半导体基础知识和半导体器件工艺

半导体基础知识和半导

体器件工艺

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半导体基础知识和半导体器件工艺

第一章半导体基础知识

通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。

物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。

半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质：

(1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的

热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。

(2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。

(3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。

物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。

前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。

将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。

将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。

电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示，迁移率愈大，截流子运动速度愈快。\

假如把一些电洞注入到一块N型半导体中，N型就多出一部分少数载子――电洞，但由於N型半导体中有大量的电子存在，当电洞和电子碰在一起时，会发生作用，正负电中和，这种现象称爲复合。

单个N型半导体或P型半导体是没有什麽用途的。但使一块完整的半导体的一部分是N型，另一部分爲P型，并在两端加上电压，我们会发现有很奇怪的现象。如果将P型半导体接电源的正极，N型半导体接电源的负极，然後缓慢地加电压。当电压很小时，一般小於时基本没有电流流过，但大於以後，随电压的增加电流增加很快，当电压增加到一定值後电流几乎就不变化了。这样的连接方法爲正向连接，所加的电压称爲正向电压。将N型半导体接电源的正极，P 型半导体接电源的负极，当电压逐渐增大时，电流开始会有少量的增加，但达到一定值後电流就保持不变，并且电流值很小，这个电流叫反向饱和电流、反向漏电流。当电压继续加到一定程度时，电流会迅速增加，这时的电压称爲反向击穿电压。这是由於载子（电子和电洞）的扩散作用，在P型和N型半导体的交界面附近，由於电子和电洞的扩散形成了一个薄层（阻挡层），这个薄层称作PN接面。在没有外加电压时，PN接面本身建立起一个电场，电场的方向是由N区指向P区，从而阻止了电子和电洞的继续扩散。当外加正电压时，削弱了原来存在於PN接面中的电场，在外加电场的作用下，N 区的电子不断地走向P区，P区的电洞不断地走向N区，使电流流通。当外加反向电压时，加强了电场阻止电子和电洞流通的作用，因此电流很难通过。这就是PN接面的单向导电性。

半导体二极体是由一个PN接面组成，而三极管由两个PN接面组成：射极接面和集极接面。这两个接面把电晶体分成三个区域：发射区、基区和集电区。由於这三个区域的电类型不同，又可分爲PNP电晶体和NPN电晶体。PNP电晶体和NPN电晶体虽然形式不同，但工作原理是一样的，都可以用PN接面论来说明。

第二章半导体器件和工艺

第一节半导体器件的发展过程

1947年发明了电晶体，有了最简单的点接触电晶体和接面型电晶体。五十年代初期才开始出现市售的电晶体産品。在1959年世界上第一块积体电路问世，由於当时工艺手段的缺乏，例如采用化学方法选择的腐蚀台面、蒸发时采用金属掩模板来形成引线，使得线宽限制在100um左右，集成度很低。在1961年出现了矽平面工艺後，利用氧化、扩散、光刻、外延、蒸发等平面工艺，在一块矽片上集成多个元件，因而诞生了平面型积体电路。六十年代初，实现了平面积体电路的商品化，这时的积体电路是由二极体、三极管和电阻互连所组成的简单逻辑门电路。随後在1964年出现MOS积体电路，从此双极型和MOS型积体电路并行发展，积体电路也由最初的小规模积体电路发展到中规模集成、大规模集成甚至於超大型积体电路。

第二节半导体器件的分类

大多数半导体器件可以分成四组：双极器件、单极器件、微波器件和光子器件。