前言

硅是一種半導(dǎo)體材料，并且它具有 4 個(gè)價(jià)電子，并且與其他元素一起位于表中的周期性 IVA 組中，其中在優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體與絕緣體之間，它的中價(jià)層電子是處于最優(yōu)存在數(shù)量的。

自然界中沒有純硅，硅需要精煉并精煉成需要在半導(dǎo)體中制造的純硅，它存在于硅酸鹽和其他硅酸鹽中，硅土是沙子，是主要的玻璃素。

其他硅包括無(wú)色金屬、銅、瑪瑙和蛋白石，硅的熔點(diǎn)是1412°C，硅是一種質(zhì)硬的脆性材料，若變形將很容易破碎。

這與玻璃相似它可以拋光得像鏡面一樣平整，硅表現(xiàn)岀許多與金屬一樣的性質(zhì)，同時(shí)也只有非金屬的性質(zhì)。

純硅

硅是導(dǎo)體和導(dǎo)體在同一表中，即硅作為半導(dǎo)體，純硅是指既不純也不與其他材料變形的內(nèi)部硅。

純硅原子結(jié)合可以看到給定電子的相同親和力和價(jià)電子部分是完美的，并且大部分硅取自其強(qiáng)大的親和力。

純硅中的共價(jià)性質(zhì)將電子結(jié)合在一起形成固體，電穩(wěn)定的元素，純硅是不好的，因?yàn)樗械膬r(jià)電子都充滿了健康。

以純硅形式而言，硅并不是有用的半導(dǎo)體，當(dāng)兩個(gè)或更多的原子以這種可重復(fù)的形式結(jié)合在一起形成固體材料時(shí)，被稱為晶體。

晶體是光滑、透明的固體，形成了三維的晶格結(jié)構(gòu)，窗戶玻璃就是晶體材料的一個(gè)例子，如果可以在硅片制備中，一般會(huì)學(xué)習(xí)到有關(guān)晶體的更多知識(shí)。

為何選擇硅

在20世紀(jì)40年代和50年代早期有著許多用做半導(dǎo)體的材料，但是，硅的出現(xiàn)，打敗了所有的半導(dǎo)體材料，它們很快被硅取代了。

為什么硅被選為主要的半導(dǎo)體材料呢？主要有4個(gè)理由：硅的豐裕度、更髙的熔化溫度允許更寬的工藝容限、更寬的工作溫度范圍、氧化硅的自然生成。

硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)過合理加工，硅能夠提純到半導(dǎo)體制造所需的足夠高的純度而消耗更低的成本。

硅的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)，更髙的熔點(diǎn)使得硅可以承受高溫工藝，使用硅的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用硅制造的半導(dǎo)體件可以用于更寬的溫度范圍。

半導(dǎo)體的高效率和可靠性，以及最終硅作為非導(dǎo)電實(shí)體的關(guān)鍵問題是它在實(shí)驗(yàn)中能夠產(chǎn)出出并使用硅酸的能力。

同時(shí)，擁有安全可靠的設(shè)備也很重要，它可以作為防止外部組裝和避免組件之間摩擦的有效工具，而硅的尺寸是硅等材料生產(chǎn)中的關(guān)鍵組件。

摻雜硅

純凈狀態(tài)下的硅在半導(dǎo)體技術(shù)中應(yīng)用極少，不過，借助一個(gè)稱為摻雜的工序，硅的結(jié)構(gòu)可以通過加入少許其他元素而改變，以顯著增加其導(dǎo)電性。

摻雜是通過加入某種元素到純硅中以明顯增加半導(dǎo)體導(dǎo)電性的過程。例如，純硅的電阻率接近2.5 x IO5 Q-cm。

如果每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中有一個(gè)硅原子被一個(gè)碑原子取代，電阻率將下降到0.2fl?cm，期間電導(dǎo)率增加了1250 000倍。

摻雜時(shí)加入的元素稱為摻雜劑或雜質(zhì)，因?yàn)楣璨辉偈羌儍舻牧?，換句話說(shuō)，我們向硅中摻人雜質(zhì)使得它能傳導(dǎo)電流。

摻雜越多，電導(dǎo)率也越高，注意這里使用“雜質(zhì)”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)指明是向硅中摻入了另一種元素，我們故意摻入雜質(zhì)以增加硅的導(dǎo)電性，摻雜硅又被稱為非本征硅。

向硅中摻入雜質(zhì)以改變導(dǎo)電性這一概念是半導(dǎo)體制造的一個(gè)關(guān)鍵冋題，如果能夠摻入雜質(zhì)改變硅的導(dǎo)電性并進(jìn)一步控制硅何時(shí)充當(dāng)導(dǎo)體或絕緣體。

那么我們就把握了固態(tài)技術(shù)的本質(zhì)，摻雜劑材料硅位于周期表中的IVA族，并且有四個(gè)價(jià)電子。

相鄰兩族的元素通常用于摻雜：IUA族和VA族IDA族元素由于具有三個(gè)價(jià)電子而稱為三價(jià)態(tài)。

VA族元素則由于具有五個(gè)價(jià)電子而稱為五價(jià)態(tài)，三價(jià)摻雜劑增加更高的自由組合度，而五價(jià)摻雜將增加自由電子的數(shù)目。

當(dāng)三價(jià)摻雜劑的原子加入到硅中時(shí)，得到的材料稱為p型硅，三價(jià)摻雜劑稱為受主，最常見的受主元素是硼。

當(dāng)五價(jià)元素加入到純硅中時(shí)，得到的材料稱為n型硅。五價(jià)摻雜劑稱為施主，異型情況下包括磷、珅和餘包括各種不同的摻雜元素。

n型及對(duì)于n型硅，導(dǎo)帯電子多于價(jià)帶空穴，展示加入五價(jià)摻雜劑原子的硅，硅原于和施主磷原子之間將形成共價(jià)。

每個(gè)共價(jià)鍵共用磷原子的一個(gè)電子，不過，磷原的第五個(gè)電子并不束縛在任何硅原子的周圍，正因?yàn)榇耍自拥牡谖鍌€(gè)電子只需要很少的能械就凹以逃逸并進(jìn)入導(dǎo)帶。

在半導(dǎo)體上的運(yùn)用

對(duì)P型硅而言，導(dǎo)帶自由電子是多數(shù)載流于，在材料中甚多，也存在少址的少數(shù)栽流于即價(jià)帶空穴。

導(dǎo)帶中有1個(gè)電子對(duì)導(dǎo)電意義并不顯著，然而，當(dāng)我們對(duì)硅進(jìn)行捨雜時(shí)，加入了差不多數(shù)百萬(wàn)個(gè)摻雜的原子，產(chǎn)生很多不屬于共價(jià)鍵的電子。

在電子和空穴之間存在著大量的移動(dòng)行為帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴相互吸引電子可以相對(duì)容易地進(jìn)入導(dǎo)帶。

如果對(duì)材料施加一個(gè)電壓，電便能匯聚成電流的形式流過材料，要注意摻雜硅仍舊是電中性的。

就n型硅而言，這是因?yàn)槊總€(gè)磷原子仍有相同的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)，硅原子也是如此，這樣半導(dǎo)體中電子和質(zhì)子的總量:仍然相等，結(jié)果凈電荷為零。

不相等的是，導(dǎo)帶電子的數(shù)目遠(yuǎn)大于價(jià)帶空穴的數(shù)目，p型硅在實(shí)驗(yàn)中，硼原子是p型受主，與相鄰的四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。

由于沒有第四個(gè)電子，接收硼的原子形成電子點(diǎn)，從而產(chǎn)生P型硅，其主要添加到價(jià)電子中，存在著空穴。

導(dǎo)帶電子數(shù)如果多于價(jià)帶空學(xué)數(shù)，那就可以理解為，空穴時(shí)硅元素當(dāng)中的主要組成成分，并承載著電子，因數(shù)量而講法不一。

如果將直流系統(tǒng)應(yīng)用于p形硅，則吸引會(huì)將電流從源的負(fù)端吸引到p形半導(dǎo)體，而p形半導(dǎo)體現(xiàn)在位于P形半導(dǎo)體中。

由于每次一個(gè)電子流入一個(gè)空穴將在它前面的位置產(chǎn)生一個(gè)空穴，看上去就好像空穴在移動(dòng)，即空穴看起來(lái)沿著與電子相反的方向移動(dòng)。

摻雜硅的電阻率通過向硅的晶體結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅的電阻率的精確控制，雜質(zhì)原子在硅中的濃度決定了材料的導(dǎo)電能力。

純硅具有約250000-cm的電陽(yáng)率，是一種極好的絕緣體，相比之下，銅是一種優(yōu)良導(dǎo)體，它的電阻率為1.7 mn-cm通過向純硅中加入適當(dāng)類型和濃度的雜質(zhì)，摻雜硅的電阻率下降，而導(dǎo)電性增加。

對(duì)于一個(gè)給定的電阻率，n型摻雜的濃度低于P型的，這是因?yàn)橐苿?dòng)一個(gè)電子比移動(dòng)一個(gè)空穴需要更少的能量。

要使硅成為有用的導(dǎo)體只需要很小量的摻雜，這對(duì)于住硅片上制做半導(dǎo)體器件卻是很重要的，在半導(dǎo)體制造期間，硅中的摻雜劑量，或者說(shuō)濃度，必須小心控制以獲得精確的電阻率。

總結(jié)

我們用五價(jià)或三價(jià)元素對(duì)純硅進(jìn)行摻雜以獲得n型或p型半導(dǎo)體，所用物體的類型和數(shù)量決定了電流是否起作用。

并為了了解硅e載流子數(shù)的最終電阻活性，然后確定硅材料中的給予者數(shù)或接收數(shù)，以便可以使用或?qū)型摻雜應(yīng)用于p型區(qū)域并將截面返回到截面N 類型。

為此，該領(lǐng)域n型貢獻(xiàn)者的數(shù)量高于接受p型貢獻(xiàn)者的數(shù)量，結(jié)合硅晶體中11型區(qū)和p型區(qū)的能力很重要。

因?yàn)?span id="bhrxlm7" class="candidate-entity-word" data-gid="16609790">半導(dǎo)體器件要成為有用的電子器件這兩種區(qū)域都將需要。N型和p型區(qū)域之間的結(jié)合也很重要，它創(chuàng)造出硅作為半導(dǎo)體的一些有用特性。

這個(gè)結(jié)被稱為pn結(jié)pn結(jié)是固態(tài)電子學(xué)的精髓，也是半導(dǎo)體硅片隨施加給結(jié)的電壓不同可以獲得它們獨(dú)一為二的導(dǎo)體或絕緣體性質(zhì)之根據(jù)所在。

pn結(jié)充當(dāng)一個(gè)有用的電子器件的細(xì)節(jié)將，在硅片制造中幾乎都是通過離子注入來(lái)制作pn結(jié)，注意pn結(jié)是在兩部分本質(zhì)相同的材料之間形成的。

P型和N型材料除去微量的摻雜以外幾乎沒有什么不同，n型村料由施主雜質(zhì)獲得了過剩的可移動(dòng)電子，而p型材料具有過剰的可移動(dòng)空穴。

可以說(shuō)一種材料與另一種材料接觸是不實(shí)的，P結(jié)很緊密，n型和p型材料都是在同一種連續(xù)固體物質(zhì)中形成的。

包含pn結(jié)的硅晶體仍舊看上去像并且表現(xiàn)得與純的晶體材料類似，在半導(dǎo)體制造中，結(jié)的深度和精確度是很關(guān)鍵的。

隨著器件關(guān)健尺寸的縮小，精確控制硅中 pn結(jié)和摻雜濃度的能力，成為半導(dǎo)體芯片制造最主要的挑戰(zhàn)。

硅是半導(dǎo)體的重要組成部分，4個(gè)價(jià)電子是第一種用于制造晶體管的半導(dǎo)體材料，它在50世紀(jì)被轉(zhuǎn)化為硅用于工作和制造目的。

參考文獻(xiàn)：

《硅珙化學(xué)與工藝學(xué)》

《硅化學(xué)及其應(yīng)用》

《有機(jī)硅高分子化學(xué)》

《有機(jī)硅聚合物導(dǎo)論》