Chap1 硅的晶体结构.ppt

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1、Chap1硅的晶体结构自然界中的固态物质，简称为固体，可分为晶体和非晶体两大类。晶体类包括单晶体和多晶体。集成电路和各种半导体器件制造中所用的材料，主要有以下三种：（1）元素半导体，如硅、锗；（2）化合物半导体，如砷化镓、磷化铟；（3）绝缘体，如蓝宝石、尖晶石。目前主要是硅、锗和砷化镓等单晶体，其中又以硅为最多，这是因为硅元素在自然界中的含量十分丰富，大约占地壳25%以上（按质量计算）。硅器件占世界上出售的所有半导体器件的90%以上。因此本章只讲硅晶体的有关特点。1.1硅晶体结构1.晶胞晶体的重要特点是组成晶体的原子、分子、离子是按一定规则周期排

2、列着。任一晶体都可以看作是由质点（原子，分子，离子）在三维空间中按一定规则做周期重复性排列所构成的。(1)晶格：晶体的周期性结构称为晶体格子。(2)单晶体：整个晶体是由单一的晶格连续组成。(3)多晶体：晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。(4)晶胞：能够最大限度地反应晶体对称性质的最小单元。(5)各向异性：晶体在不同方向上的物理特性是不相同的。2.金刚石结构特点（1）共价四面体：硅由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一长度套构而成的。一个原子在四面体的中心，另外4个同它共价的原子在正四面体的4个顶角上，这种四面体也称共价四面体。（2）

3、晶体内部的空隙金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的“空隙”。硅晶体内大部分是“空”的一些间隙杂质能很容易地在晶体内运动并存在于体内，同时对替位杂质的扩散运动提供了足够的条件。1.2晶向、晶面和堆积模型1.晶向：表示一族晶列所指的方向。2.晶列：晶格中的原子处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。3.[m1,m2,m3]晶向指数，<>表示晶向族；(h1,h2,h3)晶面，{}表示晶面族4.面心立方晶体结构是立方密堆积，（111）面是密排面。5.双层密排面的特点：(1)在晶面内原子结合力强，晶面与晶面之间距离较大，结合薄弱。(2)

4、两个双层面间，间距很大，而且共价键稀少，平均两个原子才有一个共价键，致使双层密排面之间结合脆弱。6.金刚石晶格晶面的性质：（1）由于{111}双层密排面本身结合牢固，而双层密排面之间相互结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着{111}晶面劈裂。这种易劈裂的晶面称为解理面。（2）由{111}双层密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上。（3）因{111}双层密排面之间距离很大，结合弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展。（4）{111}双层密排面结合牢固，表明这样的晶面能量低。由于这个原因，在晶体生长中有一种使晶体表面为{11

5、1}晶面的趋势。1.3硅晶体中的缺陷晶体中的缺陷有以下几种：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。一、点缺陷在各个方向上都没有延伸，包括：间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷和外来原子（替位式或间隙式）等。如图1.1所示。图1.1.晶格中的点缺陷和类型弗伦克尔缺陷间隙硅原子硅原子间隙位置杂质替位位置的杂质空位或肖特基缺陷二、线缺陷在某一方向上延伸，在延伸方向的尺寸很大，在另两个方向的尺寸很小。硅晶体大部分滑移面为（111）晶面。三、面缺陷二维缺陷，在两个方向上的尺寸都很大，另外一个方向上的尺寸很小。1.多晶的晶粒间界。2.层错四、体缺陷1.4硅中杂

6、质1.半导体电阻率的高低与所含杂质浓度有密切的关系。本征半导体：不含杂质，也就是纯净半导体，它的电阻率即载流子浓度是由自身的本征性质所决定。杂质半导体：掺入一定数量杂质的半导体。2.施主杂质：位于晶格位置又能贡献电子的原子。V族，n型。受主杂质：能接受电子，即能向价带释放空穴而本身变为负电中心的杂质。III族，P型。3.浅能级：靠近价带顶和导带底。深能级：位于禁带中心附近。1.5杂质在硅晶体中的溶解度1.固溶体：当把一种元素B（溶质）引入到另一种元素A（溶剂）的晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，而仍保持原来晶体A的晶体结构，这样的晶体

7、称为固溶体。2.固溶度：在一定温度和平衡态下，元素B能够溶解到晶体A内的最大浓度，称为这种杂质在晶体中的最大溶解度。3.固溶体分类：按溶质在溶剂中存在形式。（1）替位式固溶体：溶质原子占据溶剂晶格格点上的正常位置，而且杂质原子在各点上的分布是无序的。(2)间隙式固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格的间隙中，其分布也是无规则的。4.某种元素能否作为扩散杂质的一个重要标准：看这种杂质的最大固溶度是否大于所要求的表面浓度，如果表面浓度大于杂质的最大固溶度，那么选用这种杂质就无法获得所希望的分布。1.6硅单晶体制备多晶硅：晶格原子无规则排列。是制作单晶硅的原始

8、材料。一、多晶硅制备1.制备方法2.提纯二、单晶硅的制备成核和长大。制备方法：直拉法（切克劳斯基法），悬浮区熔法三、单晶硅性能的测试1.