16杂质掺杂(半导体器件物理)

半导体材料的掺杂半导体材料的掺杂技术在现代电子学和光电子学领域中扮演着重要的角色。

通过掺杂，可以调控半导体材料的电子性质，使其适用于不同的应用。

本文将介绍半导体材料的掺杂原理、常见的掺杂技术以及应用案例。

一、掺杂原理半导体材料是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。

掺杂是通过向半导体材料中引入杂质原子，改变其原有的电子能带结构，从而调制材料的导电性质。

在半导体掺杂中，使用的杂质原子主要分为两类：施主和受主。

施主是指在原有的半导体材料中引入的少数载流子浓度高于基底的杂质原子。

施主杂质原子通常具有多余的电子，可以轻易地释放出电子，并增加材料的导电性能。

常见的施主杂质有磷、砷和锑等。

受主是指引入的杂质原子质子数较晶体原子少的原子，通常其电子数目少于晶体中的空穴数目。

受主杂质可以对原有的半导体材料中的空穴进行俘获，从而增加材料的导电性能。

常见的受主杂质有硼、铝和铍等。

通过掺杂不同类型的杂质原子，可以改变半导体材料的电阻率、载流子浓度和导电类型，从而满足各种不同应用的要求。

二、常见的掺杂技术1. 扩散掺杂扩散掺杂是一种常见的半导体掺杂技术，通过加热半导体材料和杂质原料使其相互扩散，从而实现杂质的掺入。

这种方法适用于依靠温度激活和表面扩散的杂质元素。

2. 离子注入离子注入是另一种常见的掺杂技术，通过使用加速器将高能的杂质离子注入到半导体材料中。

离子注入具有高度的控制性和灵活性，可以实现在不同深度和浓度的掺杂。

该方法适用于高精度和高浓度掺杂。

3. 分子束外延分子束外延是一种用于生长高质量薄膜的掺杂技术。

通过将杂质原子束引入生长表面，可以在不破坏晶体结构的情况下，实现杂质原子的掺入。

三、应用案例1. 光电子器件半导体材料的掺杂技术在光电子器件中具有重要应用。

例如，将锗材料掺入适量的砷原子可以转变为n型半导体，从而制作出高效的红外探测器。

另外，通过将硅材料掺入适量的磷原子，可以制作出高效的太阳能电池。

这是因为磷的掺入可以增加材料的导电性能，提高太阳能的转化效率。

第十一章掺杂概述导电区和N-P结是晶圆内部或表面形成的半导体器件的基本组成部分。

他们是通过扩散或离子注入技术在晶圆中形成的。

本章将具体介绍N-P结的定义，扩散与离子注入的原理及工艺。

目的完成本章后您将能够：1.定义P-N结。

2.画出完整的扩散工艺流程图。

3.描述淀积步骤与推进步骤的不同。

4.列举三种类型的淀积源。

5.画出淀积和推进工艺的典型杂质浓度与深度位置的关系曲线。

6.列举离子注入机的主要部件。

7.描述离子注入的原理。

8.比较扩散与离子注入工艺的优势劣势。

结的定义使晶体管和二极管工作的结构就是N-P结。

结（junction）就是富含带负电的电子的区域（N 型区）与富含空穴的区域（P型区）的分界处。

结的具体位置就是电子浓度与空穴浓度相同的地方。

这个概念在扩散结的形成章节中已作过解释。

在半导体表面形成结的通常做法是热扩散（diffusion）或离子注入（ion implantation）。

掺杂区的形成扩散的概念扩散掺杂工艺的发展是半导体生产的一大进步。

扩散，一种材料通过另一种材料的运动，是一种自然的化学过程，在现实生活中有很多例子。

扩散的发生需要两个必要的条件。

第一，一种材料的浓度必需高于另外一种。

第二，系统内部必须有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。

扩散的原理被用来将N-型或P-型杂质引进到半导体表层深部。

然而，小尺寸器件的要求使业界转而采用离子注入作为主要的掺杂技术。

但是，一旦杂质进入晶圆的表面，后续的高温过程都会使它继续移动。

扩散定律决定了后续的移动。

气相扩散的一个例子就是常见的充压的喷雾罐（图11.1），比如房间除臭剂。

按下喷嘴时，带有压力的物质离开罐子进入到附近的空气中。

此后，扩散过程使得气体移动分布到整个房间。

这种移动在喷嘴被按开时开始，并且在喷嘴关闭后还会继续。

只要前面的喷雾引入的浓度高于空气中的浓度，这种扩散过程就会一直继续。

随着物质远离喷雾罐，物质的浓度会逐渐降低。

半导体掺杂原理
半导体掺杂原理是指通过在半导体中引入掺杂物质，改变其本征材料的特性。

掺杂是通过在晶体格构的半导体晶体中加入少量杂质原子实现的。

掺杂分为两种类型：施主型和受主型。

施主型掺杂是指在半导体晶体中加入外界杂质原子，使晶体中的电子能带由本征材料的价带向导带平移。

典型的施主型杂质有磷、砷等。

这些杂质原子具有多余的电子，被称为自由电子或
n型载流子。

受主型掺杂是指在半导体晶体中加入外界杂质原子，使晶体中的电子能带由本征材料的导带向价带平移。

典型的受主型杂质有硼、铝等。

这些杂质原子具有多余的空位，称为空穴或p型载流子。

掺杂可以改变半导体的导电性能。

在n型半导体中，自由电子成为主要的载流子，因此具有较好的导电性能。

在p型半导体中，空穴成为主要的载流子，也具有较好的导电性能。

在半导体器件的制造过程中，根据所需的电性能选择合适的掺杂原则，可以实现不同种类的器件。

此外，半导体掺杂还可以调节半导体的能带结构，影响电子的能量状态和运动规律。

通过掺杂，可以改变半导体的禁带宽度，从而影响半导体器件的特性和性能。

在器件制造过程中，通过合适的掺杂原则和掺杂浓度，可以实现所需的电子特性和器件功能。

总的来说，半导体掺杂原理是通过在半导体中引入掺杂物质，改变其电子能带结构和载流子类型，从而调节半导体的导电性
能和器件特性。

这一原理为半导体器件的制造和应用提供了重要的基础，并在现代电子技术中具有广泛的应用。

半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理是研究半导体材料（如硅、锗等）的电学、光学、磁学、热学等性质及其在半导体器件中的应用的学科。

半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其具有特殊的电子能带结构和载流子特性，使其在电子器件中具有广泛的应用。

半导体材料的物理研究主要包括以下几个方面：
1. 能带理论：半导体材料的导电特性与其电子能带结构紧密相关，能带理论研究了材料中电子的能量分布与输运特性。

2. 载流子特性：半导体材料中的导电是由自由电子和空穴贡献的，研究载流子的产生、寿命、迁移特性等有助于理解半导体材料的导电机制。

3. 杂质和缺陷：半导体材料中引入杂质原子或缺陷点可以改变其电学特性，研究杂质掺杂和缺陷制备对器件性能的影响是半导体材料的重要研究内容。

4. 光学性质：半导体材料对光的响应是其在光电子器件中应用的基础，研究半导体的光学吸收、发射、散射等性质对器件的设计和优化起到关键作用。

在半导体材料的基础上，半导体器件物理研究了各种半导体器件的原理、结构、制备工艺以及性能优化等方面的问题。

常见的半导体器件包括二极管、场效应晶体管（MOSFET）、太阳能电池、光电二极管等。

研究半导体器件物理可以深入了解器件的工作原理，优化器件结构和参数，提高器件的性能和可靠性。

半导体材料与器件物理在电子、光电子、纳米技术等领域的应用非常广泛，对于现代电子和信息科技的发展具有重要的意义。

《半导体器件物理》课程试验教学大纲《半导体器件物理》课程试验大纲课程编码：01222316 课程模块：专业方向课修读方式：限选开课学期：5课程学分：2.5 课程总学时：51 理论学时：36 实践学时：15一、实践课程的任务与要求本课程是微电子学专业试验课，是一门专业性和实践性都很强的课程。

本课程的主要任务是使学生把握半导体材料和器件的一些根本物理参数和物理性质的测试方法以及清洗、氧化、集中等微电子器件制造工艺，为微电子器件开发设计和研制铺垫必备根底和实际操作技能。

通过试验培育学生对半导体器件制造工艺的试验争论力量，培育学生实事求是、严谨的科学作风，培育学生的实际动手力量，提高试验技能。

其具体要求如下：1.了解微电子相关的一些设备的功能和使用方法，并能够独立操作。

2.通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的力量，提高理论学习的主动性。

3.了解半导体器件制造的根本工艺流程。

二、试验工程、内容、要求及学时安排试验一用晶体管特性图示仪测量晶体管的特性参数试验目的或试验原理了解晶体管特性图示仪的工作原理；学会正确使用晶体管特性图示仪；试验内容测量共放射极晶体管的输入特性、输出特性、反向击穿特性和饱和压降等直流特性。

晶体管特性图示仪:XJ4810A 型，NPN 和 PNP 晶体管。

试验二四探针法测量电阻率试验目的或试验原理把握四探针法测量电阻率的根本原理和方法，以及具有各种几何外形样品的修正；分析影响测量结果的各种因素。

试验内容1.测量单晶硅样品的电阻率；2.测量集中薄层的方块电阻；3.测量探针间距 S 及样品的尺寸；4.对测量结果进展必要的修正。

试验主要仪器设备及材料四探针测试仪: D41-11D/ZM、P 型或N 型硅片、外延硅片。

试验三 P—N 导电类型鉴别试验目的或试验原理1.了解热电动势〔也称冷热探针法〕和整流法的工作原理；2.分别承受热电动势和整流法来推断硅片的导电类型。

试验内容1.承受整流法来推断硅片的导电类型；2.承受热电动势法来推断硅片的导电类型。

Al l 半导体器件物理复习题一．平衡半导体：概念题：1.平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义）所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。

在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。

2.本征半导体：本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。

3.受主（杂质）原子：形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。

4.施主（杂质）原子：形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。

5.杂质补偿半导体：半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。

6.兼并半导体：对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度，费米能级高于导带底（）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有0F c E E ->效状态密度。

费米能级低于价带顶（）。

0F v E E -<7.有效状态密度：在价带能量范围（）内，对价带量子态密度函数~v E -∞8.以导带底能量为参考，导带中的平衡电子浓度：c Ee an dAl i nod o其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。

9.以价带顶能量为参考，价带中的平衡空穴浓度：v E 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。

10.11.12.13.14.本征费米能级：Fi E 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，15.本征载流子浓度：i n 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度。

硅半导体，在00i n p n ==时，。

300T K =1031.510i n cm -=⨯16.杂质完全电离状态：当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。

什么是杂质半导体?杂质半导体是指在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。

其缘由是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。

假如使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。

1、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很简单被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。

每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

如图1所示。

图1 N型半导体的晶体结构在N型半导体中，自由电子的浓度远大于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中空穴称为少数载流子（简称少子）。

N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。

2、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。

这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。

由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。

如图2所示。

图2 P型半导体的晶体结构在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，因此空穴称为多数载流子（简称多子），而其中自由电子称为少数载流子（简称少子）。

P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。

在杂质半导体中，多数载流子的浓度由掺入的杂质浓度打算；少数载流子的浓度主要取决于温度的影响。

对于杂质半导体来说，无论是N型还是P型半导体，从总体上看，仍旧保持着电中性。

为了简洁起见，通常只画出其中的正离子和等量的自由电子来表示N型半导体，同样地，只画出负离子和等量的空穴来表示P型半导体，分别如图3所示。