ch02半导体材料特性

課程大綱1.描述原子，包含其價電殼、能帶理論與離子。2.解釋週期表，同時說明離子鍵與共價鍵如何形成。3.由電流之流動觀點說明材料之3大分類。4.解釋電阻率、電阻與電容，並能詳細敘述這些參數於晶圓製造時之重要性。5.敘述純矽，同時說明為何其能成為最重要半導體材料之4項原因。6.解釋摻雜並且說明為何加入3價與5價摻質可使得矽成為有用之半導體材料。7.討論p型矽 (受體) 與n型矽 (施體)，描述加入摻質如何改變其電阻率並解釋pn接面。8.討論其他的半導體材料，描述砷化鎵之優缺點。 第一页，共36页。原子結構 物質 元素 核心 質子 中子 價電殼 電子 分子 化合物 電子 電子能量 價電殼 固態能帶理論 離子 第二页，共36页。碳原子的元素模式 碳原子碳原子 ：原子核包含相同數目的質子 (+) 和中子， 6個電子 () 繞原子核外圍軌道運轉。價電子價電子電子電子(負電荷 )中子中子(中性)原子數原子數(質子數 ) 核心核心 (原子中心；包含質子和中子 )軌道殼軌道殼質子質子(正電荷 ) 價電殼價電殼(原子外殼原子外殼 )C 6+ + +N NN N+ +N NN N+ + +N N+ +N N- - - - - - -圖 2.1 第三页，共36页。氫原子模型的電子殼層圖 2.2 K = 2L = 8M = 18N = 32O = 32P = 10Q = 2第四页，共36页。Na和Cl的電子軌跡模型 -Na 11鈉原子鈉原子氯原子氯原子Cl 17-圖 2.3 第五页，共36页。能帶 半導體導電帶價電帶電子能量 導電帶價電帶絕緣體 電子能量 導電帶價電帶重疊之能帶 僅需一小能量便可傳導導體 電子能量 圖 2.4 能隙能隙第六页，共36页。NaClNa+ 當一個原子失去一個電子成為正離子Na 11-Cl當一個原子得到一個電子成為負離子Cl 17-圖 2.5 第七页，共36页。週期表常用元素的特性離子鍵共價鍵 第八页，共36页。元素週期表圖 2.6 Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH1 1.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912 24.312MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Phosphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxygen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46 106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium 210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat- inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257Transition MetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinides第九页，共36页。C612.011152.035703470 s. 0.77原子量陰電性酸鹼特性 原子數 熔點 ()*沸點 () 原子半徑 ()* 基於碳 12. () 表示大部分穩態或同位素。 s.表示昇華。 氧化物之區分，若為紅色則為酸性，若為藍色則為鹼性，且顏色之深淺代表酸鹼性之強弱。此外，若同時顯示兩色，則表示具備兩種特性。週期表的元素方格 圖 2.7 第十页，共36页。常用於晶圓製造之族群化學元素特性 Continued on next slide表 2.1 第十一页，共36页。常用於晶圓製造之族群化學元素特性(續)表 2.1 第十二页，共36页。具離子鍵的NaCl結構 Cl-Na+圖 2.8 第十三页，共36页。- - - - - - - - - - - - - - - -Cl 17- - - -H 1氫原子氯原子H + Cl HCl2個原子共用一個電子，形成共價鍵HCl的共價鍵 圖 2.9 第十四页，共36页。材料之分類導體導體絕緣體絕緣體半導體半導體 第十五页，共36页。電子電流 圖 2.10 銅線提供電子流通電徑，從負端通過燈泡內的白熱絲且回到電池正端。e-6 Volt電池 e-e-e-第十六页，共36页。銅原子銅原子 價電殼之孤立電價電殼之孤立電子子- - - - - - - - - - - - - - - -Cu 29- - - - - - - - - - - - - - -KLMN銅 (Cu) 的自由電子流 殼層KLMN總數總數每層電子最大數目281832 60每層電子實際數目28181 29圖 2.11 第十七页，共36页。線的尺寸如何影響電阻 高電阻高電阻低電阻低電阻 LAR =圖 2.12 第十八页，共36页。晶圓加入雜質以增加其導電率 鹽於水中解離成Na+和Cl 離子，提供一電流傳導路徑。e-e-e-e-+ +- -6 Volt電池Na+Cl-H2O圖 2.13 第十九页，共36页。基本電容器結構K = 介電常數 (F/cm)A = 導電板面積 (cm2)S = 導電板間距離 (cm) KASC =電容公式電容公式導體(金屬板 )導體(金屬板 )介電層(玻璃)導線導線電容器的符號 圖 2.14 第二十页，共36页。電池對電容器的充電 1.5 V開關 帶正電荷導電板帶負電荷導電板靜電場 e-e-e-e-e-1.5 V電池圖 2.15 第二十一页，共36页。電容儲存電荷 帶負荷平面電場 1.5 V帶正荷平面 圖 2.16 第二十二页，共36页。低k介電材料 金屬層 2介電材料 *金屬層 1電容*低k介電材料降低兩金屬層間的等效電容圖 2.17 第二十三页，共36页。矽 純矽 為何採用矽？ 具摻雜之矽 摻質之材料 n型矽 p型矽 摻雜矽之電阻率 pn接面 第二十四页，共36页。半導體半導體IVA族 C，碳6Si，矽14Ge，鍺32Sn，錫50Pb，鉛82 4A族元素半導體 圖 2.18 第二十五页，共36页。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結 矽的共價鍵 圖 2.19 第二十六页，共36页。二氧化矽 (SiO2)矽晶片矽晶片上的SiO2圖 2.20 第二十七页，共36页。矽的摻雜 PSiSiSiSiSiSiPPPP塗佈雜質晶片摻質層摻質原子擴散通過矽沈積步驟驅入 & 擴散步驟晶片基板活化步驟圖 2.21 第二十八页，共36页。Group III (p型) 硼硼 5鋁 13鎵 31銦 49Group IV 碳 6矽矽 14鍺 32錫 50Group V (n-型型)氮 7磷磷 15砷砷 33銻銻51受體雜質受體雜質施體雜質施體雜質半導體半導體* 劃線元素使用於矽基板的IC製程。 矽摻雜 圖 2.22 第二十九页，共36页。施體原子供應額外的電子形成n型矽磷原子當作磷原子當作 n型型的摻質的摻質多出的電子多出的電子 ()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi P P P摻雜磷以形成n型矽 圖 2.23 第三十页，共36页。自由電子流在n型矽 自由電子往正端流自由電子往正端流 電源供應的正端 電子流電源供應的負端電源供應的負端 圖 2.24 第三十一页，共36页。受體電子提供一個電子空位，形成p型矽 電洞電洞 硼原子當作硼原子當作p型的摻質型的摻質SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB摻雜硼以形成p型矽 圖 2.25 第三十二页，共36页。在p型矽的電洞流 電子流電子流電洞流電洞流電源供應的正端電源供應的正端 電源供應的負端 電洞往負端流電洞往負端流電子往正端流電子往正端流圖 2.26 第三十三页，共36页。矽的電阻率與摻質濃度之關係 Redrawn from VLSI Fabrication Principles, Silicon and Gallium Arsenide, John Wiley & Sons, Inc.電阻率 (-cm)10211020101910181017101610151014101310-310-210-1100101102103n-型 p-型 圖 2.27 摻質濃度 (atoms/cm3) 第三十四页，共36页。p-型矽 n-型矽pn接面橫切面 圖 2.28 第三十五页，共36页。其他半導體材料表