3 3 目錄 ? 四 、 半導(dǎo)體硅材料的加工 ? ? ? ? 五 、 半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn) ? 六 、 半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù) ? ? ? ? ? 、 碳含量 ? 目錄 七、半導(dǎo)體的主要電性能參數(shù)及其測(cè)量方法 八、硅中的雜質(zhì)及其測(cè)量方法 5 5 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) 一 、 什么是半導(dǎo)體 ？ 大家知道 ， 如果我們用物質(zhì)的存在狀態(tài)來(lái)區(qū)分世界上的各類(lèi)物質(zhì)的話(huà) ， 就可以分為氣體 、 液體和固體三大類(lèi) 。 但是如果我們用導(dǎo)電性能來(lái)區(qū)分世界上的各種物質(zhì)的話(huà) ， 也可以分為三大類(lèi) ， 即：導(dǎo)體 、 絕緣體和半導(dǎo)體 。 這類(lèi)金屬材料的電導(dǎo)率很高 ， 也就是說(shuō)它們的電阻率極低 ， 大約是 106— 108Ωcm。 ? 絕緣體 （ Insulator） ：這是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類(lèi)物質(zhì) ， 如：玻璃 、 橡膠 、 石英等材料 。 6 6 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) ? 半導(dǎo)體 （ Semiconductor） ： 這是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)物質(zhì) ， 我們統(tǒng)稱(chēng)為半導(dǎo)體 。 半導(dǎo)體的電阻率一般在 105— 1010Ωcm。因此半導(dǎo)體材料的定義應(yīng)該是： 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo)體的基本特性的一類(lèi)材料 。 我們常常把原子核最外層那些離原子核最遠(yuǎn)的電子叫作價(jià)電子 。 金屬導(dǎo)體之所以容易導(dǎo)電 ， 是因?yàn)樵诮饘袤w內(nèi)存在著大量的自由電子， 在外電場(chǎng)的作用下 ， 這些自由電子就會(huì)有規(guī)則地沿著電場(chǎng)的反方向流動(dòng) ， 這就形成了電流 。 電子流動(dòng)時(shí)運(yùn)載著一定的電荷量 ， 我們把這種能運(yùn)載電量的粒子叫作載流子 。 常溫下 ， 絕緣體內(nèi)只有極少極少的自由電子 ， 因此 ， 它對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性 。 8 8 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) ? 以硅 （ Si） 為例 ， 硅的原子序數(shù)是14， 硅的原子核帶有 14個(gè)正電荷 ，其核外應(yīng)有 14個(gè)電子分為三層繞核運(yùn)動(dòng) ， 第一層 2個(gè)電子 ， 第二層 8個(gè)電子 ， 最外層 4個(gè)電子 。 在一定的條件下 ，這 4個(gè)價(jià)電子就可能脫離原子核的束縛而成為自由電子 ，從而使之呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性 。 1931年英國(guó)科學(xué)家威爾遜發(fā)表了半導(dǎo)體的能帶理論 ， 首次提出了本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 ， 施主和受主等概念 。 1954年制作出硅的 PN結(jié)太陽(yáng)電池 。 ? 半導(dǎo)體硅材料從發(fā)現(xiàn) 、 發(fā)展至今不過(guò) 200多年的歷史， 由于它的特殊性質(zhì)而在電力電子 、 微電子和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 。 我們的家用電器 、 電腦和幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)處不有 10 10 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體芯片的身影 。 ? 迄今全球僅 100億美元的多晶硅材料支撐起約 500億美元的單晶硅及硅片的全球市場(chǎng) 。 如果說(shuō)半導(dǎo)體硅材料在前 50年的發(fā)展主要是在集成電路行業(yè)的話(huà)， 時(shí)至今日 ， 當(dāng)人類(lèi)面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的能源危機(jī)時(shí) ， 它將快速進(jìn)入為人類(lèi)提供清潔環(huán)保能源的行列 。 11