第2章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類和基本性質(zhì)硅的物理化學(xué)性質(zhì)硅材料純度表示方法多晶硅的分級(jí)2．1半導(dǎo)體材料的分類及性質(zhì)（1）物質(zhì)按導(dǎo)電性能分：導(dǎo)體（電阻率ρ≤10-6Ω·cm）絕緣體（電阻率ρ≥1010Ω·cm）半導(dǎo)體（電阻率10-6Ω·cm≤ρ≤1010Ω·cm）半導(dǎo)體材料的分類按結(jié)構(gòu)分：晶體和非晶體半導(dǎo)體按化學(xué)組成分：無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體無機(jī)半導(dǎo)體分為：單質(zhì)半導(dǎo)體（Si，Ge，Se等）化合物半導(dǎo)體（GaAs，InP，CdTe，InSb，

CuInSe，Ⅲ-Ⅴ族化合物，Ⅱ-Ⅵ化合物，氧化物，硫化物，稀土化合物等）有機(jī)半導(dǎo)體可分為：有機(jī)物、聚合物和給體-受體絡(luò)合物三類。有機(jī)物類包括芳烴、染料、金屬有機(jī)化合物，如紫精、酞菁、孔雀石綠、若丹明B等。

硅本征半導(dǎo)體：(沒有雜質(zhì)，沒有缺陷，結(jié)構(gòu)完美的半導(dǎo)體單晶）常溫下載流子濃度為1.5×1010個(gè)/cm3

，相應(yīng)電阻率為2.3×105Ω·cm，導(dǎo)電性能很差，通過摻雜，提高其導(dǎo)電性能（2）半導(dǎo)體材料的性質(zhì)A載流子濃度和帶隙寬等性能對(duì)溫度很敏感載流子濃度：隨溫度升高而迅速上升帶隙寬（Eg）：隨溫度升高而下降B電阻率隨溫度變化規(guī)律與金屬導(dǎo)電材料相反半導(dǎo)體的電阻率隨溫度上升迅速下降，金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加，導(dǎo)電性能下降C具有光電效應(yīng)光照下，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電流或電流變化。包括“光導(dǎo)效應(yīng)”（光照使半導(dǎo)體電阻改變）；“光伏效應(yīng)”（光照使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢）D具有壓阻效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體材料施加外應(yīng)力，除變形外，能帶結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，造成電阻率（或電導(dǎo)率）發(fā)生變化E熱電效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程（溫差電動(dòng)勢）。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢，比金屬大很多，且熱能與電能的轉(zhuǎn)化效率高。半導(dǎo)體在溫差發(fā)電器（塞貝克（Seebeck）效應(yīng)）和半導(dǎo)體制冷（帕爾帖效應(yīng)）等方面得到應(yīng)用。帕爾帖(peltire)效應(yīng)

電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱。對(duì)帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。Seebeck效應(yīng)主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散，在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場；當(dāng)擴(kuò)散作用與電場的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢——溫差電動(dòng)勢。自然，p型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為負(fù)），相反，n型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為正），因此利用溫差電動(dòng)勢的方向即可判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型?？梢?，在有溫度差的半導(dǎo)體中，即存在電場，因此這時(shí)半導(dǎo)體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級(jí)也是傾斜的；兩端Fermi能級(jí)的差就等于溫差電動(dòng)勢。F磁敏感效應(yīng)（霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)）通過電流的半導(dǎo)體在垂直電流方向的磁場作用下，在與電流和磁場垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。磁阻效應(yīng)：由于磁場而引起的半導(dǎo)體或?qū)w電阻的變化。磁阻效應(yīng)（MagnetoresistanceEffects）是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，都是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某一速度的載流子所受到的電場力與洛茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。G導(dǎo)電效應(yīng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電，和金屬不同，金屬是靠自由電子導(dǎo)電，半導(dǎo)體是靠電子（e-）和空穴(h+)兩種載流子導(dǎo)電，e-

和h+對(duì)電流都有貢獻(xiàn)。導(dǎo)電性能（電阻率），與載流子濃度由關(guān)。(測定P,B含量的依據(jù),要多次區(qū)熔提純后，去掉其它金屬雜質(zhì)，才準(zhǔn)確）2．2硅的物理化學(xué)性質(zhì)2.2.1硅的物理性質(zhì)外層電子3S23P2（SP3軌道雜化后，4個(gè)外層電子等價(jià)）固態(tài)（金剛石型結(jié)構(gòu)和非晶硅）晶體硅，銀灰色，金屬光澤，摩氏硬度7，硬而脆，密度2.33g/cm3。液態(tài)硅密度2.533g/cm3,冷卻結(jié)晶時(shí)體積增大9%左右。其他性質(zhì)見表2-1A硅的光學(xué)性質(zhì)

Eg=1.12eV,λ≤1240/Eg=1240/1.12=1107nm（閾值）即：波長小于1107nm的光波，都可以被硅吸收，但可見光范圍內(nèi)是不透明的，近紅外光可以透過；高折光率和高反射率B硅的熱學(xué)性質(zhì)具明顯的熱傳導(dǎo)和熱膨脹性質(zhì)，熔化時(shí)體積縮小，凝固是體積增大，由于硅具有較大的表面張力系數(shù)，可以用懸浮區(qū)溶法生長單晶C硅的力學(xué)性質(zhì)室溫下，性脆，無延展性；800℃時(shí)，具明顯塑性。硅的抗拉力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗剪切性能，加工過程中容易產(chǎn)生彎曲和翹曲。2.2.1硅的化學(xué)性質(zhì)

4個(gè)外層電子，可+4價(jià)，+2價(jià)，-4價(jià)，但沒有Si+4，Si-4離子。常溫下，單質(zhì)Si化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，高溫下性質(zhì)活潑

Si+O2-----SiO2（400℃）常溫下，表面有SiO2鈍化層，容易改變表面態(tài)性質(zhì)，Si表面也容易吸附一層氫，Si:H，保護(hù)硅片氧化鈍化，但吸附的氫容易脫出（硅片加工過程常利用這一性質(zhì)）

Si+SiO2------SiO

高溫熔化時(shí)和石英坩鍋反應(yīng)，形成氣態(tài)的SiO，能降低晶體硅中的氧含量

3Si+2N2----Si3N4（1000℃以上）

Si+Cl2----SiCl4Si+HCl----HSiCl3(H2SiCl2,H3SiCl,SiCl4等)

副反應(yīng)很多，需要控制溫度，需要催化劑，提高反應(yīng)的選擇性

Si不溶于所有的酸，包括HF（氧化活性比較底，弱酸，F(xiàn)的電負(fù)性太大，H+不容易離解）,但溶于HF和HNO3混合溶液（氧化還原反應(yīng)）

Si+4HNO3+6HF--------H2SiF6+4NO2(g)+4H2O3Si+4HNO3+18HF------3H2SiF6+4NO(g)+8H2O

硅片的酸洗、制絨和腐蝕（顯微結(jié)構(gòu)缺陷）技術(shù)（各向同性腐蝕，反應(yīng)比較激烈，制絨幾分鐘就可以）

HNO3和HF的作用是不同的。

Si+4HF-----SiF4+2H2(g)

Si+2NaOH+H2O------Na2SiO3+H2(g)

（反應(yīng)比較慢，需加熱，各向異性腐蝕制絨，單晶硅）

與金屬的反應(yīng)Si+2Mg----Mg2Si（放熱反應(yīng)，隔絕空氣，嚴(yán)格控制溫度在500℃-550℃，否則影響產(chǎn)品的性質(zhì)。制備硅烷的重要原料，也是硅烷法制備高純硅工藝的重要基礎(chǔ)原料）大于700℃：（MgSi+Mg)

小于700℃：（Mg2Si+Si)

大于1000℃：（Mg+MgSi)（Mg2Si+4NH4Cl(液氨）----SiH4+2MgCl2+4NH3）與金屬離子的置換反應(yīng)硅單質(zhì)能置換Cu2+,Pb2+,Ag+,Hg+等不活潑的金屬離子。2．3硅材料的純度及多晶硅標(biāo)準(zhǔn)

ppm(partspermillion,百萬分之一10-6),ppb（partsperbillion十億分之一，10-9）

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（partspertrillion萬億分之一，10-12）

還有個(gè)重要的純度表示方法，100%的硅晶體，原子密度為：4.99×1022atm/cm3

1molSi=6.02205×1023

個(gè)Si

原子(阿伏加德羅常數(shù))1cm3

Si=2.33g=2.33/28.86=0.0807m