第2章 半導(dǎo)體材料特性

1、第第2 2章章 半導(dǎo)體材料特性半導(dǎo)體材料特性 了解原子的結(jié)構(gòu)和結(jié)合是認(rèn)識(shí)硅扮演著半導(dǎo)體材 料重要角色的關(guān)鍵。這些知識(shí)一旦掌握，就為理解簡 單的半導(dǎo)體器件如何能充當(dāng)復(fù)雜微芯片世界的一部分 提供了基礎(chǔ)。 目前，應(yīng)用中最重要的半導(dǎo)體材料是硅。硅用來 制造器件并發(fā)揮半導(dǎo)體的作用，源于它獨(dú)特的材料性 質(zhì)。本章首先回顧了與分立原子有關(guān)的物理和化學(xué)概 念，接著用這些知識(shí)來研究硅材料，以認(rèn)識(shí)它獨(dú)特的 物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)以及為何具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。本章建 立的基本材料和半導(dǎo)體概念將會(huì)用于整個(gè)硅片制造的 不同工藝步驟中。 固體材料：超導(dǎo)體固體材料：超導(dǎo)體: 大于大于106( cm)-1 導(dǎo)導(dǎo) 體體: 106104( c

2、m)-1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 10410-10( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10( cm)-1 ？什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體 2.1 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 在原子模型中，原子由三種不同的粒子構(gòu)成：中性 中子和帶正電荷的質(zhì)子組成原子核，以及繞核旋轉(zhuǎn)的帶 負(fù)電荷的電子。原子中的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相等，這使得 原子呈電中性。 元素是同種原子構(gòu)成的最簡單的物質(zhì)，具有特定的 物理和化學(xué)性質(zhì)。分子是由兩個(gè)或更多的原子構(gòu)成的、 通過化學(xué)作用緊密束縛在一起的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立 的單元。化合物則由兩個(gè)或更多的原子構(gòu)成（相同或不 同的），它們通過化學(xué)作用緊密束縛在一起，形成一種 性質(zhì)不同于組分原子的新物質(zhì)。

3、 2.1.1 電子電子 微觀狀態(tài)下發(fā)生的吸引和排斥作用定理是同種電荷 相互排斥荷異種電荷相互吸引。帶負(fù)電的軌道電子分布 為一個(gè)繞核的空間電子云，通過與帶正電的核的相互吸 引作用來保持其位置。各個(gè)電子占據(jù)了包含7個(gè)不同殼 層的軌道。例如，在一個(gè)氫原子內(nèi)部，每個(gè)殼層對應(yīng)了 一個(gè)特定的能級，以從K到Q的字母來區(qū)分。而對于被稱 為多電子原子的其他所有原子而言，每個(gè)殼層的軌道能 量并不同。 原子級的能量單位是電子伏特（eV）。它代表一個(gè) 電子從低電勢處移動(dòng)到高出1V的電勢處所獲得的動(dòng)能 （與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的能量）。1電子伏特等于1.610-19焦 能量。電子伏特用來描述半導(dǎo)體制造不同步驟中的電子 能量。 2

4、.1.1 電子電子 給定一種原子，最外部的電子層就是價(jià)電子層。價(jià)電子位于價(jià)電 子層，并以給定原子種的最高能級狀態(tài)存在，對原子的化學(xué)和物理性 質(zhì)具有顯著的影響。價(jià)電子層中的電子數(shù)隨殼層等級從K到Q變化。原 子中的價(jià)電子層允許容納8個(gè)電子，只有一個(gè)價(jià)電子的原子很容易失 去這個(gè)電子。另一方面，原子的價(jià)電子層有7個(gè)電子時(shí)則具有電子親 和性，很容易接收一個(gè)電子來填充價(jià)電子層。 能帶理論解釋了固體材料中電子怎樣改變軌道能級。價(jià)電子分布 于價(jià)帶內(nèi)。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶寬帶。某些材料中禁帶寬度 具有能量很高的能級而產(chǎn)生了一個(gè)禁帶（通常大于2eV）。這類材料 被稱為絕緣體，因?yàn)殡娮訌膬r(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶很困難。

5、另一類稱為導(dǎo)體 的材料中，價(jià)帶與導(dǎo)帶交疊，電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶只需要很小的能 量。第三類材料具有介于絕緣體和導(dǎo)體直間的禁帶能量級別，這類材 料被稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的禁帶寬度處于中等程度。硅的禁帶寬度為 1.11eV。 2.1.1 電子電子 當(dāng)一個(gè)原子失去或得到一個(gè)或多個(gè)電子時(shí)成為離子。 原子失去電子時(shí)帶正電荷而得到電子時(shí)帶負(fù)電荷。帶上相 反電荷的離子相互吸引，能夠構(gòu)成化學(xué)鍵形成離子化合物。 常見的食鹽氯化鈉就是一個(gè)離子化合物的例子。鈉原 子是一種金屬原子，最初是電中性的，因?yàn)樗馁|(zhì)子數(shù)和 電子數(shù)相等。如果它失去一個(gè)電子，便成為帶正電的Na+， 被稱為陽離子。一個(gè)非金屬的氯原子，得到一個(gè)電子就成

6、 為帶負(fù)電的Cl-，被稱為陰離子。 Na+和Cl-由于帶有相反的 電荷而相互吸引形成了離子化合物。 許多氣體以分子形式存在。電離是從原子中移去電子 的過程，產(chǎn)生了帶正電的原子或分子。電離用于半導(dǎo)體制 造的許多工序中。一旦氣體粒子通過電離而帶電，氣流和 原子運(yùn)動(dòng)就可以通過靜電場和磁場得到控制。 2. 2 周期表周期表 周期表羅列了目前已知的所有元素。以這種方式組織是因?yàn)樵亻g特定的 周期行為模式。 周期表中每個(gè)元素都有一個(gè)對應(yīng)的方框。周期表中的每個(gè)元素框提供關(guān)于 元素的信息，包括以下內(nèi)容： 原子符號：代表每個(gè)元素的符號（例如，Si即硅）。 原子序數(shù)：等于原子核中的質(zhì)子數(shù)。特定元素的所有原子具有相

7、同的原子 序數(shù)（因此也具有同樣的電子數(shù)）。 原子質(zhì)量數(shù)：原子中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。同種元素的同位素具有相同 的質(zhì)子數(shù)及不同的中子數(shù)，因此同位素具有不同的質(zhì)量數(shù)。 原子量：也叫原子質(zhì)量。這個(gè)數(shù)字是一種元素自然生成的同位素質(zhì)量按照 其豐度的平均值。原子質(zhì)量單位（amu）是質(zhì)量的相對量度，精確等于碳12 原子質(zhì)量的1/12。 我們將主要關(guān)注周期表族號從IA到VIIIA各列中出現(xiàn)的主族元素。在周期 表中，為每列分配一個(gè)族號，代表價(jià)層電子數(shù)。例如，硼（B）在IIIA族（位 于IIIA列），因此有三個(gè)價(jià)電子。 2.2.1 離子鍵離子鍵 當(dāng)價(jià)層電子從一種元素的原子轉(zhuǎn)移到另一種原子上時(shí)，就會(huì)形成 離子鍵。不

8、穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。氯化鈉就是一個(gè)例子。鈉 （Na）位于IA族，表明價(jià)層有1個(gè)電子。Na是一種高腐蝕性的不穩(wěn)定 元素，在硅片制造中需要小心控制以避免器件沾污。氯（Cl）位于 VIIA族，價(jià)層有7個(gè)電子，原子距離價(jià)層全滿還缺少一個(gè)電子，因此它 也是不穩(wěn)定的。由于這種不穩(wěn)定性，這兩種原子（Na和Cl）彼此具有 親和性。鈉容易失去電子給氯，形成一個(gè)離子鍵。 在離子鍵的形成過程中，電子轉(zhuǎn)移是一個(gè)很普遍的過程，所以這 里定義了兩個(gè)用于這種鍵的特定術(shù)語： 氧化：失去電子 還原：獲得電子 這樣，在NaCl的形成過程中，中性的Na原子失去一個(gè)電子被氧化 成帶正電的Na+離子，中性的Cl原子得到一個(gè)電子還

9、原為帶負(fù)電的Cl- 離子。 2.2.2 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 另一種化學(xué)鍵是共價(jià)鍵，不同元素的原 子共有價(jià)層電子。原子通過共有電子來使價(jià) 層完全填充而變得穩(wěn)定。HCL就是一個(gè)共價(jià) 鍵的例子，其分子是由氫（H）原子和氯 （CL）原子之間的共價(jià)鍵構(gòu)成HCL而組成 的。 2. 3 材料分類材料分類 電流是電荷載流子（金屬中為電子，半導(dǎo)體中為電 子和空穴）在外加電場的影響下從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 電流的單位是安培，或amps。將電子材料主要是根據(jù)電 流怎樣流經(jīng)這種材料來完成的。 根據(jù)流經(jīng)材料電流的不同可分為三類材料： n導(dǎo)體 n絕緣體 n半導(dǎo)體 2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 導(dǎo)體是電子容易以電流方式流過的材料。優(yōu)質(zhì)

10、的導(dǎo)體 具有高度電流傳導(dǎo)能力，稱為電流密度。導(dǎo)體在原子的最 外層通常有一些束縛松散的價(jià)電子，容易失去。金屬典型 地具有這種價(jià)電子層結(jié)構(gòu)。在一般的半導(dǎo)體制造中，鋁是 最普通的導(dǎo)體材料，它可以用來充當(dāng)器件之間的互連線， 而鎢可作為金屬層之間的互連材料。 銅（Cu）是優(yōu)質(zhì)金屬導(dǎo)體的一個(gè)例子，最近它被引入 到硅片制造中取代鋁充當(dāng)微芯片上不同器件之間的互連材 料。Cu有29個(gè)電子，價(jià)層有一個(gè)電子，距離原子核相對較 遠(yuǎn)。這個(gè)電子容易脫離原子獲得自由并且具備傳導(dǎo)電流的 能力。 2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 在導(dǎo)體中把一個(gè)價(jià)電子從價(jià)帶移到導(dǎo)帶只需要很少的 能量。電子的移去在原子價(jià)帶中留下一個(gè)空位，稱為空穴。 每個(gè)導(dǎo)

11、帶電子必定存在一個(gè)價(jià)帶空穴與之對應(yīng)。價(jià)帶電子 能夠躍入空穴的位置，從而推動(dòng)電子的移動(dòng)和導(dǎo)電。這種 狀態(tài)稱為電子空穴對。 在成為導(dǎo)帶自由電子不久，電子即失去能量并跌入價(jià) 帶共價(jià)鍵的空穴。這個(gè)過程稱為復(fù)合。一個(gè)電子從導(dǎo)帶移 出直到復(fù)合所經(jīng)歷的時(shí)間稱為電子空穴對的壽命。熱能 促使電子空穴對持續(xù)不斷的產(chǎn)生并隨之復(fù)合。 2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 n電導(dǎo)率與電阻率 材料傳導(dǎo)電流的性質(zhì)稱為導(dǎo)電性。材料通常用電阻率（），或 者說是對電流的阻礙能力來表征材料的導(dǎo)電性。電阻率越低的材料具 有越好的導(dǎo)電性。電導(dǎo)率和電阻率著這兩個(gè)性質(zhì)只依賴于材料本身， 與幾何形狀無關(guān)，可通過以下公式來表述： 1/C 其中， 以歐姆厘米

12、（cm）為單位的電阻率 C電導(dǎo)率 材料的電阻率在半導(dǎo)體產(chǎn)品中很重要，因?yàn)樗绊懙郊呻娐返?電學(xué)行為。電阻率能以電阻器的電子元件形式設(shè)計(jì)到集成電路當(dāng)中。 在這種情況下，電阻器用于實(shí)現(xiàn)電子電路特定部分需要的電流控制。 某些情況下，電阻率是材料的非理想特性，為電流引入了太多阻礙， 引起功率耗散和集成電路發(fā)熱。 2. 3.1 導(dǎo)體導(dǎo)體 n電導(dǎo)率與電阻率 電阻 電阻阻礙電流流動(dòng)并伴隨著熱消耗。高阻材料具有高的電流阻礙 能力。電阻同時(shí)依賴于材料的電阻率和幾何尺寸，通過下式來計(jì)算： R l/面積 其中，R導(dǎo)體材料的電阻，以為單位 導(dǎo)體材料的電阻率，以cm為單位 l導(dǎo)體的長度，以cm為單位 面積導(dǎo)體的橫截面

13、積，以cm2為單位 硅片制造中特征尺寸的減小使電阻成為一個(gè)重要的參數(shù)。更小的 尺寸引起互連線的電阻增加，這個(gè)非理想的效應(yīng)增加了熱損耗。更低 的電阻正是銅取代鋁作為主要互連線材料的原因。在半導(dǎo)體制造中電 阻應(yīng)用的另一個(gè)例子是利用薄層電阻測量以控制導(dǎo)電薄膜厚度。既然 電阻與幾何尺寸有關(guān)，薄膜的薄層電阻變化也同薄膜厚度有關(guān)。 2. 3.2 絕緣體絕緣體 絕緣體是對電流通過具有很高阻值的材料。絕緣體的另一術(shù)語是 電介質(zhì)。絕緣體的價(jià)電子層不具有束縛松散的電子可用于導(dǎo)電，它有 很大的禁帶寬度來分隔開價(jià)帶電子和導(dǎo)帶電子。日常生活中絕緣體的 例子有橡膠、塑料、玻璃和陶瓷等。半導(dǎo)體制造中的絕緣體包括二氧 化硅（

14、SiO2）、氮化硅（Si3N4）和聚酰亞胺（一種塑料材料）。 凈化后的去離子（DI）水是絕緣體的一個(gè)很好的例子。其電阻率 約為18106 -cm或18M-cm。去離子水中沒有足夠的自由電子維持 小型電池供給的電流。然而，絕緣體的電導(dǎo)率能夠通過攙入雜質(zhì)而增 加。以水為例，可以加入普通的食鹽。鹽在水中分離為它的基本離子 成分鈉（Na+）和氯（Cl-），形成電解液（一種導(dǎo)電的溶液）。這些 帶點(diǎn)離子的最終效應(yīng)與銅導(dǎo)線中的自由電子類似如果有足夠多的帶 點(diǎn)離子，電流就能得以維持。攙入雜質(zhì)來改變絕緣材料的導(dǎo)電性也是 半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)重要方面。 2. 3.2 絕緣體絕緣體 n電容 電容是被電介質(zhì)分隔開的兩個(gè)導(dǎo)

15、電極板上的電荷的存 儲(chǔ)裝置。電容的單位是法拉，而在集成電路中經(jīng)常以皮法 （10-12法拉）來表達(dá)。能夠存儲(chǔ)在電容器中的電荷總量隨 待定的物理性質(zhì)而變化。這些性質(zhì)包括極板面積、極板距 離、極板間絕緣材料的性質(zhì)，更常見的術(shù)語是介電常數(shù)k （法拉每厘米）。空氣的k值為1，而玻璃則在4到7之間。 介電常數(shù)：介電材料是電容器中的關(guān)鍵部分。這種材 料能通過更有效的聚集兩個(gè)導(dǎo)體之間的電場來改變電容器 的電容。介電常數(shù)k已經(jīng)成為一個(gè)重要的半導(dǎo)體性能參數(shù)。 當(dāng)電流流經(jīng)芯片上連接器件的相鄰金屬導(dǎo)線（成為布線） 時(shí)，最好使用低k介質(zhì)來減少電容損耗。 2.3.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 第三種類型的材料是半導(dǎo)體。這種材料很特殊

16、，因?yàn)?它既能充當(dāng)導(dǎo)體也能充當(dāng)絕緣體。半導(dǎo)體材料具有較小的 禁帶寬度（例如Si為1.11eV），其值介于絕緣體（2eV） 和導(dǎo)體之間。這個(gè)禁帶寬度允許電子在獲得能量時(shí)從價(jià)帶 躍遷到導(dǎo)帶。這種行為在半導(dǎo)體被加熱時(shí)發(fā)生，因而其導(dǎo) 電性隨溫度增加而提高（對導(dǎo)體而言則正好相反）。 圓片制造中最重要的半導(dǎo)體材料是硅，它充當(dāng)半導(dǎo)體 圓片襯底超過了芯片總量的85。 2. 4 硅硅 硅是一種元素半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗?個(gè)價(jià)電子，與其他元 素一起位于周期表中的IVA族。硅中價(jià)層電子的數(shù)目使它正好位 于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)價(jià)電子）和絕緣體（8個(gè)價(jià)電子）的中間。 自然界中找不到純硅。必須通過提煉和提純是使硅成為半 導(dǎo)體制造

17、中需要的純硅。它通常存在于硅土（氧化硅或SiO2） 和其他硅酸鹽中。硅土呈砂粒狀，是玻璃的主要成分。其他形 式的SiO2有無色水晶、石英、瑪瑙和貓眼石等。 硅的熔點(diǎn)是1412。硅是一種質(zhì)硬的脆性材料，若變形將 很容易破碎，這與玻璃相似。它可以拋光得像鏡面一樣平整。 硅表現(xiàn)出許多與金屬一樣的性質(zhì)，同時(shí)也具有非金屬的性質(zhì)。 硅介于周期表中導(dǎo)體（金屬）和絕緣體（非金屬）之間，這也 是將硅劃分為半導(dǎo)體的原因。 2.4.1 純硅純硅 純硅是指沒有雜質(zhì)或者受其他物質(zhì) 污染的本征硅。純硅的原子通過共價(jià)鍵 共享電子結(jié)合在一起，并使價(jià)電子層完 全填充,如右圖所示。 硅的許多性質(zhì)源于其強(qiáng)大的共價(jià)鍵。 純硅中的共價(jià)

18、鍵把原子結(jié)合在一起形成 固態(tài)的，電學(xué)上穩(wěn)定的絕緣材料。純硅 是一種拙劣的導(dǎo)體，因?yàn)樗袃r(jià)電子層 都被共價(jià)鍵完全填充。以純硅形式而言， 硅并不是有用的半導(dǎo)體。 當(dāng)兩個(gè)或更多的原子以這種可重復(fù) 的形式結(jié)合在一起形成固態(tài)材料時(shí)，被 稱為晶體。晶體是光滑、透明的固體， 形成了三維的晶格結(jié)構(gòu)。窗戶玻璃就是 晶體材料的一個(gè)例子。 2.4.2 為何選擇硅為何選擇硅 鍺是20世紀(jì)40年代和50年代早期第一個(gè)用作半導(dǎo) 體的材料，但它很快被硅取代了。為什么硅被選為主 要的半導(dǎo)體材料呢？主要有4個(gè)理由： n硅的豐裕度 n更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限 n更寬的工作溫度范圍 n氧化硅的自然生成 2.4.3 摻雜硅摻

19、雜硅 純凈狀態(tài)下的硅在半導(dǎo)體技術(shù)中應(yīng)用極少。不過，借助一個(gè)稱為 摻雜的工序，硅的結(jié)構(gòu)可以通過加入少許其他元素而改變，以顯著增 加其導(dǎo)電性。摻雜是通過加入某種元素到純硅中以明顯增加半導(dǎo)體導(dǎo) 電性的過程。例如，純硅的電阻率（）接近2.5105-cm。如果每 一百萬個(gè)硅原子中有一個(gè)硅原子被一個(gè)砷原子取代，電阻率將下降到 0.2-cm。電導(dǎo)率增加了1250000倍。 摻雜時(shí)加入的元素稱為摻雜劑或雜質(zhì)，因?yàn)楣璨辉偈羌儍舻牧恕?換句話說，我們向硅中摻入雜質(zhì)使得它能傳導(dǎo)電流。摻雜越多，電導(dǎo) 率也越高（或者說電阻率越低）。我們故意摻入雜質(zhì)以增加硅的導(dǎo)電 性。摻雜硅又被稱為非本征硅。 向硅中摻入雜質(zhì)以改變導(dǎo)電性

20、這一概念時(shí)半導(dǎo)體制造的一個(gè)關(guān)鍵 問題。如果能夠摻入雜質(zhì)改變硅的導(dǎo)電性并進(jìn)一步控制硅何時(shí)充當(dāng)導(dǎo) 體或絕緣體，那么我們就把握了固態(tài)技術(shù)的本質(zhì)。 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 n摻雜劑材料摻雜劑材料 硅位于周期表中的IVA族，并且有四個(gè)價(jià)電子。相鄰兩 族的元素通常用于摻雜：IIIA族和VA族。 IIIA族元素由于 具有三個(gè)價(jià)電子而稱為三價(jià)態(tài)，VA族元素則由于具有五個(gè) 價(jià)電子而稱為五價(jià)態(tài)。三價(jià)摻雜劑增加了空穴的數(shù)目（正 性摻雜劑或p型），而五價(jià)摻雜劑將增加自由電子的數(shù)目 （負(fù)性摻雜劑或n型）。 III族（p型） IV族 V族（n型） 硼 5 碳 6 氮 7 鋁 13 硅 14 磷 15 鎵 31 鍺 32

21、 砷 33 銦 49 錫 50 銻 51 受主雜質(zhì)半導(dǎo)體施主雜質(zhì) 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 當(dāng)三價(jià)摻雜劑的原子加入到硅中時(shí)，得到 的材料稱為p型硅。三價(jià)摻雜劑稱為受主（它們 得到一個(gè)額外的可移動(dòng)電子），最常見的受主 元素是硼。當(dāng)五價(jià)元素加入到純硅中時(shí)，得到 的材料稱為n型硅。五價(jià)摻雜劑稱為施主（它們 貢獻(xiàn)一個(gè)額外的可移動(dòng)電子），典型情況下包 括磷、砷和銻。 P 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 n型硅 對于n型硅，導(dǎo)帶電子多于 價(jià)帶空穴。右圖展示了加入五價(jià) 摻雜劑原子的硅。 硅原子和施主磷原子之間將 形成共價(jià)鍵，每個(gè)共價(jià)鍵共用磷 原子的一個(gè)電子。不過，磷原子 的第五個(gè)電子并不束縛在任何硅 原子的周圍，

22、正因?yàn)榇?，磷原?的第五個(gè)電子只需要很少的能量 就可以逃逸并進(jìn)入導(dǎo)帶。對n型 硅而言，導(dǎo)帶自由電子施多數(shù)載 流子，在材料中甚多。也存在少 量的少數(shù)載流子即價(jià)帶空穴。 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 導(dǎo)帶中有1個(gè)電子對導(dǎo)電意義并不顯著。然而當(dāng) 我們對硅進(jìn)行摻雜時(shí)，加入了約數(shù)百萬個(gè)摻雜劑原子， 產(chǎn)生很多不屬于共價(jià)鍵的電子。在電子和空穴之間存 在著大量的移動(dòng)行為。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴 相互吸引。電子可以相對容易地進(jìn)入導(dǎo)帶。如果對材 料施加一個(gè)電壓，電子便能匯聚成電流的形式流過材 料。 要注意摻雜硅仍舊時(shí)電中性的（這對于p型硅和n 型硅都適用）。就n型硅而言，這是因?yàn)槊總€(gè)磷原子 仍有相同的質(zhì)子數(shù)和電子

23、數(shù)，硅原子也是如此。這樣 半導(dǎo)體中電子和質(zhì)子的總量仍然相等，結(jié)果凈電荷為 零。不相等的是，導(dǎo)帶電子（多數(shù)載流子）的數(shù)目遠(yuǎn) 大于價(jià)帶空穴（少數(shù)載流子）的數(shù)目。 B 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 p型硅 在右圖所示的p型硅中，硼原子是p型 受主，與相鄰的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。 硼受主原子由于缺乏第四個(gè)電子而產(chǎn)生了 一個(gè)電子的空缺，因而產(chǎn)生了p型硅。價(jià)電 子層中存在過量的空穴（電子的空缺）。 既然價(jià)帶空穴數(shù)多于導(dǎo)帶電子數(shù)，空 穴就是p型硅中主要的電流載流子?？昭ū?稱為多數(shù)載流子而電子被稱為少數(shù)載流子。 如果對p型硅施加一個(gè)直流電壓，則大量的 空穴將吸引電子從電流源的負(fù)端流向p型半 導(dǎo)體。這就是p型半導(dǎo)

24、體中的電流。由于每 次一個(gè)電子流入一個(gè)空穴將在它前面的位 置產(chǎn)生一個(gè)空穴，看上去就好像空穴在移 動(dòng)。即空穴看起來沿著與電子相反的方向 移動(dòng)。 2.4.3 摻雜硅摻雜硅 摻雜硅的電阻率 通過向硅的晶體結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對硅的電阻 率的精確控制。雜質(zhì)原子在硅中的濃度決定了材料的導(dǎo)電 能力。純硅具有約250000-cm的電阻率，是一種絕緣體。 相比之下，銅是一種優(yōu)良導(dǎo)體，它的電阻率為1.7m-cm。 通過向純硅中加入適當(dāng)類型和濃度的雜質(zhì)，摻雜硅的電阻 率下降，而導(dǎo)電性增加。對于一個(gè)給定的電阻率，n型摻 雜的濃度低于p型的。這是因?yàn)橐苿?dòng)一個(gè)電子比移動(dòng)一個(gè) 空穴需要更少的能量。 要使硅成為有用的導(dǎo)體

25、只需要很小量的摻雜（小至 0.000001到0.1）。這對于在硅片上制做半導(dǎo)體器件 卻是很重要的。在半導(dǎo)體制造期間，硅中的摻雜劑量，或 者說濃度，必須小心控制以獲得準(zhǔn)確的電阻率。 2.4.4 pn結(jié)結(jié) 我們用五價(jià)或三價(jià)元素對純硅進(jìn)行摻雜以獲得n 型或p型半導(dǎo)體。摻雜元素的類型和濃度決定了使電 子還是空穴導(dǎo)電，也決定了硅最終的電阻率值。載流 子數(shù)，進(jìn)而電阻率，決定于硅晶體中的凈施主數(shù)或凈 受主數(shù)。因此，n型摻雜可以注入或擴(kuò)散到p型區(qū)并把 這一區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)閚型區(qū)（反之亦然）。為此，這一區(qū) 域中n型施主的濃度必須大于p型受主的。 結(jié)合硅晶體中n型區(qū)和p型區(qū)的能力很重要，因?yàn)?半導(dǎo)體器件要成為有用的電子

26、器件這兩種區(qū)域都將需 要。n型和p型區(qū)域之間的結(jié)也很重要，它創(chuàng)造出硅作 為半導(dǎo)體的一些有用特性。這個(gè)結(jié)被稱為pn結(jié)。 2.4.4 pn結(jié)結(jié) pn結(jié)是固態(tài)電子學(xué)的精髓，也是半導(dǎo)體硅片隨施加 給結(jié)的電壓不同可以獲得它們獨(dú)一無二的導(dǎo)體或絕緣體 性質(zhì)之根據(jù)所在。在硅片制造中幾乎都是通過離子注入 來制作pn結(jié)的。 注意pn結(jié)是在兩部分本質(zhì)相同的材料之間形成的。 P型和n型材料除去微量的摻雜以外幾乎沒有什么不同。n 型材料由施主雜質(zhì)獲得了過剩的可移動(dòng)電子，而p型材料 具有過剩的可移動(dòng)空穴。說一種材料與另一種材料接觸 是不實(shí)的。結(jié)很緊密，n型和p型材料都是在同一種連續(xù) 固體物質(zhì)中形成的。包含pn結(jié)的硅晶體仍舊看上去像并 且表現(xiàn)得與純的晶體材料類似。 在半導(dǎo)體制造中pn結(jié)的深度和精確度實(shí)很關(guān)鍵的。 隨著器件關(guān)鍵尺寸的縮小，精確控制硅中pn結(jié)（例如結(jié) 深）和摻雜濃度的能力成為半導(dǎo)體芯片制造最主要的挑 戰(zhàn)。 2.5 可選擇的半導(dǎo)體材料可選擇的半導(dǎo)體材料 鍺和硅都是IVA族的兩種元素的半導(dǎo)體材料，有4個(gè)價(jià)電 子。我們知道鍺是用于晶體管制造的第一種半導(dǎo)體材料， 并出于工藝和性能的原因，在20世紀(jì)50年代被硅取代了。 對于特定