硅单晶与硅片基础培训2复习资料

硅单晶与硅片基础培训 2硅单晶的导电性能 1 物质的导电性 2 半导体的主要特性 3 半导体的导电性能浅释 4 PN 结 5 硅单晶导电类型1 物质的导电性电阻率标志物质对电流阻碍能力的物理量。规定以长 1cm，截面积为 1cm2 的物体在一定温度下的电阻值作为该物质在这个温度的电阻率。电阻率的单位是欧姆厘米，表示为 Ω .cm。导体、绝缘体和半导体导体 具有一定的晶体结构，有一定熔化、固化温度，有一定的光泽、颜色，由电子参与导电过程的固态物质 . 导体的电阻率很小，约为 10-6 10-4 Ω .cm。绝缘体 具有一定的结构形式，没有准确的熔化、固化温度，有明显的颜色，但没有光泽，无电子参与导电过程的固态物质。绝缘体的电阻率很大，约为 1010Ω .cm 以上。半导体 具有一定的晶体结构，有一定的熔化、固化温度，有一定的光泽、颜色，既有电子，又有空穴参与导电过程的固态物质。半导体的电阻率正好介于导体和绝缘体之间，约为 10-4 1010Ω .cm。2 半导体的主要特性2.1 热敏性半导体的电阻率会随温度的升高而显著减小，利用这种特性而制作的各种热敏元件被用于自动控制．2.2 光敏性当光线照在半导体上时，它的电阻率就会马上改变．利用这种特性而制作的光电二极管和光敏电阻等光电器件被用于自动控制．2.3 杂质敏感性在纯净的半导体中只要掺入百万分之一的微量杂质，就可以引起导电能力成百万倍的增加．2.4 其它外界影响下的特性3 半导体的导电性能浅释3.1 物质的微观结构自然界中的物质都是由各种元素的原子组成．3.1.1 原子原子的结构很像一个微小的太阳系，中央有个密实的核─原子核．原子核很小，但质量密度很大且带正电荷．原子核的周围有一些带负电荷的电子，他们在自己的轨道上不停地自转并公转，尤如行星围绕太阳的运动一样．3.1.2 电子电子围绕原子核的分布是一层一层有规律的，形成所谓壳层．各壳层所能容纳的电子数目是一定的 , 2,8,18,32,,2n 2 ， （ n0， 1， 2， 3,, ）电子就按这个规律从里到外层层分布着，但并不是刚好合适能完全占满这些位置．– １．电子数目不可能刚好是各壳层所能容纳电子数的总和．– ２．最外层最多只能有８个电子．– ３．次外层不能多于１８个电子．– 锗 Ge 32 ● 2,8,18,4 – 硅 Si 14 ● 2,8,4 – 钾 K 19 ● 2,8,8,1 – 这些结构可以从元素周期表上方便地看出． 在元素周期表中， 原子序数等于该元素原子的电子个数，每一横排叫一个周期，周期数即电子的分层数，每一竖列叫族，族数等于最外层电子数．3.2 硅单晶是如何导电的3.2.1 元素的化学性质由外层电子决定 在原子中， 靠近原子核的 内层电子能量最小， 因为它受 原子核正电荷的束搏（库仑引 力）最强，故而最稳定．相对来说外层电子具有较 大的能量， 如果一旦获得外加 能量， 就比较容易越出原来的 运行轨道而脱离这个原子和别 的原子产生联系．因此我们说 ，元素的化学性质是由外层电 子决定的．3.2.2 导体与绝缘体的导电性在 导体 中，存在着 大量的自由电子 ．这些自由电子在外电场的作用下就会以外电场的相反方向作定向运动，从而形成电流，显现出导电性．在 绝缘体 中，电子被原子核牢牢地束缚着， 极少有自由电子 ，即使在电场的作用下也很难有电子的运动，所以不能形成电流，显现出绝缘性．3.2.3 半导体的导电性3.2.3.1 价电子在半导体中，存在着 大量的价电子 （没有充满的外层电子） ．虽然它们不是自由电子，但是所受的束缚不是那么牢，只要给以一定的能量就能使其成为自由电子．例如硅原子的 共价键 ，价电子只需获得 1.1 电子伏特 的能量就能成为自由电子 共价键两个原子共用一对自旋相反的电子所形成的结合键。１、共价键具有饱和性和方向性。一个原子只能形成有限数量的共价键。原子中价电子壳层如不到半满，则能形成的共价键的数目与价电子数目相等；原子中价电子壳层如超过半满时，则能形成的共价键的数目少于价电子数目；2、共价晶体的结构与特征空间方向键、低配位数、结合力大、硬度大、脆性大、熔点高。陶瓷、半导体、聚合物材料等大多数为共价键结合。硅原子的共价键结构硅是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。本征激发和复合当半导体处于热力学温度 0 K 时，半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。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。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。3.2.3.2 两种载流子当一个价电子成为自由电子而运动时，它原来占据的位置就成为一个空位称之为空穴．这个空穴又可能被邻近的价电子来填补．这样电子不断运动，空穴也在相应的运动，这就是半导体中载流子的运动．载流子的运动形成电流，从而具有导电性．半导体中存在着两种载流子，一种叫 “ 电子 ” ．另一种叫 “ 空穴 ” ，其中主要由电子导电的称为Ｎ型半导体，主要由空穴导电的称为Ｐ型半导体．3.2.3.3 本征半导体和掺杂半导体纯净的半导体 称为 本征半导体。本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。在实际应用中，人们往往有意地向半导体中 掺入一定量的施主或受主杂质 ，使之成为需要的 Ｎ型或Ｐ型 半导体，来满足使用要求。掺入杂质的多少（ 杂质浓度 ）直接影响半导体的 电阻率3.2.3.4 N 型硅单晶硅是Ⅳ族元素，最外层有四个电子。在硅单晶生长过程中掺入一定量的施主杂质如锑、磷、砷等Ⅴ族元素使之成为Ｎ型硅单晶。Ⅴ族元素的原子最外层有五个电子，比硅原子多出一个电子，这个电子受到的束缚很小，只需很小的能量（约等于 0.04 电子伏特）就能挣脱束缚而成为自由电子，而失去电子的原子会带正电。这样一来硅单晶的导电性能就会大大提高。由于Ⅴ族元素能提供电子，所以称为施主杂质。在Ｎ型硅单晶中，电子是多数载流子，是导电的主体。3.2.3.5 P 型硅单晶如果在硅单晶生长过程中掺入Ⅲ族元素如硼．铝．镓或铟，就得到Ｐ型硅单晶．Ⅲ 族元素最外层有三个电子， 比硅少一个电子， 在和硅原子组成共价键时就会缺少一个电子而可能从别的硅原子价键中夺取一个电子，被夺取的硅原子就存在了一个空穴．在Ｐ型硅单晶中空穴就成为多数载流子而起主要导电作用．3.2.3.6 硅中杂质浓度与电阻率的关系掺入杂质的多少（杂质浓度）直接影响硅单晶的电阻率太阳能硅单晶的电阻率 直拉硅单晶的性能参数（国标讨论稿）型号 晶向 掺杂元素 电阻率范围Ω .cm 少子寿命μ s P 或 硼 0.5-6 100 N 或 磷 0.5-3.5 20 3.3 少数载流子寿命4 PN 结4.1 PN 结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成 N 型半导体，另一边形成 P 型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了 PN结。4.2 PN 结的阻挡层4.2.1 PN 结附近，由于交界面两侧两种载流子浓度差的存在， N 区的电子必然越过界面向 P 区扩散， 并与 P 区界面附近的空穴复合而消失，在 N 区的一侧留下了一层不能移动的 施主正离子 ；同样， P 区的空穴也越过界面向 N 区扩散，并与 N 区界面附近的电子复合而消失，在 P 区的一侧，留下一层不能移动的 受主负离子 。4.2.2 扩散的结果造成正负电荷在 PN 结两侧的 积累 ，形成空间电荷层及一个由 N 区指向 P 区的电场，称为 内电场 。内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移。4.2.3 当 扩散运动 与 漂移运动 达到动态平衡时，形成稳定的 空间电荷区 。由于空间电荷区 4.3 PN 结的单向导电性PN 结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过 PN 结的电流为零。PN 结外加正向电压时，正向电流较大，相当于 PN 结导通，外加反向电压时，反向电流很小，相当于 PN结截止。这就是 PN结的 单向导电性 。内缺少 载流子，所以又称为 耗尽层 或 阻挡层 。4.3.1 外加正向电压 （正偏）当电源正极接 P区，负极接 N 区时，称为给 pN 结加 正向电压 或 正向偏置 。由于 PN 结是高阻区，而 P 区和 N 区的 电阻 相对很小，所以 正向电压 几乎全部加在 PN 结两端。在 PN结上产生一个 外电场，其方向与内电场相反。在外电场的推动下， N 区的电子要向 P 区扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，同样， P 区的空穴也要向 N 区扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和。扩散的结果使 内电场减弱 ， 破坏了 PN结原有的动态平衡。 于是扩散运动超过了漂移运动， 扩散又继续进行。与此同时，电源不断向 P 区补充正电荷，向 N 区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的 正向电流 IF。而且 IF 随着正向电压的增大而 增大 。4.3.2 外加反向电压 （反偏）当电源正极接 N 区、负极接 P区时，称为给 PN 结加 反向电压 或 反向偏置 。反向电压产生的外加电场的方向 与内电场的方向相同 ，使 PN 结内电场加强，它把 P 区的多子（空穴）和 N区的多子（自由电子）从 PN 结附近拉走，使 PN 结进一步加宽，PN 结的 电阻 增大，打破了 PN 结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过 PN 结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为 反向电流 IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故 反向电流很小 ，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为 反向饱和电流 。当反向电流可以忽略时，就可认为 PN结处于截止状态。光生伏特效应当太阳能电池受到 阳光照射 时， 电子 接受光能，向 N 型区移动，使 N 型区带负电；同时 空穴 向 P 型区移动， 使 P型区带正电。 这样， 在 P－ N 结两端便产生了电动势， 也就是通 常所说的电压。 这种现象就是 “光生伏特效应” 。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一 个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前， 技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。1953 年美国贝尔研究所首先应用这个原理试制成功硅太阳电池， 获得 6光电转 换效率的成 果。 太阳能电池的出现， 好比一道曙光， 尤其是航天领域的科学家， 对它更是注目。 这是由于当时宇宙空间技术的发展，人造地球卫星上天， 卫星和 宇宙飞船上的电子仪器和设备， 需要足够的持续不断的电能， 而且要求重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动的影响。太阳能电池完全满足这些要 求，5. 硅单晶的导电类型硅片导电类型测量按 GB/T 1550 进行 硅片导电类型的检验方法主要有热探针法、冷探针法、 点接触整流法、全类型系统测试法和霍尔效应极性法等。热探针法和冷探针法基本原理热探针法和冷探针法 热电动势法利用半导体的温差效应，通过观测温差电流的方向来判断所测样品的导电类型。测试装置与方法描述具有 不同温度的两只金属探针 接触被测样品表面后，两接触点间产生 温度差 。与热探针接触的部位温度较高（ 热区 ） ，与另一探针接触的部位温度较低（ 冷区 ） 。载流子的 热运动 速度与温度有关，热区载流子的热运动速度大于冷区，形成由热区到冷区的载流子热运动 扩散流 ，使冷、热两端产生 电荷积累 ，建立起 电场 。随着电荷积累增多，电场强度加大，最后在冷、热两端形成一稳定的电势差（ 温差电动势 ） 。在两探针间接入一个检流计，即会有 温差电流 流过，温差电流的 方向 与试样的导电类型有关，从而可判断被测样品的导电类型。N 型硅单晶被测样品为 N 型 ，其多数载流子为 电子 。载流子热运动形成由热端到冷端的 电子流 ，其结果在冷端产生电子积累而带负电，热端缺乏电子而带正电。冷、热两端间 电场的方向 由热端指向冷端，其 温差电动势的方向 与电场方向一致， 温差电流 从热端流向冷端，零位指示器 表针 向 负方向 偏转。P 型硅单晶当样品为 P 型 时，载流子热运动形成由热端到冷端的 空穴流 ，冷端产生空穴积累而带正电，热端缺乏空穴而带负电。冷、热两端间 电场的方向由冷端指向热端 ，其温差电动势的方向与电场方向一致， 温差电流 从冷端流向热端，零位指示器 表针 向 正方向 偏转。 测试步骤 ① 热探针接零位指示器负端，冷探针接正端； ② 将热探针温度升到 40～ 60℃； ③ 将两只探针 间隔在几毫米内 向下稳定地不损坏硅片地压到硅片上； ④ 观察零位指示器指针偏转的情况； ⑤ 移动测试点，以确定被测硅片的导电类型。 注意事项 ① 去除 热探针上的氧化层 ； ② 被测 样品表面 应无 氧化层 ； ③ 热探针温度 要适宜，以免造成本征激发； 如果本征激发的载流子数量接近或超过杂质电离产生的载流子时，由于电子的扩散速度大于空穴而致冷端的电子多于空穴，于是温差电动势总是负的，显示出 N 型特征，当被测试样为 P 型时就会引起误判。 ④ 热探针法只适合于室温 电阻率 在 1000Ω.㎝以下的硅材料。 理论计算表明，温差电动势随样品电阻率的升高而加大，但是由于样品电阻率很高，尽管电动势大了，温差电流却很小。2010.05.