微电子行业入门通用教材

半导体基础知识与晶体管工艺原理2目录第一章半导体的基础知识1-1半导体的一些基本概念1-1-1什么是半导体？……………………………………………………41-1-2半导体的基本特性………………………………………………..41-1-3半导体的分类……………………………………………………...41-1-4N型半导体和P型半导体……………………………………….51-1-5半导体的导电机构……………………………………………….61-2P-N结………………………………………………………………………91-2-1P-N结的构成…………………………………………………….91-2-2P-N结内的载流子运动和平衡…………………………………101-2-3P-N结的基本特性………………………………………………101-3二极管………………………………………………………...……………121-3-1二极管的基本构成………………………………………………..121-3-2二极管的特性曲线（伏安特性）………………...…………….121-3-3二极管的分类……………………………………………………131-4晶体管（仅讲双极型）……………………………………………………131-4-1晶体管的构成…………………………………………………….131-4-2晶体管的放大原理……………………………………………….151-4-3晶体管的特性曲线……………………………………………….181-4-4晶体管的分类…………………………………………………….211-4-5晶体管的主要电参数…………………………………………….213第二章晶体管制造工艺与原理2-1典型产品工艺流程……………………..…...………………………………242-1-1晶体管的基本工艺流程…………………………………………..242-1-2典型产品的工艺流程…………………………………...…………242-2晶体管制造主要工艺的作用与原理……………...………………………..252-2-1氧化工艺…………………………………………………………..252-2-2扩散工艺…………………………………………………………..262-2-3离子注入工艺……………………………………………………..302-2-4光刻工艺…………………………………………………………..312-2-5蒸发（真空镀膜）工艺…………………………………………..322-2-6CVD工艺…………………………………………………………..332-2-7台面工艺…………………………………………………………..342-2-8三扩、磨抛工艺…………………………………………………..352-2-9清洗工艺…………………………………………………………..362-2-10中测、划片工艺…………………………………………………362-3常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响……………………………….372-3-1工艺质量问题分类…………………………………………………372-3-2常见的工艺质量问题举例…………………………………………372-4工艺纪律和工艺卫生的重要性……………………………………………….412-4-1半导体生产对空气洁净度的要求…………………………………412-4-2工艺卫生的内涵…………………………………………………..422-4-3工艺卫生好坏对半导体生产的影响……………………………..422-4-4工艺纪律的内涵…………………………………………………..432-4-5工艺纪律的重要性………………………………………………..434第一章半导体基础知识1-1半导体的一些基本概念1-1-1什么是半导体？导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫做半导体。物质的导电能力一般用电阻率ρ来表示。电阻率是指长1cm，截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位是欧姆·厘米（符号是Ω-cm）。电阻率越小，说明物质的导电性能越好；反之，电阻率越大，说明物质的导电性能越差。物质种类导体半导体绝缘体电阻率（Ω-cm）≤10-410-3~108≥1091-1-2半导体的基本特性1热敏特性——随着温度的升高，半导体的电阻率减小，导电能力明显的增强。2光敏特性——受到光线照射后，半导体的电阻率减小，导电能力大大增强。3杂质导电特性——在纯净的半导体中，加入微量的某些其它元素（通常，称之为“掺杂”），可以使它的导电能力成百万倍的提高。这是半导体的一个最突出的也是最重要的特性。人们正是利用半导体的这些特性，制成了二极管、晶体管、热敏器件、光敏器件等。也正是由于半导体的这种特性，在制造半导体器件的过程中，对工作环境的要求特别严格，以防有害杂质进入半导体而破坏器件的参数。必须指出，以上特性只有纯净的半导体才具备。所谓纯净的半导体是指纯度在9个“9”以上，即99.9999999%以上。1-1-3半导体的分类51按化学成分——元素半导体和化合物半导体2按是否含有杂质——本征半导体和杂质半导体3按导电类型——N型半导体和P型半导体4按原子排列的情况——单晶和多晶1-1-4N型半导体和P型半导体1“载流子”——半导体中的导电粒子（运载电流的粒子）：电子和空穴。2“杂质”的概念——三、五族元素杂质（元素周期表中，三族：硼、铝、镓；五族：磷、砷、锑）——受主杂质和施主杂质。3施主杂质和受主杂质有一类杂质（比如五族元素磷），它在掺入半导体中后，会产生许多带负电的电子，这种杂质叫“施主杂质”。（施放电子）又有一类杂质（比如三族元素硼），它在掺入半导体中后，会产生许多带正电的空穴，这种杂质叫“受主杂质”。（接受电子）4N型半导体和P型半导体掺有施主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由施主杂质产生的导电电子，我们称这种半导体为“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）。掺有受主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由受主杂质产生的导电空穴，我们称这种半导体为“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。5多子与少子1）在本征半导体中，载流子靠本征激发产生，而且电子数=空穴数=本征载流子浓度。即，no=po=ni2）在杂质半导体中，载流子主要靠杂质电离而产生，此时，杂质电离产生的载流子浓度远大于本征激发产生的载流子浓度。因此，在杂质半导体中，电子数≠空穴数。其中，在N型半导体中：电子是多子，空穴是少子。而在P型半导体中：空穴是多子，电子是少子。3）N型半导体和P型半导体的示意图（图1）6因为在P型半导体中的绝大多数载流子是空穴，电子数很少，因此在画P型半导体的示意图时，只画出带正电荷的空穴；反之，在N型半导体的示意图中，只画出带负电荷的电子。P型半导体N型半导体图1N型半导体和P型半导体1-1-5半导体的导电机构——载流子的产生、运动和复合——回答半导体是怎么导电的？1“载流子”是怎么产生的？A本征激发——产生电子、空穴对——本征载流子浓度（ni）1）半导体材料硅的晶格结构——“共价键”结构因为，从原子结构理论知道，每个硅原子的最外层有4个价电子和4个空位，因此，在构成硅晶体时，每个原子周围都有4个最靠近的原子做它的邻居，每个原子拿出一个价电子和它的一个邻居共用。同样，每个邻居也拿出一个价电子和它共用。这一对共用的价电子使两个硅原子之间产生了一种束缚力，就叫做“共价键”。这样，每个原子就要和周围4个原子构成4个“共价键”。为了简化起见，我们把本来是立体的“共价键”结构画成平面示意图。（图2）7图2硅“共价键”晶格结构平面示意图2）在价电子获得一定的能量（硅Eg=1.1ev）时，就能冲破束缚（称为“激发”），成为导电的自由电子（带负电）。与此同时，在“共价键”中留下一个空位，我们叫它“空穴”（带正电，也能导电）。这种同时产生的电子和空穴，称为“电子、空穴对”。我们称这种引起的价电子激发——产生导电的电子、空穴对的过程，为“本征激发”。3）本征激发产生的载流子浓度，称为本征载流子浓度（ni）。在常温下，ni是个较小的常数；随着温度的升高，ni就很快增大。（它以指数形式上升）——这就是为什么本征半导体，在常温下导电能力很弱，但随着温度升高，导电能力又明显增强的原因。4）“共价键”结构中产生本征激发的示意图（图3）导电电子空穴图3本征激发产生电子空穴对的示意图8B杂质电离——产生电子或空穴——电子浓度n和空穴浓度p1）施主杂质电离——产生电子在纯净的半导体硅中，掺入少量的五族元素（如磷），它以替位形式占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子多一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就有一个多余的价电子。它不受共价键的束缚，只受磷原子核正电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使它克服引力而成为导电“电子”。而失去一个电子后的磷原子成为带正电的离子，但它处于共价键的稳定结构中，不能自由运动，因此，不是载流子。我们称施主杂质释放导电电子的过程，为施主电离。（请注意，这里只产生导电电子，不产生空穴）。2）受主杂质电离——产生空穴在纯净的半导体硅中，掺入少量的三族元素（如硼），它以替位形式占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子少一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就要从周围硅原子的共价键中夺取一个价电子过来填充。这样，就在被夺取了一个电子的地方就产生了一个空穴。这个空穴不受共价键的束缚，只受硼离子负电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使它克服引力而成为能导电的“空穴”。而硼原子由于多了一个电子而成为带负电的硼离子，但它同样也不能自由运动，因此，不是载流子。我们称受主杂质产生空穴的过程，为受主电离。（请注意，这里只产生空穴，不产生电子）。3）示意图（图4）电子空穴图4aN型半导体中的施主杂质电离图4bP型半导体中的受主杂质电离92载流子的运动——扩散和漂移1）扩散运动当一块半导体内的载流子浓度存在差异时，就会出现载流子从浓度高向浓度低的方向运动，这种运动就叫载流子的扩散运动。描述扩散运动的物理量是——扩散系数Dn、Dp。2）漂移运动在电场的作用下，电子会进行逆电场方向的运动，空穴会沿着电场的方向运动。这种运动就叫载流子的漂移运动。描述漂移运动的物理量是——迁移率μn.μp。3载流子的复合和寿命1）载流子的复合——导电电子和空穴相遇并同时消失的过程，叫“复合”。2）平衡载流子和非平衡载流子——半导体中的载流子总是在不断地产生和复合，只是，在平衡时（没有外界作用时），产生与复合处于相对平衡状态，产生数等于复合数，载流子浓度保持不变。当有外界作用（如，电场、光照）时，就会产生非平衡载流子，一般非平衡载流子的数量比平衡载流子的数量少，但是，它们对半导体的导电能力的影响且很大。3)非平衡少数载流子的寿命——非平衡少数载流子从产生到复合的时间，叫“少子寿命”，用符号τ表示。（τ是个很重要的半导体材料参数，它直接影响晶体管的tS参数。）1-2P-N结1-2-1P-N结的构成1定义——由P型半导体和N型半导体组成的一个单块半导体薄层，称为P-N结。2实际构成的方法：在一块N型半导体中，通过采用氧化、光刻、扩散（硼扩散）的工艺方法，使其中一部分区域转变为P型半导体，这样，在10P型区和N型区的交界面附近，就形成了一个P-N结。1-2-2P-N结内的载流子运动和平衡在P-N结的P型导电区内，空穴很多，电子很少；而在N型导电区内，电子很多，空穴很少。因此，由于电子和空穴浓度在这两个区域的差别，出现载流子的扩散运动——N区的电子就会向P区扩散；P区的空穴向N区扩散。使N区中靠近P区一侧的簿层1内，由于缺少电子而带正电；P区中靠近N区一侧的簿层2内，由于缺少空穴而带负电。从而，形成了一个由N区指向P区的电场——称“自建电场”。在这个电场的作用下，就会出现载流子的漂移运动——把电子拉回到N区，空穴拉回到P区。这样，在P区和N区的交界处，发生着扩散和漂移两种相反方向的运动，最后，达成动态平衡。（图5）自建电场区区(P-N结)势垒区图5P-N结内的载流子运动和平衡1-2-3P-N结的基本特性1P-N结的单向导电性（整流特性