第二章半导体材料

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1、 概述概述 了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半导体材料重要角色的关键。掌握这些知识，导体材料重要角色的关键。掌握这些知识，为理解简单的半导体器件如何能充当复杂为理解简单的半导体器件如何能充当复杂微芯片世界的一部分提供了基础。微芯片世界的一部分提供了基础。 目标目标通过本章学习，能够：通过本章学习，能够：1.能够列出至少三种半导体材料能够列出至少三种半导体材料2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯片制造中的重要性片制造中的重要性3.解释解释N型和型和P型半导体材料在组成和电性能型半导体材料在组成和电性能方面的不同方面的不

2、同4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料2.1原子结构原子结构自然界中任何事物都是由自然界中任何事物都是由96种稳定元素和种稳定元素和12种不稳定元素组成的。不同原子结构决种不稳定元素组成的。不同原子结构决定了不同的元素特性。定了不同的元素特性。著名物理学家尼尔斯著名物理学家尼尔斯玻尔最早把原子的基玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。学和电性能。2.1.1玻尔原子模型玻尔原子模型 带正电的质子和不带电的中子集中在原子带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核在固定的核中，带

3、负电的电子围绕原子核在固定的轨道上运动。轨道上运动。 带正电的质子和带负电的电子之间存在着带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。 每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道上。就必须填充到下一个外层轨道上。 元素：同种原子构成的最简单的物质，具元素：同种原子构成的最简单的物质，具有特定的物理和化学性质有特定的物理和化学性质 分子

4、：由两个或更多的原子构成，通过化分子：由两个或更多的原子构成，通过化学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一个独立单元个独立单元 化合物：由两个或更多的原子构成，形成化合物：由两个或更多的原子构成，形成一种性质不同于组分原子的新物质一种性质不同于组分原子的新物质 电子：各个电子占据了包含电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的个不同壳层的轨道，每个壳层对应了一个特定的能级，轨道，每个壳层对应了一个特定的能级，以从以从K到到Q得字母来区分。得字母来区分。 电子能级：能量单位是电子伏特（电子能级：能量单位是电子伏特（ev），），代表一个电子从低电势处移动到高出代表一个

5、电子从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。电势处所获得的动能。 价电子层：给定一种原子，最外部的电子价电子层：给定一种原子，最外部的电子层就是价电子层，对原子的化学和物理性层就是价电子层，对原子的化学和物理性质具有显著的影响。质具有显著的影响。 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样固体能带论：解释了固体材料中电子怎样改变轨道能级。改变轨道能级。 离子：当原子失去或得到一个或多个电子离子：当原子失去或得到一个或多个电子时成为离子。时成为离子。 电离：从原子中移去电子的过程，产生了电离：从原子中移去电子的过程，产生了带正电的原子或分子。带正电的原子或分子。 离子键：当价层电子从一种元素的

6、原子转离子键：当价层电子从一种元素的原子转移到另一个原子上时，形成离子键。移到另一个原子上时，形成离子键。 共价键：不同元素的原子共有价层电子，共价键：不同元素的原子共有价层电子，原子通过共有电子来使价层完全填充而变原子通过共有电子来使价层完全填充而变得稳定。得稳定。2.1.2元素周期表元素周期表 原子结构的规则原子结构的规则1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子、在任何原子中都有数量相等的质子和电子2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任、任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。何两种元素有相同数目的质子。“原子序原子序数数”就等于原子中质子的数目。就等于原子中质子

7、的数目。3、有相同最外层电子数的元素有着相似的性、有相同最外层电子数的元素有着相似的性质。质。4、最外层被填满或者拥有、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是个电子的元素是稳定的，在化学性质上比最外层未填满的稳定的，在化学性质上比最外层未填满的原子更稳定。原子更稳定。5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的条件。条件。2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性硅片制造中一般化学元素的族特性IA ：一个价电子，容易失去，低负电性：一个价电子，容易失去，低负电性 不稳定不稳定 非常活泼，爆炸性非常活泼，爆炸性 形成离子键形成离子键 由于污染问题，不推荐使用这族金属

8、由于污染问题，不推荐使用这族金属 IIA：2个价电子个价电子 有些不稳定有些不稳定 相当活泼相当活泼 不推荐使用这族金属不推荐使用这族金属IIIA：3个价电子个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要加入到半导体材料中的掺杂元素（主要 是是B） 普通的互连导电材料（普通的互连导电材料（AL） IVA：4个价电子个价电子 半导体材料半导体材料 形成共价键形成共价键 VA：5个价电子个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主加入到半导体材料中的掺杂元素（主 要是要是P和和AS） VIA：6个价电子个价电子VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性个价电子，容易接受电子，高负电性 腐蚀性腐蚀性

9、非常活泼非常活泼 形成离子键形成离子键 在某些半导体应用中有用：作为刻蚀在某些半导体应用中有用：作为刻蚀 和清洗化合物而使用和清洗化合物而使用 VIIIA：8个价电子个价电子 稳定，不活泼稳定，不活泼 惰性气体惰性气体 应用在半导体制造的某些方面是安全的应用在半导体制造的某些方面是安全的IB：最好的金属导体：最好的金属导体 Cu正在取代正在取代AL的互连导体材料的位置的互连导体材料的位置IVBVIB：难熔（高熔点）金属，一般用于：难熔（高熔点）金属，一般用于 半导体制造中以改善金属化（尤其半导体制造中以改善金属化（尤其 是是Ti、W、Mo、Ta和和Cr） 与与Si反应良好，形成具有优良电学反应

10、良好，形成具有优良电学 特性的稳定化合物特性的稳定化合物2.2材料分类材料分类根据流经材料电流的不同可分为三类材料：根据流经材料电流的不同可分为三类材料： 导体导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体2.2.1导体导体 导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只 需很小的能量。需很小的能量。 在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。 在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材料，用来充当器件之

11、间的互联线，而钨可作为金属料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属层之间的互连材料。层之间的互连材料。 铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅片制造中取代铝。片制造中取代铝。 空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空 位位 电子电子空穴对：每个导带电子必定存在一个价带空穴对：每个导带电子必定存在一个价带 空穴与之对应，价带电子能够跃空穴与之对应，价带电子能够跃 入空穴的位置，从而推动电子的入空穴的位置，从而推动电子的 移动和导电。这种状态称之为电移动和导电。这种状态称之为电 子子空穴对。空穴对。 复合：在成为