11 半导体的基础知识
半导体FAB里基本的常识简介-精华版
1.晶圆制造厂非常昂贵得原因之一,就是需要一个无尘室,为何需要无尘室ﻫ答:由于微小得粒子就能引起电子组件与电路得缺陷2.何谓半导体?答：半导体材料得电传特性介于良导体如金属(铜、铝,以及钨等)与绝缘与橡胶、塑料与干木头之间。
最常用得半导体材料就是硅及锗。
半导体最重要得性质之一就就是能够藉由一种叫做掺杂得步骤刻意加入某种杂质并应用电场来控制其之导电性。
3.常用得半导体材料为何？答:硅(Ｓi)、锗(Ge)与砷化镓(AsGa)4.何谓VLSＩ？答：ＶLSI（Veｒy LａrgｅScale Integｒａｔiｏn）超大规模集成电路5.在半导体工业中,作为绝缘层材料通常称什么?ﻫ答:介电质（Dieleｃｔriｃ)、6.薄膜区机台主要得功能为何?ﻫ答：沉积介电质层及金属层7.何谓CVD(CｈemicaｌVapor Dｅp、)答:CVＤ就是一种利用气态得化学源材料在晶圆表面产生化学沉积得制程8.CVD分那几种?ﻫ答:PE-CＶＤ（电浆增强型)及Theｒmaｌ-CＶD(热耦式)9.为什么要用铝铜(Al-Ｃu)合金作导线?ﻫ答:良好得导体仅次于铜10.介电材料得作用为何? ﻫ答:做为金属层之间得隔离11.何谓ＰＭＤ(Ｐre-Metal Diｅleｃtric）答:称为金属沉积前得介电质层,其界于多晶硅与第一个金属层得介电质12.何谓IＭD（Inｔer-Metal Dielｅctric）ﻫ答：金属层间介电质层。
13.何谓USG？答:未掺杂得硅玻璃(Uｎdopｅd Siｌicate Ｇlａss)14.何谓FSＧ? ﻫ答:掺杂氟得硅玻璃(Fｌｕorinａtｅd SiｌｉcａteＧｌass)15.何谓ＢPSＧ? ﻫ答:掺杂硼磷得硅玻璃(Boro phosｐhｏsiｌicate ｇlａｓｓ）16.何谓ＴEＯＳ? ﻫ答:Tetｒａ-eｔhoｘy－silａnｅ四乙氧基硅烷，正硅酸四乙酯, 用途为沉积二氧化硅17.TEＯS在常温时就是以何种形态存在?答:液体18.二氧化硅其Ｋ值为3、9表示何义答:表示二氧化硅得介电质常数为真空得３、9倍19.氟在CVD得工艺上，有何应用答：作为清洁反应室(Ｃhambeｒ)用之化学气体20.简述Endpｏinｔdetector之作用原理答:cｌeａn制程时,利用生成物或反应物浓度得变化,因其特定波长光线被detectoｒ侦测到强度变强或变弱，当超过某一设定强度时,即定义制程结束而该点为endpｏinｔ、21.机台使用得管件材料主要有那些?答：有不锈钢制（Stａinleｓs Steａl），黄铜制（Ｂｒａｓs）,塑胶制（PＶC),特氟隆制（Teflon）四种、22.机器维修时要放置停机维修告示牌目得为何?ﻫ答:告知所有得人勿操作机台，避免危险23.机台维修至少两人配合，有何目得?答:帮忙拆卸重物,并随时警戒可能得意外发生24.更换过任何气体管路上得零件之后,一定要做何动作?ﻫ答:用氦气测漏机来做测漏、25.维修尚未降至室温之反应室（Chａmbｅr）,应配带何种手套答:石棉材质之防热手套并宜在80摄式度下始可动作26.何为真空(Vａcuｕm)?半导体业常用真空单位就是什么？答:半导体业通常用Torｒ作为真空得压力单位,一大气压相当76０Toｒr，低于7６0Ｔｏrr压力得环境称为真空、27.真空Pumｐ得作用?答:降低反应室(Ｃｈamｂeｒ）内得气体密度与压力28.何谓内部连锁(Intｅrlｏcｋ)ﻫ答:机台上intｅrlｏｃk有些属于保护操作人员得安全,有些属于水电气等规格讯号,用以保护机台、29.机台设定许多interlock有何作用?ﻫ答:机台上interlock主要避免人员操作错误及防止不相关人员动作、30.ＷafeｒＳcｒｕbber得功能为何?答:移除芯片表面得污染粒子,Scｒｕbber（Wafｅr cｌean)机台就是水清洗waｆer表面,去除wafer表面外来得微尘颗粒(partｉcle)、31.何谓蚀刻(Ｅtｃｈ)？ﻫ答:将形成在晶圆表面上得薄膜全部,或特定处所去除至必要厚度得制程。
半导体物理-11
庞智勇
山东大学物理学院
本幻灯片参照刘恩科等所编著教材《半导体物理学》编写
半导体物理 Semiconductor Physics
前面几节中我们都假定费米能级位于离开带边较 远的禁带之中，但是在有些情形下，费米能级可以 接近带边甚至进入带内，这种情形称为简并。
在费米能级位于离开带边较远的禁带之中情况下， 费米分布可由玻尔兹曼分布近似。在简并情形下， 由于占有几率f(E)一般有较大的值，玻尔兹曼分布和 费米分布之间的区别将变得显著，由玻尔兹曼分布 得到的占有几率将大于由费米分布得到的，所以不 能再用玻尔兹曼近似，而必须用费米分布。
积分，得到导带电子浓度
n0
Ec' Ec
4
(2mn* )3/ 2 h3
exp(
E EF k0T
)(E
Ec )1/ 2dE
对于简并半导体
Ec - EF >> k0T 的条件不满足，这时导带电子浓度必须用 费米分布函数计算，于是简并半导体的电子浓度n0为
n0
4
(2mn* )3/ 2 h3
对掺磷的n型硅，ED =0.044 eV，mn* 1.08m0 ，
计算可得 ND 2.31023 cm3
当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现 象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体。
半导体物理 Semiconductor Physics
简并时杂质没有充分电离
注意这是一个结论，而不是当没有充分电离时怎样计算
dN fB (E)gv (E)dE
4V
(2mn* )3/ 2 h3
exp(
E EF k0T
)(E
半导体基础知识单选题100道及答案解析
半导体基础知识单选题100道及答案解析1. 半导体材料的导电能力介于（）之间。
A. 导体和绝缘体B. 金属和非金属C. 正电荷和负电荷D. 电子和空穴答案：A解析：半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。
2. 常见的半导体材料有（）。
A. 硅、锗B. 铜、铝C. 铁、镍D. 金、银答案：A解析：硅和锗是常见的半导体材料。
3. 在纯净的半导体中掺入微量的杂质，其导电能力（）。
A. 不变B. 减弱C. 增强D. 不确定答案：C解析：掺入杂质会增加载流子浓度，从而增强导电能力。
4. 半导体中的载流子包括（）。
A. 电子B. 空穴C. 电子和空穴D. 质子和中子答案：C解析：半导体中的载流子有电子和空穴。
5. P 型半导体中的多数载流子是（）。
A. 电子B. 空穴C. 正离子D. 负离子答案：B解析：P 型半导体中多数载流子是空穴。
6. N 型半导体中的多数载流子是（）。
A. 电子B. 空穴C. 正离子D. 负离子答案：A解析：N 型半导体中多数载流子是电子。
7. 当半导体两端加上电压时，会形成（）。
A. 电流B. 电阻C. 电容D. 电感答案：A解析：电压作用下，半导体中有电流通过。
8. 半导体的电阻率随温度升高而（）。
A. 增大B. 减小C. 不变D. 先增大后减小答案：B解析：温度升高，载流子浓度增加，电阻率减小。
9. 二极管的主要特性是（）。
A. 单向导电性B. 放大作用C. 滤波作用D. 储能作用答案：A解析：二极管具有单向导电性。
10. 三极管的三个电极分别是（）。
A. 基极、发射极、集电极B. 正极、负极、地极C. 源极、漏极、栅极D. 阳极、阴极、控制极答案：A解析：三极管的三个电极是基极、发射极、集电极。
11. 场效应管是（）控制器件。
A. 电流B. 电压C. 电阻D. 电容答案：B解析：场效应管是电压控制型器件。
12. 集成电路的基本制造工艺是（）。
A. 光刻B. 蚀刻C. 扩散D. 以上都是答案：D解析：光刻、蚀刻、扩散都是集成电路制造的基本工艺。
第三节 半导体
第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一，其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体？
半导体是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看，半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应，能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向，因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性，制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件，如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中，需要更高的速度、更小的面积和功耗，因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高，需要更高效、更可靠、更节能的电子设备，因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用，半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之，半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着，也将成为电子行业长期的研究方向之一。
半导体指的是什么东西
半导体指的是什么东西半导体是一种电子材料，具有介于导体和绝缘体之间的电导率。
它的电导率介于导体和绝缘体之间，当半导体处于不同的电场中或受到光照时，其电导率会发生变化。
半导体在电子学和光电子学领域有着广泛的应用，是现代电子行业中至关重要的材料之一。
半导体的基本特性1.导电性质半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，当外加电压或光照作用于半导体材料时，会产生载流子，从而改变其电导率。
这种特性使得半导体可以被用于制造各种电子器件，如晶体管、二极管等。
2.能带结构半导体的导电性取决于其能带结构，包括价带和导带。
在基本结构中，价带中填充了电子，当电子受到激发或加热时，会跃迁到导带中，从而形成电子与空穴对，使半导体具有导电性。
3.半导体材料常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
其中，硅是最为广泛应用的半导体材料，其稳定性和可控性较高，适用于各种电子器件的制造。
半导体的应用领域1.微电子器件半导体器件的制造和发展推动了微电子技术的进步，例如集成电路、晶体管等，广泛应用于计算机、通信设备等领域。
2.光电子器件某些半导体材料还具有光电转换特性，可以用于制造激光器、太阳能电池等光电子器件，将光能转化为电能。
3.传感器半导体传感器利用半导体材料的导电性变化来感知温度、压力、光照等物理量，广泛应用于工业控制、汽车电子等领域。
未来发展趋势随着技术的不断创新和发展，半导体材料和器件的研究也在不断向着更高性能、更小尺寸的方向发展。
纳米技术、量子技术等将为半导体领域带来全新的突破，推动电子学、光电子学等领域的进步。
总的来说，半导体作为一种介于导体和绝缘体之间的电子材料，在现代电子领域中发挥着不可替代的作用。
通过不断的研究和应用，将为人类带来更多更好的科技产品和服务。
半导体器件的基本概念和应用有哪些
半导体器件的基本概念和应用有哪些一、半导体器件的基本概念1.半导体的定义：半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常见的有硅、锗、砷化镓等。
2.半导体的导电原理：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
3.半导体器件的分类：根据半导体器件的工作原理和用途，可分为二极管、三极管、晶闸管、场效应晶体管等。
二、半导体器件的应用1.二极管：用于整流、调制、稳压、开关等电路，如电源整流器、数字逻辑电路、光敏器件等。
2.三极管：作为放大器和开关使用，如音频放大器、数字电路中的逻辑门等。
3.晶闸管：用于可控整流、交流调速、电路控制等，如电力电子设备、灯光调节等。
4.场效应晶体管：主要作为放大器和开关使用，如场效应晶体管放大器、数字逻辑电路等。
5.集成电路：由多个半导体器件组成的微型电子器件，用于实现复杂的电子电路功能，如微处理器、存储器、传感器等。
6.光电器件：利用半导体材料的光电效应，实现光信号与电信号的转换，如太阳能电池、光敏电阻等。
7.半导体存储器：用于存储信息，如随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
8.半导体传感器：将各种物理量（如温度、压力、光照等）转换为电信号，用于检测和控制，如温度传感器、光敏传感器等。
9.半导体通信器件：用于实现无线通信功能，如晶体振荡器、射频放大器等。
10.半导体器件在计算机、通信、家电、工业控制等领域的应用：计算机中的微处理器、内存、显卡等；通信设备中的射频放大器、滤波器等；家电中的集成电路、传感器等；工业控制中的电路控制器、传感器等。
以上就是关于半导体器件的基本概念和应用的详细介绍，希望对您有所帮助。
习题及方法：1.习题：请简述半导体的导电原理。
方法：半导体中的载流子（电子和空穴）在外界条件（如温度、光照、杂质）的影响下，其浓度和移动性会发生变化，从而改变半导体的导电性能。
半导体器件的基本知识
1.4.2 光敏二极管
a) 光敏二极管伏安特性曲线
b) 光敏二极管图形符号
图1-17 光敏二极管伏安特性曲线及图形符号
1.4.3 发光二极管
发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。 由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通 过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。
a) 发光二极管图形符号
b) 发光二极管工作电路
图1-18 发光二极管的图形符号及其工作电路
1.5 双极型晶体管
• 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称晶体管，它是通过一定的工艺 将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结 之间相互影响，BJT表现出不同于单个PN 结的特性，具有电流放大作用，使PN结的 应用发生了质的飞跃。
1．输入特性曲线 UCE=0V的输入特性曲线类似二极管正向于特性曲线。UCE≥1V时，集电极 已反向偏置，而基区又很薄，可以把从发射极扩散到基区的电子中的绝大 部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响，其特性曲线会向 右稍微移动，但UCE再增加时，曲线右移很不明显，就是说UCE≥1V后的 输入特性曲线基本是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性 曲线。
PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结呈现截然 不同的导电性能。
1．PN结外加正向电压
当外加电压V，正极接P区，负极接N区时，称PN结外加正 向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。外加正向电压后，外 电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场促使N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正 空间电荷，P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间 电荷，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子 的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。在 一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现出一 个阻值很小的电阻，称为PN结正向导通。
半导体的基本知识
1-1半导体的基本知识课 题：半导体基本知识教学目的、要求：1、了解半导体的导电特性； 2、掌握PN 结及其单向导电性。
教学重点、难点：1、PN 结形成的过程；（难点） 2、PN 结的单向导电性。
（重点） 授 课 方 法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。
授 课 提 纲：教 学 内 容： 组织教学准备教学材料，清点学生人数。
（课前2分钟） 引入新课半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。
常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。
半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。
从本节课开始，我们先从半导体的基本知识开始，介绍常用的半导体器件。
要求大家本征半导体的特点，掌握PN 结的形成及单向导电性。
（2分钟） 进入新课第一章 常用半导体器件§1-1 半导体的基本知识【板书】一、什么是半导体【板书】1、物质按导电能力的分类【标题板书+内容多媒体】（8分钟）自然界中的物质按其导电能力可以分为三大类：导体、绝缘体和半导体。
物质的导电特性取决于原子结构。
⑴导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。
因此在外电场作用下，这些电子产生定向移动形成电流，呈现出较好的导电特性。
⑵绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。
⑶半导体：半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此，半导体的导电特性介于二者之间。
半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）及金属的氧化物和硫化物。
最常用的是硅和锗。
2、半导体的特点【标题板书+内容多媒体】（5分钟）半导体之所以被用来制造电子元器件，不是在于它的导电能力处于导体与绝缘体之间，而是由于它的导电能力在外界某种因素作用下发生显著的变化，这种特点表现如下：⑴半导体的电导率可以因为加入杂质而发生显著的变化。
半导体重要基础知识点
半导体重要基础知识点
半导体是指具有介于导体和绝缘体之间电导率的材料。
它在现代电子
学中起着重要的作用，广泛应用于各种电子器件和技术中。
在学习半
导体的基础知识时，以下几个关键概念是不可或缺的。
1. 能带理论：
能带理论是解释半导体电导性质的基础。
它将固体材料中电子的能量
划分为能量带，包括导带和禁带。
导带中的电子可以自由移动，导致
材料具备良好的导电性；而禁带中没有电子，因此电子无法自由移动。
2. 纯净半导体：
纯净半导体由单种原子构成，并且没有杂质。
其中，硅是最常用的半
导体材料之一。
纯净的半导体通常表现为绝缘体，因为其禁带宽度较大，电子无法跃迁到导带。
3. 杂质掺杂：
为了改变半导体的导电性质，可以通过掺杂过程引入杂质。
其中，掺
入五价元素（如磷、砷）的半导体称为n型半导体，因为杂质的额外
电子可以增加导电性能；而掺入三价元素（如硼、铝）的半导体称为p 型半导体，因为杂质的缺电子位可以增加导电性能。
4. PN 结：
PN结是由n型半导体和p型半导体相接触而形成的结构。
在PN结中，形成了一个漏斗状的能带结构，其中P区域的缺电子位和N区域的额
外电子形成了势垒。
这个势垒可以控制电子的流动，使得PN结可以用
于逻辑门、二极管等电子器件中。
半导体作为现代电子技术的基础之一，无论是手机、计算机还是各种
智能设备，都离不开半导体器件的应用。
因此，熟悉半导体的基础知识对于理解和应用现代科技至关重要。
11半导体发光的基本原理
产生激光的条件
• 稳定的光学谐振腔； • 在谐振腔内传播时满足阈值条件； • 外部能量泵浦使粒子数反转
•v
LD和LED的发光效率
一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激 光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点：
1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值 3.更高的内部量子效率
光学谐振腔
跃迁的过程如图所示：
电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个 声子，这种跃迁叫做间接跃迁。
跃迁概率
间接跃迁 VS
直接跃迁
其他跃迁
带内的吸收可以是电子在导带的也可以是 空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和 受主能态到价态的空穴跃迁
11.2 半导体发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子 而被激发。处于激发态的电子也可以向较 低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量
受激和自发辐射对比
• 自发辐射：随机的，发出一串串光波的相 位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐 射的光波为非相干光；
• 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状 态、传播方向均与外来的光波相同，辐射 的光波是相干光。
波尔兹曼分布方程： 稳态情况下，
对入射光子能量的要求
11.3激光的生成
激光的阈值：
11.1 晶体中光产生和吸收微观模型
集成电路常用的光源： 1 半导体激光器 2 发光二极管
优点： 1 尺寸小 3高频调制
2 混合集成度高 4 高效耦合
Eh
C 0
Emc2 pmuc
E hc mc2
0
p
h
u
0
h
2 2
k u
0
m h
c0
pk
直接跃迁
直接带隙材料 间接带隙材料。
半导体面试题目(3篇)
第1篇一、基础知识部分1. 请简述半导体材料的基本概念及其分类。
2. 解释什么是本征半导体、n型半导体和p型半导体，并说明它们之间的区别。
3. 什么是掺杂？为什么掺杂对于半导体的应用至关重要？4. 什么是载流子？请分别说明电子和空穴载流子的性质。
5. 什么是能带？简述价带、导带和禁带的概念。
6. 什么是能级？请解释能级与能带之间的关系。
7. 什么是施主和受主？它们在半导体中的作用是什么？8. 请解释半导体中的电导率是如何受到温度影响的。
9. 什么是霍尔效应？它在半导体中的应用有哪些？10. 什么是PN结？简述PN结的形成过程、特性和应用。
二、器件原理部分1. 请简述晶体管的工作原理，包括NPN和PNP晶体管。
2. 什么是场效应晶体管（FET）？请解释其工作原理和特性。
3. 什么是MOSFET？请说明其结构、工作原理和优缺点。
4. 什么是二极管？请解释二极管的基本特性和应用。
5. 什么是三极管？请说明三极管的基本特性和应用。
6. 什么是整流器？请列举几种常见的整流器类型及其工作原理。
7. 什么是稳压器？请说明稳压器的工作原理和应用。
8. 什么是放大器？请解释放大器的基本特性和应用。
9. 什么是滤波器？请列举几种常见的滤波器类型及其工作原理。
10. 什么是振荡器？请解释振荡器的基本特性和应用。
三、电路设计部分1. 请简述半导体电路设计的基本流程。
2. 什么是模拟电路和数字电路？请分别说明它们的特点。
3. 什么是电路仿真？请列举几种常见的电路仿真软件。
4. 什么是版图设计？请说明版图设计的基本流程和注意事项。
5. 什么是集成电路封装？请列举几种常见的集成电路封装类型。
6. 什么是测试与验证？请说明测试与验证在半导体电路设计中的重要性。
7. 什么是电路优化？请列举几种常见的电路优化方法。
8. 什么是电源设计？请说明电源设计的基本原则和注意事项。
9. 什么是信号完整性？请解释信号完整性对电路设计的影响。
10. 什么是电磁兼容性？请说明电磁兼容性在电路设计中的重要性。
第第11章章常用半导体器件常用半...
模
拟 电
ＰＮ结正偏 ⇒ 内电场削弱 ⇒
耗尽层变窄⇒
子
技
术
基 础
多子扩散 > 少子漂移 ⇒ 正向电流大，反向电流小
外加正向电场：促使扩散，阻止漂移。
第1章 常用半导体器件
(2)、PN结加反向电压时的导电情况
1.1 概述
外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电
模 拟
场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
3、本征半导体导电能力较弱。
空 穴：
a: 空穴带正电量； b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，
与电子电量相等，符号相反； c：在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，两
者对电流的贡献是迭加的。
第1章 常用半导体器件
1.1 概述
1.1.2 杂质半导体
为什么要掺
模 杂质半导体：人为掺入杂质的半导体。
子
扩散电容远小于势垒电容
技
术 基
• 低频工作时，PN结的结电容的容抗大，可视为开路。
础
低频可不考虑结电容的影响；
图二极管高频等效道路
• 高频工作时，因容抗变小，结电容将旁路PN结的等效电 阻，使PN结的单向导电性变差。
高频时必须考虑结电容的影响；
频率越高，结电容 效应越明显。
高频电路中应使用结电容小的二极管。
第1章 常用半导体器件
2、电子空穴对
1.1 概述
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。
模 拟
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的
电 价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由
子 技
电子。
术 基
这一现象称为本征激发，也称热激发。
半导体器件与工艺(11)
金属类型
硅化物的形成通常要求把难熔金属淀积在硅片上，接着进行高 温退火处理以形成硅化物。通常热退火步骤在一个多腔集成设备中 使用快速热退火（RTA）处理。硅化物不是阻挡层金属，在一些硅化 物中发现，硅迅速地扩散穿过硅化物。扩散发生在金属-硅化物-硅 系统的热处理过程中，硅扩散穿过硅化物进人到金属中，这降低了 系统的完整性。解决这个问题的方法是在硅化物和金属化层之间淀 积一层金属阻挡层。
金属类型
通常用作阻挡层的金属是具有高熔点的难熔金属。在芯片 制造业中，用于多层金属化的普通难熔金属有钛（Ti）、钨 （W）、钽（Ta）、钼（Mo等。用钛作为阻挡层的优点是增强 铝合金连线的附着、减小接触电阻、减小应力和控制电迁徙。 为了得到好的阻挡特性，在淀积之前，硅片在真空腔经历了清 除硅片上的自然氧化层和氧化物残留物等步骤（溅射刻蚀）。 钛钨（TiW）和氮化钛（TiN）也是两种普通的阻挡层金属 材料，它们禁止硅衬底和铝之间的扩散。TiN 具有作为钨和铝 间阻挡层金属的功能，然而TiN和硅之间的接触电阻较高。为 了解决这个问题，在TiN被淀积之前，一薄层钛被淀积，这层 Ti能与下层的材料（如硅）反应从而降低它的电阻。
金属类型
对于铜互连，钽、氮化钽和氮硅钽（TaSiN）都是阻挡层 金属的待选材料。这个扩散阻挡层必须很薄。当几何尺寸不 断缩小时，要求金属被淀积进具有高深宽比的通孔。研究表 明，Ta对铜来说有很好的阻挡和附着特性。如果用TaN，则通 过注入少量氮气或淀积钽氮化合物来获得。铜可通过高密度 等离子体CVD（HDPCVD）或者离子化了的金属等离子体物理气 相淀积生长。就钽而言，离子化了的金属等离子体PVD取得了 好的台阶覆盖。如果淀积进入具有高深宽比的间隙，那么 HDPCVD阻挡层淀积常被选择。
金属类型
11半导体的基本知识教程
休息
§1.2 PN结
• 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂 质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在 N型半导体和P型半导体的结合面上形成 PN结。 • PN结是构成半导体器件的基础。 • • • • • 一. PN结的形成 二. PN结的单向导电性 三. PN结的反向击穿 四. PN结的电容效应 五. PN结的温度特性
1. 外加正向电压
• PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压， 简称正偏 。 • 外加的正向电压形成的电场的方向与PN结内电 场方向相反，削弱了内电场。内电场的削弱对多子 扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 • 这时，扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电 流的影响，PN结呈现低阻性。称PN结导通。
PN结形成的过程请看动画。
•
内建电场在PN结中产生内建电位差，又叫接触 电位差，用Uho来表示。
• 内建电位差的数值为：
kT N A N D U ho ln ( 2 ) q ni
• 其中： • NA为受主杂质浓度 • ND为施主杂质浓度 • ni为本征半导体载流子浓度 • K为玻尔兹曼常数(8.6310-5ev/k, 或1.3810-23J/k) • q为电子电荷量，q=1.60210-19库仑 (c) • T为热力学温度K • 显然，PN结两边掺杂浓度越大， ni越小，Uho越大。
•
• 半导体的独特性质： 1、热敏性 2、光敏性 3、掺杂性
• 半导体含有1/107的杂质时，电阻率下降到原 来的1/16； 而金属中含有1/1000的杂质时，对电阻率的 影响还是微不足道的。
二. 半导体的晶体结构和共价键
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
§1.1 半导体的基本知识
半导体的基础知识介绍
半导体的基础知识介绍朋友们！今天咱就来唠唠这个半导体的事儿。
你们可别小瞧了这半导体，它在咱们生活里那可是起着相当重要的作用呢！我给你们讲啊，就前段时间，我和几个哥们儿一起去参观了一个半导体工厂，那一趟下来，可让我对半导体有了全新的认识。
那天，我们几个大早上就集合出发了。
一路上大家都兴奋得不行，对这个神秘的半导体工厂充满了好奇。
到了工厂门口，好家伙，那大门看着就特别气派，给人一种很专业、很先进的感觉。
我们在门口登记完，就跟着厂里的一个讲解员小姐姐进去了。
一进车间，那可真是让我们大开眼界啊！首先映入眼帘的就是一排排整齐的设备，这些设备看着就特别复杂，各种按钮、显示屏啥的，让人眼花缭乱。
讲解员小姐姐笑着对我们说：“各位朋友，这些设备可都是用来制造半导体的‘神器’哦！”我们几个就像一群好奇的孩子，围着小姐姐不停地问这问那。
其中一个哥们儿就问：“小姐姐，这半导体到底是个啥玩意儿啊？咋感觉这么神秘呢？”小姐姐耐心地解释说：“半导体嘛，简单来说就是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。
比如说硅、锗这些材料，就是常见的半导体材料啦。
它们的导电性能可以通过一些方法来控制，这就使得它们在电子设备里有了大用场。
”我们听了之后，都纷纷点头，好像明白了一些。
接着，小姐姐带着我们来到了一个生产环节，那里有一些工作人员正在操作着一台台精密的仪器。
只见他们小心翼翼地把一些硅片放在仪器里，然后通过各种复杂的工艺进行加工。
小姐姐告诉我们，这个过程就像是给硅片做一场“超级变身”，让它们从普通的材料变成具有特殊性能的半导体。
这时候，另一个哥们儿忍不住凑上去问一个工作人员：“大哥，你们这加工得这么精细，万一出点差错咋办啊？”那个工作人员笑着说：“咱这可都是经过严格培训的，每一个步骤都有严格的标准。
而且啊，这些设备也很先进，出错的概率很小啦。
要是真出了问题，咱也有办法及时解决。
”听了他的话，我们都放心了不少。
在参观的过程中，我们还看到了一些已经生产好的半导体芯片。
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1.1 半导体的基础知识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN结及其单向导电性
1.1.1 本征半导体
一、何谓半导体和本征半导体
半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质
常用：硅 Si、锗 Ge、砷化镓 GaAs 本征半导体—纯净的具有晶体结构的半导体
硅(锗)的原子结构模型
表示四价元素原子核和
内层电子所具有的净电荷
硅(锗)的晶格结构示意图
硅(锗)的晶格结构示意图
⏹共价键
⏹本征激发，成对产生自由电子和空穴
⏹有两种载流子导电：空穴带正电，电子带负电
⏹复合
⏹动态平衡
⏹温度一定时，自由电子-
空穴对的浓度一定。
温
度升高或受光照时，载
流子浓度增大
⏹常温下导电性能差
1.1.2 杂质半导体
掺杂后的半导体称为杂质半导体
其导电能力大大增强，导电性能得到改善。
掺入五价杂质元素（如磷、砷、锑）→N型半导体掺入三价杂质元素（如硼、铝、铟）→P型半导体
一、N 型半导体的结构及导电机理 晶格结构
⏹杂质离子不是载流子。
⏹多子：自由电子；少子：空穴。
⏹整个半导体呈电中性。
电结构
二、P 型半导体的结构及导电机理
晶格结构
电结构
⏹多子：空穴；少子：自由电子。
⏹整个半导体呈电中性。
杂质离子不是载流子。
三、杂质半导体的导电性能
杂质半导体导电性能主要取决于多子浓度。
多子浓度主要由掺杂浓度决定，其值较大且稳定，故杂质半导体导电性能得到显著改善。
少子对杂质半导体导电性能也有影响，由于少子由本征激发产生，其大小随温度升高和光照而增大，故半导体器件对温度、光照敏感，在应用中要注意温度、光照对半导体器件及其电路性能的影响。
一、何谓PN 结
PN 结
二、PN 结的形成
内电场阻碍扩散运动 促进漂移运动
扩散运动
载流子的扩散运动
一、何谓PN 结
空间电荷区 内电场
空间电荷区及其内电场 达到动态平衡，形成PN 结
二、PN 结的形成 续
动态平衡时的PN 结中的 载流子运动及电流
⏹动态平衡时：扩散电流
等于漂移电流，流过PN
结的总电流为零。
空间
电荷区宽度一定，内电
场强度一定。
⏹接触电位差（或内建电
位差）的大小与半导体
材料、掺杂浓度和温度
有关。
三、PN 结的单向导电性
加在PN结上的电压称为偏置电压。
若P区接电位高端、N区接电位低端，则称PN结外接正向电压或正向偏置，简称正偏。
反之，若P区接电位低端、N区接电位高端，则称PN结外接反向电压或反向偏置，简称反偏。
PN结正偏时导通，呈现很小的结电阻，产生较大的正向电流；反偏时截止，呈现很大的结电阻，反向电流近似为零。
这种单方向导通特性称为单向导电性。
PN 结为何具有单向导电性？
正向电流 I F ≈ I 扩散 大 正偏时导通
反向饱和电流 I R = I 少子漂移 很小≈ 0
反偏时截止 请留意
正、反偏的接法
四、PN 结伏安特性表达式
式中 )1(e
T /S -=U u I i I S ——反向饱和电流 U T ——温度电压当量 常温下（T =300K ）: U T = 26mV q kT U =T i
P 区 ＋
_ u P N
玻尔兹曼常数
电子电荷量
1.1 复习要点
主要要求：
1.了解本征半导体和杂质半导体的导电机理，掌握重要
概念，理解半导体器件的性能受温度影响的原因。
2. 了解PN结的形成，掌握PN结的单向导电特性。
重点：
自由电子与空穴、N型半导体与P型半导体、多子
与少子、扩散运动与漂移运动、PN结、PN结的
正偏与反偏、PN结的单向导电性等概念。