第三章 微纳制造工艺_2半导体材料与制备(白底).pptx

第三章 微纳制造工艺半导体材料与制备1结合键原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥力的合力结果根据不同的原子结合结合方式，结合键可分为以下几类： 金属键Metallic bonding 化学键Chemical bonding 离子键Ionic bonding 主价键primary interatomic bonds物理键physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding氢键Hydrogen-bonding) 介于化学键和范德华力之间11：离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合离子键键合的根本特点是以离子而不是以原子为结合单元一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固其熔点和硬度均较高另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性Cl-Na+Cl-Na+Na+Cl-Na+Cl-Cl-Na+Cl-Na+Na+Cl-Na+Cl-2： 共价键共价键的实质就是两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。

共价键键合的根本特点是核外电子云到达最大的重叠，形成“共用电子对，有确定的方位，且配位数较小 共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差极性键(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子非极性键Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间2CCCCCCCCCCCCCCCCCarbon: 4 valence electrons33：金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键金属键的根本特点是电子的共有化既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Positive ion coreselectrons4：范德华键属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性比化学键的键能少12个数量级主要由静电力、诱导力和色散力组成5：氢键它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子，等相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。

氢键在高分子材料中特别重要HH+-OOxygen: Hydrogen:6 valence electrons 1 valence electronsHydrogenbond性质离子键共价键金属键范德华力结构无方向性、得到高配位数的结构有空间分布方向性和配位数的限低密度的结构无方向性、得到很高的配位数和高密度的结构形式上类似于金属键力学强、得到硬晶体强、得到硬晶体可变强度、常发生滑移弱、得到软晶体热学熔点相当高，膨胀系数小，熔融态是离子熔点高，膨胀系数小，熔融态是分子熔点可以变化，液态区间长熔点低，膨胀系数大电学在熔融态由离子导电固态和熔融态都是绝缘体导电，由电子流动导电绝缘体光学和磁学吸收，其他性质主要是个别离子的性质，与溶液中性质相似高折射指数，光的吸收与在溶液中或气态时的吸收很不相同不透明，和液态的性质相似各种性质来源于独立的分子，与液态或气态的性质相似结合键类型实例结合能ev/mol主要特征离子键LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90无方向性，高配位数，低温不导电，高温离子导电共价键金刚石SiGeSn1.371.683.873.11方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小金属键LiNaKRb1.631.110.9310.852无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好分子键(范德华键)NeAr0.0200.078低熔点、沸点压缩系数大，保留分子性质氢键H2OHF0.520.30结合力高于无氢键分子4与四种键型相联系的物理性质和结构性质5 锗Ge： 1947 -1958 ，但耐高温和抗辐射性能较差。

硅Si： 1962 - 砷化镓GaAs： 1970 - 宽带材料：ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996) 高分子材料？稀土材料？ 无定形材料？2. 半导体材料根据各自所具有的原子有序的大小，可分为三类： 单晶： 几乎所有的原子都占据着安排良好的规那么的位置，即晶格位置；有源器件的衬底 非晶： 如SiO2, 原子不具有长程有序，其中的化学键，键长和方向在一定的范围内变化； 多晶： 是彼此间随机取向的小单晶的聚集体，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化单晶非晶多晶导体： 金属Ag,Au,Al,etc) , 10-6 1 -cm;绝缘体： 陶瓷石英，氧化铝等，107-cm;半导体： Si, Ge等， 10-2 106 -cm.6半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质欧姆定律：R L/A, = 1/ 7半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化 往纯洁的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变8* 元素半导体* 化合物半导体： IV-IV, III-V, II-VI3. 晶体和晶格Origina晶格 If a solid has atoms in periodic positions then it can be described bya set of vectors These vectors can then be used to build an array describing theposition of every atom in a perfect crystal In 2-dimensions the lattice can be described by two vectorsb基矢Gives the number and positions of the atoms INSIDE the repeatingunit cell. 2D examples shown below.e.g. Basis of 1Each atom has basisvector of 0 0e.g. Basis of 2Green atom at 0 0Red atom at 0.593D 基矢If we take a face centred cubic lattice, witha basis of 1 we can describe a materialsuch as copper.+2 atom basis at 00 0 and 元胞=描述四面体结构如硅简立方结构In this case, the positions are simplyrepresented by atoms at each cornerof a cube. This is the most basicstructure and is generally used forunderstanding the basics ofcrystallography. Only one element,Polonium (Po) adopts this structure.aa is known as the lattice constant and represents thelength of each side of the cube. The lattice constant forPo is 3.35. Units of angstroms (1=110-10m) areused extensively in crystallography.1011Hexagonal Close PackedEach layer consists of atomsarranged in a hexagonalarrangement. The next layersits in the three-fold hollow sitesof the layer below.The third layer then sits in sitesdirectly above the first layer. Ifeach layer is labelled by a letter,then the HCP structure is saidto show an ABABABABstacking sequence.This structure is found in materials such ascobalt (Co), magnesium (Mg) and zinc (Zn).Face Centred CubicThe fcc arrangement can berepresented by a cube with an atomat each corner and an atom at thecentre of each face of the cube.Elements adopting this structureinclude copper (Cu), nickel (Ni),silver (Ag) and aluminium (Al).12Face Centred Cubic 2Can consider the fcc structure as astacking of hexagonal planes.It has a different stackingsequence to the hcp structure,leading to a different layering. Thefcc sequence is ABCABCABC asthe third layer does not now liedirectly above the first layer, butinstead sits in the alternative threefold hollows of the second layer.Clear Layer 1Grey Layer 2Red Layer 3Body Centred CubicAgain this structure is based on acube. In this case, the structure ismade by placing an atom at eachcorner and then one at the centreof the cube.Elements adopting thisstructure include iron (Fe),sodium (Na), tungsten (W)and chromium (Cr).13元胞The unit cell is any representation ofthe structure that whensystematically stacked together willyield the position of every atom.For structures such as the fcc lattice,the traditional view is based on acube with atoms at the corners andface centres.It is equally valid to represent thestructure by the greyed section, theprimitive unit cell.金刚石晶格硅14Vector Notationa1。