科技时代的先锋--半导体面面观（四色全彩）/形形色色的科学

作者简介

史蹟，1984年毕业于大连理工大学金属材料专业；1993年赴日本留学；1997年获东京工业大学金属工学博士学位，后任日本国立电气通信大学量子物质工学助教；2004年任东京工业大学材料工学副教授至今。现从事金属物理、功能材料、结构分析等材料科学的研究。

内容简介

固态硅的三种形态：单晶、多晶、非晶 (003)中提到了单晶硅，但是固态硅的形态除了 单晶还有多晶和非晶。 图1中显示了硅的单晶、多晶和非晶的不同。 单晶硅在前面的部分中已经有所介绍。多晶硅是 由许多称为晶粒的单晶硅小颗粒任意聚集形成的集合 体。晶粒问相连接的部分称为晶界。多晶的英文是 poly-crystal，因此多晶硅也常常被称为poly硅。多 晶硅在半导体装置、显示器、太阳能电池等方面均有 应用。 非晶硅是整个结构中都没有规律性状态的硅，又 称为无定形硅或非晶质硅。非晶硅也用于显示器和太 阳能电池等领域。 单晶硅、多晶硅与非晶硅在被制作晶体管等电子 元件时，电子速度依次变慢，漏电流依次变多。 液晶显示器(LCD)等电子产品通常使用在玻璃基 板上形成的非晶硅。虽然其性能不如晶体硅，但是其 成本低而且可以形成大面积的薄膜，因此在大屏幕液 晶电视等方面应用广泛。 同时，非晶硅在激光照射等条件下，在温度为 500℃左右的低温时也可以形成“低温多晶硅”。虽 然与非晶硅相比成本有所提高，但是因为具有多晶硅 的优越特点，所以被用在手机、移动办公设备的显示 器等方面。 硅半导体内导电的物质①：自由电子导电的n型 硅 (002)中提到的单晶硅是不含杂质的纯净状态、 电阻率(p)为4×10*3Q.m的本征半导体。 一方面，如图1所示，单晶硅中加入微量的导电 型杂质磷(P)、砷(As)、硼(B)等，随着杂质浓度的变 化，电阻率会有很大变化。这种添加杂质的半导体称 为杂质半导体。 如图2所示，单晶硅中加入微量磷、砷等V族元素 后，晶体中会产生能够自由移动的电子。原因如下： 以磷为例，磷原子最外层有5个电子，因此单晶中硅 原子被磷原子替换，磷原子5个结合键中的4个与周围 4个硅原子以共价键结合，剩余一个。也就是说，磷 原子最外层的5个电子中，未参与结合的一个电子将 处于自由状态。这个电子因为能通过电场在晶体中移 动，被称为自由电子。 另一方面，形成共价键的电子即使在电场中也不 能移动，因此称为束缚电子或价电子。 添加微量磷、砷等V族元素的单晶硅称为n型硅。 n型硅中由自由电子传输电荷，因为电子带负电荷 (negative charge)，取其首字母称之为“n型”。 n型硅中传输电荷的物质，即称为载流子的是带 负电荷的电子，因此电流流动方向与电子移动方向相 反。这是因为电子被发现之前，人们规定电流是从电 压高的部分流向电压低的部分。