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半导体基础知识与晶体管工艺原理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？ (4)1-1-2 半导体的基本特性………………………………………………. .41-1-3 半导体的分类 (4)1-1-4 N型半导体和P型半导体 (5)1-1-5 半导体的导电机构 (6)1-2 P-N结 (9)1-2-1 P-N结的构成 (9)1-2-2 P-N结内的载流子运动和平衡 (10)1-2-3 P-N结的基本特性 (10)1-3 二极管 (12)1-3-1 二极管的基本构成 (12)1-3-2 二极管的特性曲线（伏安特性） (12)1-3-3 二极管的分类 (13)1-4 晶体管（仅讲双极型） (13)1-4-1 晶体管的构成 (13)1-4-2 晶体管的放大原理 (15)1-4-3 晶体管的特性曲线 (18)1-4-4 晶体管的分类 (21)1-4-5 晶体管的主要电参数 (21)第二章晶体管制造工艺与原理2-1 典型产品工艺流程 (24)2-1-1 晶体管的基本工艺流程 (24)2-1-2 典型产品的工艺流程 (24)2-2 晶体管制造主要工艺的作用与原理 (25)2-2-1 氧化工艺 (25)2-2-2 扩散工艺 (26)2-2-3 离子注入工艺 (30)2-2-4 光刻工艺 (31)2-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺 (32)2-2-6 CVD工艺 (33)2-2-7 台面工艺 (34)2-2-8 三扩、磨抛工艺 (35)2-2-9 清洗工艺 (36)2-2-10 中测、划片工艺 (36)2-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响 (37)2-3-1 工艺质量问题分类 (37)2-3-2 常见的工艺质量问题举例 (37)2-4 工艺纪律和工艺卫生的重要性 (41)2-4-1 半导体生产对空气洁净度的要求 (41)2-4-2 工艺卫生的内涵 (42)2-4-3 工艺卫生好坏对半导体生产的影响 (42)2-4-4 工艺纪律的内涵 (43)2-4-5 工艺纪律的重要性 (43)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1-1-2 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1 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1-1-4 N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）4 N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，n o=p o=n i2）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）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型半导体图1 N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（n i）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）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（n i）。

在常温下，n i 是个较小的常数；随着温度的升高，n i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）图3 本征激发产生电子空穴对的示意图B 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图4a N型半导体中的施主杂质电离图4b P型半导体中的受主杂质电离2 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t S参数。

）1-2 P-N结1-2-1 P-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P型区和N型区的交界面附近，就形成了一个P-N结。

1-2-2 P-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，图5 P-N结内的载流子运动和平衡1-2-3 P-N结的基本特性1 P-N结的单向导电性（整流特性，伏—安特性）：在正向偏置下（P区接正极，N区接负极），此时，外加电场与自建电场的方向相反，因此，当外加电场大于自建电场以后，P-N结内的载流子产生定向而连续的流动（N区的电子流向P区，P区的空穴流向N区），形成电流。

而且，这种电流随着外加电压的增加很快增大，形成很大的正向电流。

——这就叫P-N结的正向特性。