Semiconductor-半导体基础知识

Yuming电子知识系列SemiconductorsSemiconductors半导体基础知识半导体基础知识YumingSunJ2011Jun,[e-mail]半导体概念、原子、离子、电子、空穴、本质半导体、硅介绍、掺杂…z基本电路z基本电路z制造工艺电电子子零零件件技技术术与与应应用用什么叫半导体？¾半导体是一种既不如导体那么容易导电，也不像绝缘体那样不导电的物质（介于导体和绝缘体之间），如硅（Si）、锗（Ge）。和绝缘体之间）如硅（Si）锗（Ge）¾半导体的传导性可由掺杂物的浓度和被供给的电压来控制给的电压来控制。¾它的电阻值通常随温度升高而下降（与金属材料相反）属材料相反）。电电子子零零件件技技术术与与应应用用原子结构-e¾原子是由质子中子与电子三种粒子所組成其中由质子与¾原子是由质子、中子与电子三种粒子所組成，其中由质子与中子构成原子核，而电子则在固定轨道上环绕原子核运行。¾在原子核里，有带正电的质子及不带电的中子。所以，原子¾在原子核里有带正电的质子及不带电的中子所以原子核带正电，电子带负电。¾原子核的电荷数与轨道上的电子数目相同。因此，原子本身电电子子零零件件技技术术与与应应用用呈现中性。离子原子的电子及质子数目是相同的即¾原子的电子及质子数目是相同的，即是说，原子是不带电的。是说原子是不带电的¾当原子失去一个或多个最外层电子时，它带正电荷；当原子收纳一个或多个最它带正电荷；当原子收纳一个或多个最外层电子时，它带负电荷。¾一带电的原子就称为离子。电电子子零零件件技技术术与与应应用用空穴与电子¾如果电子载有负的电荷-e离开了中性原子这样一个空穴（或称为电洞）就会出子，这样一个空穴（或称为电洞）就会出现。这个空穴带正的电荷+e。现这个空穴带正的电荷e¾而电子和空穴都能夠自由地在物质内移¾而电子和空穴都能夠自由地在物质内移动。电电子子零零件件技技术术与与应应用用本质半导体¾本质半导体是一种有相同数量的自由电子和空穴的纯半导体。¾最普遍的本质半导体可算是硅和锗。它们都¾最普遍的本质半导体可算是硅和锗它们都是四价的元素。物质的最外层有四个电子，称为价电子（Valenceelectron）而这四个称为价电子（Valenceelectron），而这四个电子都与相邻的四个原子结合，形成所谓的共价键好像每个原子最外层都有八个电子共价键，好像每个原子最外层都有八个电子，这称为共价键的八隅守则。电电子子零零件件技技术术与与应应用用硅晶体的结构硅硅电电子子零零件件技技术术与与应应用用在有限温度中的硅载流子在常温下，原子的价电子可能从热运动中获得足夠能量去破坏它们的共价键而成为自由电子。量去破坏它们的共价键而成为自由电子同样数量的空穴就会形成，称为电子对。这个程序提高半导体的导电性，而这些电子对会随温电电子子零零件件技技术术与与应应用用这个程序提高半导体的导电性而这些电子对会随温度的上升而增加。非本质半导体‧在本质半导体上加上小量（例如，百万分之一）杂质原子，半导体材料的特性就会发生重大改变，一个非本质半导体就会会发生重大改变一个非本质半导体就会形成，而加上杂质的动作就称为掺杂。‧常用的杂质元素有铝、镓（三价）和砷、锑（五价）等等。锑（五价）等等电电子子零零件件技技术术与与应应用用N型半导体‧如果在本质半导体中掺入微量的五价原素，好像砷、銻或磷，这些杂质原子会提供一个自由电子给晶体，称为施體原子（Donor)。施體电子的形原子会提供一个自由电子给晶体称为施體原子（Donor)施體电子的形成不会同时制造空穴。•这些五价杂质因此提供了一个带负电的载电子，而这些物质就称为n型半导体而电流的形成主要由于电子的动作所以在型半导体中电子称导体，而电流的形成主要由于电子的动作。所以在n型半导体中，电子称为多数载流子，而空穴（只会因热力效应而形成）就被称为少数载流子。电电子子零零件件技技术术与与应应用用P型半导体‧如果在本质半导体中掺入微量的三价原素（原子的最外层只有三个电子），好像鋁、硼、鎵或銦，这些杂质原子会在结晶提供一个空穴。‧它们称为受體原子（Acceptor)，因为每一个受體原子都会从附近的原子中接收一个电子。所以这些半导体都被称为p型半导体空穴是多数载流子而电子就是少数的载流子电电子子零零件件技技术术与与应应用用半导体，空穴是多数载流子，而电子就是少数的载流子。硅的简介硅是现在各种半导体中使用最广泛的电子材料硅是现在各种半导体中使用最广泛的电子材料，它的来源极广，譬如我们脚下所踩的砂。它的含量占地球表层的25%纯化制作容易它的含量占地球表层的25%，纯化制作容易，取得成本较低，因此被用來做为集体电路制作的主要材料如常见的微处理器（CPU)动态的主要材料。如常见的微处理器（CPU)，动态随机存取记忆体（DRAM）、、、等，都是以硅为主要材料硅为主要材料。在元素週期表里，它是属于四价元素，排在三价的铝与五价的磷之间价的铝与五价的磷之间。电电子子零零件件技技术术与与应应用用硅原子与电子图硅是属于四价元素，原子序为14，虽然原子內所含的电为14，虽然原子內所含的电子相当多，但是因为较接近原子核的电子被外层电子所遮蔽，所以內层电子对整体材料的电性影响也比较小，我们将探讨硅原子的4个外我们将探讨硅原子的4个外围电子，也就是价电子。电电子子零零件件技技术术与与应应用用共价键在硅晶体内，每个硅的四在硅晶体内，每个硅的四个外层电子分別与四个邻近硅原子的一个外层电子形成化学键结构，这种电子共有的化学键结构称为共价键共价键。电电子子零零件件技技术术与与应应用用钻石结构在三度空间中，硅晶体由许许多多四面体单元连接构成，四面体中心有一个硅原子，此外有四个硅原子位在四面此外有四个硅原子位在四面体上的四个端点，八个四面体构成的立方结构称为钻石体构成的立方结构称为钻石结构。电电子子零零件件技技术术与与应应用用硅的结构晶体和非晶体本身都可以是一种纯物质，而晶体的是一种纯物质，而晶体的特点，就是材料內的原子或分子，在三度空间中，以周期性方式排列。硅晶体便是以钻石结构成为单位晶体內的硅原子呈规位，晶体內的硅原子呈规则周期性的排列。电电子子零零件件技技术术与与应应用用单晶硅与多晶硅¾当一硅材整体的原子排列¾当一硅材整体的原子排列结构呈现规则性，此硅材称为单晶硅(SingleCrystal)，硅半导体技术中所使用的硅硅半导体技术中所使用的硅晶圆即为单晶硅。¾当硅材是由许多小单晶结构组成，各单晶颗粒间的原构组成各单晶颗粒间的原子排列方向彼此互异，此硅材便称为多晶硅(PolyCrystal)。电电子子零零件件技技术术与与应应用用掺杂所谓掺杂，就是在半导体材料中加入电子或空穴，半导体即利用电子或空穴来传导体即利用电子或空穴来传导电信号。掺杂又可以分为：正掺杂及掺杂又可以分为正掺杂及负掺杂。电电子子零零件件技技术术与与应应用用正掺杂及负掺杂所谓正掺杂就是在硅晶体中掺入周期表中的三族元素(此所谓正掺杂，就是在硅晶体中掺入周期表中的三族元素(此掺入的三族元素称为受体)，由于和硅原子键结需要四个电子，三族元素原子仅可供应三个电子，因而形成了一个电子子，三族元素原子仅可供应三个电子，因而形成了一个电子的空缺，我们称之为空穴。当外加一个电压时，空穴向负电位处移动，形成了电的传导。此掺杂的区域即称为正型区(p-typeregion)，主要的传导载子(carrier)为空穴。所谓负掺杂，就是在硅晶体中掺入周期表中的五族元素（此所谓负掺杂就是在硅晶体中掺入周期表中的五族元素（此掺入的五族元素称为施体)。由于要和硅键结需要四个电子，五族元素原子却可提供五个电子，掺杂原子多出了一个电子，当外加一个电压时，电子向正电位处移动，形成了电的传导。此掺杂的区域即称为负型区(n-typeregion)，主要的传导载子(i)为电子电电子子零零件件技技术术与与应应用用子(carrier)为电子。P-N接面(结)P-N接面又稱為空乏區（秏盡區）当P-型和N-型半导体“连＂在一起的时候，交界面处就形成当P-型和N-型半导体连在一起的时候，交界面处就形成很簿(~10-3mm)的一个接合介面（PN接面）。一些在n-区的自由电子就会越过接合介面向p-区扩散。同时一些在p-区的自pp由空穴就会越过介面向n-区扩散。所以，这些自由电荷会因复合反应而在PN接面中结合然后消失。因此，在PN接面两侧没有多数载流子电电子子零零件件技技术术与与应应用用有多数载流子。障壁电位P-N接面PN接面障壁電位由于p-区失去一部份空穴，所以带上负电性。同样地，n-区亦失去一部份电子，因此帶上正电性。一个障壁电位（Potential失去一部份电子，因此帶上正电性。一个障壁电位（Potentialbarrier)就会跨越两区建立起来。锗的障壁电位大约是0.2至0.4V，而硅的障壁电位大约是0.6至0.8V。电电子子零零件件技技术术与与应应用用基本电路双极的•Bipolar(双极的)•PMOSPMOS•NMOS•CMOS(PMOS+NMOS)(互补金属氧化物半导体)半导体)•BiCMOS(Bipolar+CMOS)(双极-互补金属氧化物半导体)氧化物半导体)电电子子零零件件技技术术与与应应用用Bipolar-双极集成电路早期的芯片•早期的IC芯片•1961年：4个双极性晶体管，120USD1961年：4个双极性晶体管120USD.•后市场占有率迅速下降•但仍被模拟系统和电力器件所用电电子子零零件件技技术术与与应应用用PMOS第一个场效应晶体管•第一个MOS场效应晶体管，1960•在60年代为数字的逻辑器件所用在60年代为数字的逻辑器件所用•70年代中期后被NMOS取代电电子子零零件件技技术术与与应应用用NMOS比快•比PMOS快•在70年代和80年代为数字逻辑器件所用在70年代和80年代为数字逻辑器件所用•电子表和手持计算器•80年代后被CMOS取代电电子子零零件件技技术术与与应应用用CMOS自年代以来在芯片中最常用的电路•自80年代以来在IC芯片中最常用的电路•低耗电量低耗电量•高温度稳定性•高抗扰度•均衡性设计•均衡性设计电电子子零零件件技技术术与与应应用用BiCMOS（双极CMOS）•CMOS与双极电路的结合•始用于90年代•CMOS逻辑电路•CMOS逻辑电路•双极输入/输出•比CMOS快高耗电量•高耗电量•当电力供给的电压降至1伏时极可能产生问题电电子子零零件件技技术术与与应应用用第一个的历史•第一个可用的电子管：弗莱明（JohnAmbroseFleming），1904年Fleming），1904年•第一个晶体管：AT&T贝尔实验室，1947年第一个锗单晶年•第一个锗单晶：1952年•第一个硅单晶：1954年•第一个集成电路：TI（德州仪器），1958年•第一个商用集成电路：Fairchild（仙童），1961•第一个商用集成电路：Fairchild（仙童），1961年电电子子零零件件技技术术与与应应用用摩尔定律•英特尔的共同创始人GordenMoore(摩尔)在1964年发现在1964年发现•晶体管的数量每12个月要翻一番而价格不变•在80年代放缓到每18个月在80年代放缓到每18个月•而到了1995年变成每2年翻一番•这种情况可能会延续至2010年•最终会缓慢到衰弱•最终会缓慢到衰弱电电子子零零件件技技术术与与应应用用IC规模综合水平缩写一块芯片上器件的数量综合水平缩写一块芯片上器件的数量小规模集成电路SSI2to50中规模集成电路MSI50to5000中规模集成电路MSI50to5,000大规模集成电路LSI5,000to100,000极大规模集成电路VLSI100,000to10,000,000超大规模集成电路ULSI10,000,000to1000,000,000电电子子零零件件技技术术与与应应用用晶片制作工艺流程原材料测试IC生产线晶片测试金属化绝缘体沉积CMP封装PR带PR带热处理掩膜封装刻蚀PR带注入热处理最终测试光刻设计最终测试电电子子零零件件技技术术与与应应用用半导体构成原料•极