半导体硅材料基础知识1
半导体硅材料基础知识讲座
培训大纲
什么是半导体？
导体（Conductor）
导体是指很容易传导电流的物质
绝缘体（Insolator）
是指极不容易或根本不导电的一类物质
半导体（Semiconductor）
导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。
半导体硅材料的电性能特点
硅材料的电性能有以下三个显著特点：
一是它对温度的变化十分灵敏；
二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著；三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。
综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。
半导体材料的分类
元素半导体
目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是
改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。
改良的西门子法生产半导体级多晶硅：
这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方
法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克
兰和MEMC意大利的多晶硅厂。全球80％以上的
多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是：
原料硅破碎筛分
（80目）沸腾氯化制成液态的SiHCl3
粗馏提纯精馏
提纯氢还原棒状多晶硅
破碎洁净分装。
经验上，新建设一座多晶硅厂需要30
—36个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约
14—18个月时间，新建一座千吨级的多晶硅厂
大约需要10—12亿元人民币，也就是说每吨的
投资在100万元人民币以上。
硅烷法生产多晶硅
用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和
美国的ASMY两家公司，其工艺流程是：
原料破碎筛分硅烷生成沉
积多晶硅棒状多晶破碎、包装（3）粒状多晶硅
全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的PASADENA工厂，它的生产流程与硅烷法生产多晶硅的工艺大体相似，所不同的是它沉积出来的多晶硅不是棒状，而是直径仅为φ1—3mm的硅粒。
单晶硅的制备
根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备工艺也不相同，主要的制备工艺有两种：
区域熔炼法（简称区熔法或FZ法，Float Zone）。这是制备高纯度，高阻单晶的方法，区熔法既可以提纯，又可以成晶。
它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差异，通过在真空下经数次乃至数十次的区域熔炼提纯，然后成晶而制成。
切克劳斯基法（简称直拉法。CZ法，Czochralski）这是将清洗好的多晶硅块料（块径＞5mm以上）装入石英坩埚再把装好料的石英坩埚放入直拉单晶炉内置的石墨托碗上－→抽真空—→充氩气—→高频加热石墨托碗使石英坩埚内的多晶料熔化成液体（需要在1430℃以上）—→降下
预先置于炉顶部的籽晶－→引晶－→缩颈－→放肩－→等径生长－→收尾等一系列复杂的工艺而制成。
半导体硅材料的加工
这是指由Ingot －→ wafer的过程。硅片的加工大体包括：硅棒外径滚磨、硅切片、倒角、硅磨片、硅抛光等几个过程
硅切片
硅切片是将单晶硅锭加工成硅片的过程，通常使用的设备有两种：
内圆切片机：一般加工直径≤6″的硅单晶锭。片厚300—400μm，刀口厚度在300—350μm，加工损失在50%以上。
用这种设备加工的硅切片一般有划道、崩边、且平整度较差，往往需要研磨后才可使用。
线切割机：一般用于加工直径≥6″的单晶（如8″、12″等）,片厚最薄可达200μ—250μ，刀口厚度≤200μ，加工损失在40%左右，较内圆切割机可多出5~10%左右的硅片，用这种设备加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用经过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。
但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片的8—10倍。
硅磨片
一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50—100μ时大约需要15—20分钟，用磨片的方法可去除硅片表面的划痕，污渍和图形等，可提高硅片表面平整度。凡用内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。
硅抛光片
这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。
半导体硅材料的主要性能参数
导电类型
这是讲半导体内部导电是以什麽类型的载流子在载带电荷。这里我们介绍三种情况：
本征硅：习惯上我们把绝对纯净而没有缺陷的半导体叫作本征半导体。通常纯净而没有缺陷的硅晶体叫作本征硅。
N型硅：若在纯硅中掺入V族元素（如磷、砷等）以后，由于V族元素最外层是5个价电子，当这5个价电子中4个与硅原子最外层的4个价电子形成共价键时，就会有一个多余的电子脱离
出来成为自由电子，从而就提供了同等数量的导电电子，这种能提供自由电子的杂质统称为施主杂质（如P、AS等），掺入施主杂质、以电子为多数载流子的硅叫N型硅。
P型硅：如果在纯硅中掺入III族元素（如硼）以后，由于硼原子的最外层是3个价电子，当它进入硅的晶体构成共价键时，就缺少了一个电子，因而它就有一种从别处夺来一个电子使自己成为负离子，并与硅晶体相匹配的趋势，因此我们可以认为硼原子是带有一个很容易游离于晶体间的空穴。在半导体中，这种具有接受电子的杂质称为受主杂质。掺入受主杂质、以空穴为多数载流子的硅叫作P型硅。
晶体结构
自然界中的固体可以分为晶体和非晶体两大类，晶体是指有固定熔点的固体（如：Si、GaAs、冰及一般的金属等），而没有固定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化的固体叫作非晶体。（如：松香、玻璃、橡胶等）
（1）单晶、多晶和无定形：
晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。
现有的晶体都是由原子、离子或分子在三维空间上有规则的排列而形成的。这种对称的有规则排列叫作晶体的点阵或叫晶格。最小的晶格叫晶胞，晶胞的各向长度叫晶格常数。将晶格周期性的重复排列，就可以构成整个晶体，这就是晶体的固有特性，而非晶体则没有这种特征。那种近程有序而远程无序排列的称为无定形体。
一块晶体如果从头至尾都按同一种排列重复下去叫作单晶体，由许多微小单晶颗粒杂乱地排列在一起的称为多晶体。
（2）晶格结构：
我们对一些主要的晶体进行研究后发现，其中的晶胞多不相同，常见的晶胞有：简单立方结构、体心立方结构、面心立方机构、金刚石结构（如：Si、Ge等），闪锌矿结构（如GaAs、Gap、Iusb等），一般元素半导体多为金刚石结构，III —V族化合物半导体多为闪锌矿结构。
金刚石结构是两个面心立方结构的晶胞在对角线上滑移1/4距离后形成，而闪锌矿结构是在金刚石结构中把相邻两个Si原子分别换作Ga和As而形成。
（3）晶面和晶向：
晶体中那些位于同一平面内的原子形成的平面称为晶面。晶面的法线方向称为晶向。单晶常用的晶向有（100）、（111）和（110），晶体在不同的方向上具有不同的性质，这就是晶体的多向异性。
晶向示意图
（4）晶体中的缺陷：
当晶体中的原子周期性重复排列遭到破坏或出现不规则的地方就形成了缺陷，硅单晶中常见的缺陷有：点缺陷、线缺陷、面缺陷、孪晶、旋涡、杂质条纹、堆垛层错、氧化层错、滑移线等等。
电阻率
电阻率是半导体材料的一个极其重要的参数，前面我们已经提到电阻率是区分导体、绝缘体和半导体的关键因素。不同的器件要求不同的电阻率。
少子寿命
所谓少子寿命是指半导体中非平衡少数载流子平均存在的时间长短，单位是μs（1微秒是10-6
秒）。所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子——空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡载流子。
对于P型硅而言：新增加的电子叫作非平衡少数载流子；而新增加的空穴叫作非平衡多数载流子。
对于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少数载流子；而新增加的电子叫作非平衡多数载流子。
当光照停止后，这些非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。
非平衡载流子的寿命长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，因为硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。
少子寿命是一个重要的参数，用于高能粒子探测器的FZ硅的电阻率高达上万Ωcm，少子寿命上千微秒；用于IC工业的CZ硅的电阻率一般在5—30Ωcm范围内，少子寿命值多要求在100μs
以上；用于晶体管的CZ硅的电阻率一般在30—100Ωcm，少子寿命也在100μs以上；而用于太阳能电池CZ硅片的电阻率在0.5—6Ωcm，少子寿命应≥10μs。
5. 氧化量：指硅材料中氧原子的浓度。
太阳能电池要求硅中氧含量＜5×1018原子个数/cm3。
6. 碳含量：指硅材料中碳原子的浓度。
太阳能电池要求硅中碳含量＜5×1017原子个数/cm3。
7、晶体缺陷
另外：对于IC用硅片而言还要求检测：
微缺陷种类及其均匀性；
电阻率均匀性；
氧、碳含量的均匀性；
硅片的总厚度变化TTV；
硅片的局部平整度LTV等等参数。
我公司在采购中常见的几种硅材料
1.Cell：称为电池片，常常是电池片厂家外销的产品，它实际是一个单元电池。
2.Wafer：这通常指的是硅片，可能是圆片，也可能是方片。
圆片包括：硅切片，硅磨片、硅抛光片、图形片、污渍片、缺损片。
3.Ingot：常常指的是单晶硅锭，且是圆柱形的硅锭，也有用指多晶硅铸锭的。
4.Polysilicon：通常是指多晶硅料，它又分为棒料、块料、碎料。
5.碳头料(goods with carbon)：通常指多晶硅棒的下部接近石墨头的部分
6.横梁料(beam)：通常是指多晶硅棒最上部的横梁，由于其处在硅棒上部，靠近炉顶部，且过热（生成温度超过1100℃），也常是金属杂质较多的部分，常不适合于IC工业，而作为太阳电池材料。
7.头尾料（top and tail）：这是指拉制单晶锭的头部和尾部的部分，它由于电阻率
范围不在IC适用范围内，杂质浓度高（如尾料），或缺陷密度大（如头部料）而被切下报废，但可作太阳电池的原料。
8.埚底料（Pot scrap）：这是指CZ单晶拉制结束后残留于石英埚底部的余料，常用作太阳电池片的原料。
9.边皮料（Side walls）：
目前理解方法有两种，一种是单晶锭劈成方锭时取下的料，这应是一种比较好的原料，可用于回炉再次拉制单晶锭。
另一种是浇注硅的大方锭六面劈下的废料（由于上方有浮渣，其余五面接触石英，故需剖下），腐浊清洗后才可再用于浇注硅方锭。
10. 硅渣：这通常是指在对多晶棒进行破碎加工时，粒径＜2cm的渣料，不可再用作拉单晶使用，但可用于浇注硅，用于太阳能电池工业。
11. 瓜子料(Small pot scrap)：这是在清理埚底料时的残渣,大约有1/3以上是石英碎片,其余
的硅粒上都存有或多或少的石英渣残留物。如果我们把那些＞1cm的硅粒选出来的话，也必须进行腐浊处理，去掉石英渣，作成免洗料以后才能送去作浇注用料。
思考题:
什么是半导体？
半导体硅材料的电性能有哪些特点？
简述半导体硅材料的制备工艺(分为多晶硅、单晶硅及硅片三部分)？
什么是N型半导体？什么是P型半导体？
半导体的少子寿命指的是什么？
请正确区分Cell Wafer Ingot和头尾料、埚底料、边皮料、碳头料、横樑料等硅原料。
在硅材料采购中应注意哪几个主要参数？
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。 电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞
1.1 半导体基础知识概念归纳 本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。 绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。 绝缘体导电性：极差。如惰性气体和橡胶。 半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。 半导体的特点： ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；
我们知道，电子电路是由晶体管组成，而晶体管是由半导体制成的。所以我们在学习电子电路之前， 一定要了解半导体的一些基本知识。 这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识，它是本课程的基础，我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节，它们分别是： 1、1 半导体的基础知识 1、2 PN结 1、3 半导体三极管 1、1 半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。一:本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、2 P—N结
第2章§2.1半导体基础知识习题 【课程考核内容】 1、半导体类型及其导电的特点， 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 1、自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：导体，绝缘体，半导体。 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等金属等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 2、半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。 2、单晶体和多晶体：日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体：不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子，同时在原来的位置中留下一个空位，称为空穴。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。本征激发后，产生一个自由电子的同时，也就产生一个空穴，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流子。所以，热激发后本征半导体将产生两种载流子，电子和空穴。 4. N型半导体(N egative)： N型半导体符号为Negative负的含义，由于电子带负电，故得此名。在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了N型半导体。N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。 5．P型半导体： P型半导体为P ositive正的含义，由于空穴带正电，故得此名。在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。 2.1.3 PN结及其单向导电性 经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。当P型半导体与N型半导体结合在一起时，在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。 2.PN结的单向导电性 (1)加正向电压PN结导通：PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时在外电场的作用之下，PN结空间电荷区变窄，耗尽层变窄，PN结正向电阻小，PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。 (2)加反向电压PN结截止 给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽，PN结反向电阻大，PN结截止。 掌握【结论】从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。
第一章半导体基础知识 〖本章主要内容〗 本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。 首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗 本章分为4讲，每讲2学时。 第一讲常用半导体器件 一、主要内容 1、半导体及其导电性能 根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。 2、本征半导体的结构及其导电性能 本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。 3、半导体的本征激发与复合现象 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。 4、半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂
质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 图（a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图所示。 二．硅的基本性质 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。 性质符号单位硅（Si） 原子序数Z 14 原子量M 原子密度个/cm3 ×1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a ? 熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 介电常数ε0 个/ cm3×1010本征载流子浓度n i 本征电阻率ρi Ω·cm ×105
9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
半导体基础知识和半导 体器件工艺 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的
热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。
1．什么是导体、绝缘体、半导体？ 容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。 2．半导体材料的特征有哪些？ （1）导电能力介于导体和绝缘体之间。 （2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。 （4）晶体的各向异性。 3．简述N型半导体。 常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。 例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。 4．简述P型半导体。 当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。 例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。 5．什么是半绝缘半导体材料？
半导体基础知识 Prepared on 24 November 2020
一．名词解释： 1..什么是半导体半导体具有那些特性 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。可制作热敏元件。 光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。可制作光敏元件。 掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。 2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是。 3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。P型半导体主要空穴导电， N型半导体主要靠电子导电。 4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。 5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。惰性气体，橡胶等。 6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。 其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。 8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。 9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积， NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。 10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。 11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式： SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 12.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。 13.晶胞：晶体中有无限在空间按一定规律分布的格点，叫空间点阵。组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞具有很多晶体的性质，很多晶胞在空间重复排列起来就得到整个晶体。不同的晶体，晶胞的形状不同。 14.根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为以下几类： A:点缺陷 B:线缺陷 C:面缺陷 D:体缺陷 15.位错：一种晶体缺陷。晶体的位错是围绕着一条很长的线，在一定范围内原子都发生规律的错动，离开它原来的平衡位置，叫位错。
外延基础知识 一、基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数 N 决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间同一位置。间接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U（undope）－GaN 上生长 N（dope）－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中： GaN 上生长 Al GaN ） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭） 的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱（QW）:通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体： Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN（山-V ）、ZnSe（U-W）、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质缺陷：点 缺陷：如空位、间隙原 子 线缺陷：如位错面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD （也称 MOVPE ）: Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE :氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于山-V氮化物半导体薄膜和 超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE :分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD 设备 1.发展史：国际上起源于 80 年代初，我国在 80年代中（ 85年）。国际上发展特点：专业化分工，我国发展特 点：小而全，小作坊式。 技术条件： a.MO 源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计： Vecco :高速旋转 Aixtron: 气浮式旋转 Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点） Nichia:双流式 2.MOCVD 组成
外延基础知识 一、基本概念 能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带） 直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。 间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体：Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷 杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质 缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子 线缺陷：如位错 面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE：氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE：分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD设备 1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85年）。 国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。 技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计：Vecco:高速旋转 Aixtron:气浮式旋转
第2章§2.1半导体基础知识习题 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：一类是导电性能良好的物质叫，如银、铜、铝、铁等金属；另一类是在一般条件下不能导电的物质叫，如陶瓷、塑料、橡胶、玻璃等；还有一类物质，其导电性能介于导体和绝缘体之间称之为，如硅、锗、砷化镓等。 物质的导电性能之所以不同，根本原因在于构成各种物质的原子结构不同，原子和原子间的结合方式也各不相同。图7.1.1(a)、(b)所示为常见的半导体材料硅和锗的原子结构示意图，它们分别有14个和32个电子，但最外层均为4个价电子。【了解】 半导体导电性能有如下 两个显著特点： （1）：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。 （2）：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型： 半导体材料可按化学组成，可分为半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为半导体；按其导电类型可分为 ；按其载流子类型可分为。 2、单晶体和多晶体 日常所见到的固体分为和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。 有的晶体是由许许多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称之为，如水晶和晶刚石。 只有的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体 不含任何杂质的单晶半导体，称为半导体。本征半导体的共价键结构如图7.1.2所示。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子(以后简称电子)，同时在原来的位置中留下一个空位，称它为空穴，如图7.1.3所示。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为。 由于出现了空穴，原来显中性的硅或锗原子就变成了带正电的离子，这个正电荷可以认为是空
一．名词解释： 1..什么是半导体？半导体具有那些特性？ 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。可制作热敏元件。 光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。可制作光敏元件。 掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。 2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是？。 3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。P型半导体主要空穴导电，N型半导体主要靠电子导电。 4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。 5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。惰性气体，橡胶等。 6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。 其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。Si,Ge等四价元素。 7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。 8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。 9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积，NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。 10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。 11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式： SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 12.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。 13.晶胞：晶体中有无限在空间按一定规律分布的格点，叫空间点阵。组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞具有很多晶体的性质，很多晶胞在空间重复排列起来就得到整个晶体。不同的晶体，晶胞的形状不同。 14.根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为以下几类： A:点缺陷 B:线缺陷 C:面缺陷 D:体缺陷 15.位错：一种晶体缺陷。晶体的位错是围绕着一条很长的线，在一定范围内原子都发生规律的错动，离开它原来的平衡位置，叫位错。 16. CZ 法生长单晶工艺过程： 装炉-融化-引晶-缩细颈-转肩-放肩-等径生长-收尾-停炉 A装炉：将腐蚀好的籽晶装入籽晶夹头，装正，装好，装牢。将清理干净的石墨器件装入单晶炉，调整石墨器件位置，使加热器，保温罩，石墨托碗保持同心。
半导体硅材料基础知识1
半导体硅材料基础知识讲座 培训大纲 什么是半导体？ 导体（Conductor） 导体是指很容易传导电流的物质 绝缘体（Insolator） 是指极不容易或根本不导电的一类物质 半导体（Semiconductor） 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。 半导体硅材料的电性能特点 硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一是它对温度的变化十分灵敏； 二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著；三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。 综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。 半导体材料的分类 元素半导体
目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是 改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。 改良的西门子法生产半导体级多晶硅： 这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方 法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克 兰和MEMC意大利的多晶硅厂。全球80％以上的 多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是： 原料硅破碎筛分 （80目）沸腾氯化制成液态的SiHCl3 粗馏提纯精馏 提纯氢还原棒状多晶硅 破碎洁净分装。 经验上，新建设一座多晶硅厂需要30 —36个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约 14—18个月时间，新建一座千吨级的多晶硅厂 大约需要10—12亿元人民币，也就是说每吨的 投资在100万元人民币以上。 硅烷法生产多晶硅 用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和 美国的ASMY两家公司，其工艺流程是： 原料破碎筛分硅烷生成沉
半导体器件基础知识（翻译版）是清华大学出版社于2008年出版的一本书，由安德森和田丽琳撰写。这本书不仅是一本很好的教科书，而且还是微电子学及相关领域的工程技术人员的参考书。 内容有效性 “外国大学的优秀教科书·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”不仅包括量子力学，半导体物理学和半导体器件（包括二极管，场效应晶体管，双极晶体管和光电器件）的基本工作原理，还介绍了现代半导体器件的最新发展以及器件的实际应用。例如，分析和推导了对现代小型设备的电气特性有重大影响的二次效应，并给出了描述小型设备特性的最新数学表达式。考虑到异质结场效应器件，双极型器件和光电器件的日益增长的应用，本书着重介绍了半导体异质结构。由于半导体制造设备和工艺的进步，随着技术的发展，“能带工程”得以实现，从而带来了器件性能的提高。因此，在介绍硅材料和硅器件的基础上，还介绍了化合物半导体器件，合金器件（如SiGe，AlGaAs）和异质结器件。通过香料模拟了器件的IV特性，以及稳态和瞬态。对简单电路进行分析。
贝蒂·里斯·阿尔德森（Betty lise arldexson）博士是俄亥俄州立大学技术学院的电气工程教授。她教授各种本科和研究生课程。他已经在该行业工作了9年，并拥有丰富的研究经验。他目前从事用于通信，雷达和信息处理的光电设备的研究。因此，与实际的设备应用紧密结合也是半导体设备基础（翻译版）的一个特征。 编辑推荐 “外国大学的优秀教材·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”共分为5部分和11章，全面介绍了半导体材料的基本特性和半导体器件的基本工作原理。从器件物理和工程应用的角度，本文对现代半导体器件进行了全面而实用的描述。在内容方面，“外国大学优秀教科书·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”不仅介绍了量子力学，半导体物理学以及半导体器件（包括二极管，场效应晶体管，双极晶体管）的基本工作原理和光电器件），还包括现代半导体器件的最新发展和器件的应用。在介绍硅材料和硅器件的基础上，还介绍了化合物半导体器件，合金器件（例如SiGe，藻类）和异质结器件。作者强调了解决定半导体材料和器件电学性质的物理过程以及器件的实际应用。通过研究“国外大学优