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简介
这是半导体硅材料ppt，包括了晶体，半导体，掺杂和杂质，晶体特性，晶体结构，面心立方金刚石晶格结构，单晶和多晶，CZ法生长单晶，FZ法生长单晶，导体导电原理，半导体其它特性-1，硅的原子结构，B、P原子结构示意，载流子、寿命等内容，欢迎点击下载。
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晶体及硅材料简介
目 录
晶体
半导体
掺杂和杂质
晶 体
晶体
组成物质的原子、分子或离子在空间呈现具有规律性、周期性的排列，这样的物质就是晶体。晶体一般呈固体形态 。
* 食盐是氯化钠的结晶体，味精是谷氨酸钠的结晶体，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶体。
晶体特性
一定的几何形状
一般为规则的多面体结构。
各向异性(力学、光学等)
晶体在不同方向上具有不同的机械和物理特性。
* 溶融晶体物质结晶（凝固）时在各个方向生长速度不一致。
* 晶体很容易沿粒子密排面（解理面）断裂，断面呈平整面。
* 多晶体内的很多个晶粒排列方向不同，各晶粒的方向性互相抵消；加之晶界的作用，整个多晶体呈现出各向同性。
固定的熔点
达到熔点温度，晶体才会熔化为液体。熔点也是溶融态晶体的凝固点。
负电阻温度系数
随环境温度升高，材料电阻值降低。
掺杂特性
半导体材料对掺入其中的杂质特别敏感，很微量的杂质就可以大幅度改变材料的电学、光学性能
* 这种改变可能是降低，也可能是提高某一性能。如杂质降低电电阻率，某些杂质也可提高硅材料的红外透射性能。
小贴士：自然晶体
自然界的奇迹
自然界非生命形态中最具有规律性美感的物体。
所有的宝石都是晶体，而且很多都是单晶体。
晶体结构
晶体结构
组成晶体结构的粒子(分子、原子、离子)在空间有规则地排列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶格。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。
晶体结构-分类
晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型
七大晶系
三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、三方晶系、四方晶系、六方晶系、立方晶系
14种晶格结构
简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、三角、简单四方、体心四方、简单六方、简单立方、体心立方、面心立方
晶胞
晶胞
晶格的最小单元。晶体以晶胞的结构方式在空间重复排列，
构成了晶体。
* 单晶体：长程有序晶胞重复排列；多晶体：短程有序。
硅晶胞
一个硅原子与周围
其它四个硅原子以共
价键组成了一个正四
面体晶胞。
面心立方金刚石晶格结构
硅(金刚石)晶格结构 —— 晶胞在空间重复排列
单晶和多晶
单晶体
整个物质内部的原子都按照一定的规律（晶胞结构）定向排列，组成的物体称为单晶体。
多晶体
由很多不同取向的小尺寸单晶体（晶粒）组成的物体称为多晶体。
单晶生长
为什么要生长单晶
只有体内原子排列长程有序的单晶体，才能充分表现出材料的半导体特性，特别是表现出其特异的电学性质，也才能在电子工业中加以应用。
单晶生长方法
工业上的单晶生长方法有两种
直拉（CZ： Czochralski ）法，也称为坩埚法；
区熔（FZ： Float Zone ）法，也称为无坩埚法。
CZ法设备和产品—1
FZ法生长单晶 ( Float zone grown crystal )
目 录
晶体
半导体
掺杂和杂质
半导体
导体、绝缘体、半导体
导体（Conductor）：容易导通电流的物体。
电阻率小于1×10-5Ω·cm。
绝缘体（Insulator）：不容易导通电流的物体。
电阻率大于1×1011Ω·cm。
半导体（Semiconductor）：导电性能介于导体和绝缘
体之间的物体。
电阻率在1×10-4~1×1010Ω·cm左右的范围内。
导体导电原理
金属导体
绝大多数金属都是导体
金属之间以金属键结合为一个整体，原子外层价电子成为自由电子，在电场作用下产生电流。
溶液
离子晶体的溶液（如氯化钠）内存在正、负两种离子，外加电场时，两种离子分别向不同的电极性方向运动，产生电流。
半导体
半导体（特别是IVA族硅、锗）原子最外层4个电子，全部互相结合形成共价键，材料体内没有自由电子，也没有正、负离子。
小贴士：电阻率
电阻率：
表示各种物质导电性能和电阻特性的物理量。
某种材料制成的长1m、横截面积1mm2的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。
符号：ρ。
单位
国际单位制中，电阻率单位是Ω·mm2/m。常用导出单位Ω·m或Ω·cm。
1 Ω·mm2/m = 1×10-6Ω·m = 1×10-4Ω·cm
* 铜电阻率：1.7×10-6Ω·cm；超纯理想硅电阻率：～50000Ω·cm
* 电导率：
物体传导电流的能力，电导率的倒数为电阻率。
电导率的基本单位是西门子（S），原来被称为姆欧，取电阻单位欧姆倒数之意。标准的测量中用单位电导率（S/cm）来表示 。
半导体其它特性-1
光敏特性-光生伏特(打)效应
不同导电类型的半导体接触面间形成PN结，在光照下会产生一个电压。两端引线形成回路则产生电流。
太阳电池的应用原理，所以太阳电池产业也称为光伏产业。
整流效应
半导体的导电性与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，两端加正向电压，导电；电压极性反过来，就不导电。
晶体二极管的原理，交流电转变为直流电的整流技术基础。
半导体其它特性-2
掺杂效应（杂质敏感性）
半导体的电导（阻）率与材料中的杂质元素含量有关
高纯半导体材料几乎不导电，极少量的杂质即可大大提高半导体材料的电导率。
热敏特性（负温度电阻系数）
导电性能随环境温度的改变而明显变化
与多数金属导体相反，电阻率随温度升高而降低
各向异性
作为固体晶体，半导体也具有显著的物理和机械的各向异性
半导体材料用途
电子元器件
分离元器件：半导体二极管、晶体管（三极管）、
可控硅（闸流管）。
各种LED（发光二极管）、光热-电传感元器件。
(极)大规模集成电路
以个人电脑CPU为代表的集成电路芯片。
太阳电池
几乎95%以上的太阳电池都使用半导体硅材料制作。
本征半导体
本征半导体
没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体(intrinsic- semiconductor) 。
载流子
晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。可以是电子或空穴。
电子-空穴对
本征半导体受到光电注入或热激发时，部分电子会挣脱共价键的束缚，跃迁成为自由电子。原来位置形成带正电的空位，称为空穴。电子和空穴合称为电子-空穴对。电子和空穴均能自由移动，称为自由载流子。
热激发产生的电子跃迁过程称为本征激发。
硅的原子结构
硅的外层电子排列为1S22S22P63S23P2，如下图所示。最外层的4个价电子都与邻近的原子构成共价键结构。这时，每两个相邻原子之间都共用一对电子，使原子的最外层轨道上形成了8个价电子的稳定原子结构。
硅的本征激发示意
目 录
晶体
半导体
掺杂和杂质
补偿和“假本征”
硅中同时存在P、N型杂质时，两种杂质形成的空穴和电子相互复合，最终表现出较高的电阻率，从宏观上来看，就好像只掺入少量的杂质。这种情况称为补偿。
如果P、N型杂质产生的空穴与电子基本全部复合，常温下半导体表现出很高的电阻率，甚至接近本征特性。这种情况我们称为假本征。
补偿的假本征与真正的本征半导体存在根本的区别：
首先，替位的杂质引起硅晶格的畸变，进而产生物理性能的变化；
其次，在硅晶体内的P型与N型杂质呈现出不同的物质特性，大量的杂质使半导体在不同的外加电场或光热时表现出复杂的性状。
载流子、寿命
非平衡载流子
本征激发所产生的自由电子与空穴统称非平衡载流子，数量较少。
电子-空穴数量相同，在本征半导体内达到一个动态平衡。即同一时间既有已激发的电子与空穴复合，也有新的位置上价电子的激发跃迁。
少数载流子及其寿命
在 N 型半导体中，电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
P、N型半导体中，在光热激发情况下，会有一些少数载流子产生跃迁，但很快即被多数载流子复合。从跃迁到复合的时间称为少子寿命。是表征半导体材料性能的一个重要指标。
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