为何选硅做半导体材料?多角度分析。

为何选硅做半导体材料?多角度分析。,第1张

(1)热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高,半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗(Ge),温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半。

(2)光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电;受到光照时,就变的容易导电了。例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能。目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源。

(3)搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化。例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上,半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同,更重要的是半导体具有独特的性能(特性)。

1. 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质,半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如,晶体管就是利用这种特性制成的。

2. 当环境温度升高一些时,半导体的导电能力就显著地增加;当环境温度下降一些时,半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”,热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3. 当有光线照射在某些半导体时,这些半导体就像导体一样,导电能力很强;当没有光线照射时,这些半导体就像绝缘体一样不导电,这种特性称为“光敏”。例如,用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等,就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见,温度和光照对晶体管的影响很大。因此,晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后,明确一个基本概验:所谓半导体材料,是一种晶体结构的材料,故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过,在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质,能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型:一种杂质加到半导体中去后,在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子,这种半导体叫做“N型半导体”(也叫“电子型半导体”);另一种杂质加到半导体中后,会产生大量带正电荷的“空穴”,这种半导体叫“P型半导体”(也叫“空穴型半导体”)。例如,在纯净的半导体锗中,加入微量的杂质锑,就能形成N型半导体。同样,如果在纯净的锗中,加入微量的杂质铟,就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体(有大量的带正电荷的空穴)和N型半导体(有大量的带负电荷的自由电子)结合在一起,见图1所示。

图1

在P型半导体的N型半导体相结合的地方,就会形成一个特殊的薄层,这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的(见图1)。

例如,收音机中应用的晶体二极管,其触丝(即触针)部分相当于P型半导体,N型锗片就是N型半导体,他们之间的接触面就是PN结。P端(或P端引出线)叫晶体二极管的正端(也称正极)。N端(或N端引出线)叫晶体二极管的负端(也称负极)。

如果像图2那样,把正端连接电池的正极,把负端接电池的负极,这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此,通过PN结的电流(I=U/R)就很大。这样的连接方法(图2a)叫“正向连接”。正向连接时,晶体管二极管(或PN结)两端承受的电压叫“正向电压”;处在正向电压下,二极管(或PN结)的电阻叫“正向电阻”,在正向电压下,通过二极管(或PN结)的电流叫“正向电流”。很明显,因为晶体二极管的正向电阻很小(几百欧姆),在一定正向电压下,正向电流(I=U/R)就会很大----这表明在正向电压下,二极管(或PN结)具有像导体一样的导电本领。

图2a 图2b

反过来,如果把P端接到电池的负极,N端接到电池的正极(见图2b)。这时PN结的电阻很大(大到几百千殴),电流(I=U/R)几乎不能通过二极管,或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时,晶体管二极管(或PN结)两端承受的电压叫“反向电压”;处在反向电压下,二极管(或PN结)的电阻叫“反向电阻”,在反向电压下,通过二极管(或PN结)的电流叫“反向电流”。显然,因为晶体二极管的正向电阻很大(几百千欧姆),在一定的反向电压下,正向电流(I=U/R)就会很小,甚至可以忽略不计,----这表明在一定的反向电压下,二极管(或PN结)几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论:晶体二极管(或PN结)具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表,在电路中常用图3的符号表示,即表示电流(正电荷)只能顺着箭头方向流动,而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流(将交流电变成直流电)和检波(从高频或中频电信号取出音频信号)以及变频(如把高频变成固定的中频465千周)等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容,叫做“极间电容”(如图4所示)。由于电容抗随频率的增高而减小。所以,PN结工作于高频时,高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时,极间电容对直流和低频的阻抗很大,故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大,极间电容量越大,影响也约大,这就是面接触型二极管(如整流二极管)和低频三极管不能用于高频工作的原因

硅是半导体的原因:硅原子的核外电子第一层有2个电子,第二层有8个电子,达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子,它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。硅晶体中没有明显的自由电子,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。简介:硅是一种化学元素,它的化学符号是Si,旧称矽。原子序数14,相对原子质量28.0855,有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,属于元素周期表上第三周期,IVA族的类金属元素。硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。物理性质:有无定形硅和晶体硅两种同素异形体。晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔点1410℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。晶胞类型:立方金刚石型;晶胞参数:20℃下测得其晶胞参数a=0.543087nm;颜色和外表: 深灰色、带蓝色调;采用纳米压入法测得单晶硅(100)的E为140~150GPa; 电导率:硅的电导率与其温度有很大关系,随着温度升高,电导率增大,在1480℃左右达到最大,而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。化学性质:硅有明显的非金属特性,可以溶于碱金属氢氧化物溶液中,产生(偏)硅酸盐和氢气。硅原子位于元素周期表第IV主族,它的原子序数为Z=14,核外有14个电子。电子在原子核外,按能级由低硅原子到高,由里到外,层层环绕,这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子,第二层有8个电子,达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子,它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。正因为硅原子有如此结构,所以有其一些特殊的性质:最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构,这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合,由于共价键比较结实,硅具有较高的熔点和密度;化学性质比较稳定,常温下很难与其他物质(除氟化氢和碱液以外)发生反应;硅晶体中没有明显的自由电子,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液,于赤热温度下,与水蒸气能发生作用。应用领域:1、高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型半导体。p型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路(包括人们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。2、金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。可应用于军事武器的制造。第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。3、光导纤维通信,最新的现代通信手段。用纯二氧化硅可以拉制出高透明度的玻璃纤维。激光可在玻璃纤维的通路里,发生无数次全反射而向前传输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输256路电话;而且它还不受电、磁的干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。4、性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑,便是经过有机硅塑料处理表面的,因此永远洁白、清新。5、由于有机硅独特的结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性,广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业,其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长,应用领域不断拓宽,形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系,许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。6、硅可以提高植物茎秆的硬度,增加害虫取食和消化的难度。尽管硅元素在植物生长发育中不是必需元素,但它也是植物抵御逆境、调节植物与其他生物之间相互关系所必需的化学元素。

钛硅化物TiSi2:钛硅化物TiSi2因具有工艺简单、高温稳定性好等优点,被最早广泛应用于0.25微米以上MOS技术。其工艺是首先采用诸如物理溅射等方法将Ti金属沉积在晶片上,然后经过稍低温度的第一次退火(600~700℃),得到高阻的中间相C49,然后再经过温度稍高的第二次退火(800~900℃)使C49相转变成最终需要的低阻C54相 。

对于钛硅化物而言,最大的挑战在TiSi2的线宽效应。即TiSi2电阻会随着线宽或接触面积的减小而增加。原因是当线宽变得过窄时,从C49相到C54相的相变过程会由原先的二维模式转变成一维模式,这使得相变的温度和时间将大大增加。而过高的退火温度会使主要的扩散元素Si扩散加剧而造成漏电甚至短路的问题。因此随着MOS尺寸的不断变小,会出现TiSi2相变不充分而使接触电阻增加的现象 。

钴硅化物CoSi2:钴硅化物作为钛硅化物的替代品最先被应用于从0.18微米到90纳米技术节点,其主要原因在于它在该尺寸条件下没有出现线宽效应。另外,钴硅化物形成过程中的退火温度相比于钛硅化物有所降低,有利于工艺热预算的降低。同时由于桥通(bridge)造成的漏电和短路也得到改善 。

虽然在90纳米及其以上尺寸,从高阻的 CoSi到低阻的CoSi2的成核过程还十分迅速,在CoSi2相变过程中没有出现线宽效应。但当技术向前推进到45纳米以下时,这种相变成核过程会受到极大的限制,因此线宽效应将会出现。另外,随着有源区掺杂深度不断变浅,钴硅化物形成过程中对表面高掺杂硅的过度消耗也变得不能满足先进制程的要求。MOS进入45纳米以后,由于短沟道效应(short channel effect)的影响对硅化物过程中热预算提出了更高的要求。CoSi2的第二次退火温度通常还在700℃以上,因此必须寻找更具热预算优势的替代品 。

镍硅化物NiSi:对于45纳米及其以下技术节点的半导体制程,镍硅化物(NiSi)正成为接触应用上的选择材料。相对于之前的钛钴硅化物而言, 镍硅化物具有一系列独特的优势。镍硅化物仍然沿用之前硅化物类似的两步退火工艺,但是退火温度有了明显降低(<600oC), 这样就大大减少对器件已形成的超浅结的破坏。从扩散动力学的角度来说,较短的退火时间可以有效地抑制离子扩散。因此,尖峰退火(spike anneal)越来越被用于镍硅化物的第一次退火过程。该退火只有升降温过程而没有保温过程,因此能大大限制已掺杂离子在硅化物形成过程中的扩散 。


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