Semiconductor-半导体基础知识.pdf

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1、Yuming电子知识系列 Semiconductors 半导体基础知识 Yuming Sun J 2011un, CONTENTS z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？ 半导体是一种既如导体那么容导电 ， 也像绝缘体那样导电的物质（介于导体 和绝缘体之间 ） ， 如 硅 （ Si） 、 锗 （ Ge） 。和绝缘体之间 ） 如 硅 （ ） 锗 （ ） 半导体的传导性可由掺杂物的浓和被供 给的电压来控制给的电压来控制 。 它的电阻值通常随温升高而下（与 属材相反 ） 。 电电子子零零

2、件件技技术术与与应应用用 原子结构 -e 原子是由 质子 中子 与电子 三 种 子所組成 其中由 质子与原子是由 质子 、 中子 与电子 三 种 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。 在原子 核 ， 有 带正电 的 质子 及 带电 的中子 。 所以 ， 原子在原子 核 有 带正电 的 质子 及 带电 的中子 所以 原子 核带正电，电子带负电。 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 即原子的 电子 及 质子数目 是相同的 ， 即 是 说 ， 原

3、子是 带电 的 。是 说 原子是 带电 的 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 。 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 如果电子载有负的电荷 -e离开中性原 子 这样 一 个 空穴 （ 或 称为电 ） 就 会出子 ， 这样 一 个 空穴 （ 或 称为电 ） 就 会出 现 。 这个空穴带 正的 电荷 +e。现 这个空穴带 正的 电荷 而 电子和空穴 都能夠自由地在 物质内移而 电子和空穴 都能夠自由地在 物质内移 动

4、。 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 本质半导体 本质半导体 是一 种 有相同 数 的自由 电子 和 空穴的纯半导体。 最普遍的 本质半导体 可算是 硅 和 锗 。 它 们 都最普遍的 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 （ Valence electron） 而 这 四 个（ ） ， 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

5、 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 去破 坏 它 们 的共 价键 而成 为 自由 电子 。去破 坏 它 们 的共 价键 而成 为 自由 电子 同样数的空穴就会形成，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 的上升而增加。 非本质半导体 在本质半导体上加上小（如，百万 分之一）杂质原子，半导体材的特性就 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

6、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 的形会 个 称为 （ 的形 成会同时制造空穴。 这些五价杂质因此提供一个带负电的载电子，而这些物质就称为 n型半 导体 而 电 的形成主要由 于电子的动作 所以在 型 半导体 中 电子称， 而 。 n型 中 ， 为 多数载子 ， 而空穴（只会因热效应而形

7、成）就被称为 少数载子 。 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 子 而 电 子 就是 少 数 的 载 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 子 ， 而 电 子 就是 少 数 的 载 子 。 硅的简介 硅 是 现在 各 种半导体 中 使用最广泛的电子 材硅

8、是 现在 各 种半导体 中 使用最广泛的电子 材 ，它的来源极广，譬如我们脚下所踩的砂。 它的含 占 地球表 层 的 25% 纯 化 制 作容占 地球表 层 的 ， 纯 化 制 作容 ， 取得成本较低，因此被用做为集体电制作 的主要材 如常 见 的微 处 器 （ CPU) 动态。 如常 见 的微 处 器 （ ， 动态 随机存取记忆体（ DRAM）、等，都是以 硅为 主要材硅为 主要材 。 在元素週期表，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

9、原子內所含的 电为 ， 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 材的电性影响也比较小， 我 们将探讨硅 原子的 4个外我 原子的 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

10、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 的方 结构称为钻石体构成 的方 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，就是材內的原子 或分子 ， 在三空 间 中 ， 以周期性方式排。硅晶 体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。 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 当 一 硅材整体的 原子排当 一 硅材整体的 原子排 结构呈现规则性，此硅材称 为单

11、晶硅 (Single Crystal)， 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。 当硅材是由许多小单晶结 构组成 ， 各 单 晶 颗间 的原构组成 各 单 晶 颗间 的原 子排方向彼此互异，此硅 材称为多晶硅 (Poly Crystal)。 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 中加入电子或空穴，半导 体 即用 电子 或 空穴来传导体 即用 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

12、 硅晶体中掺 入 周 期表中的三族元素 (此正 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 ， 因而形成一 个电子子 ， 三族元素原子 仅 可供 应 三 个电子 ， 因而形成一 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 电的传导 。 此 掺杂 的 区域 即 称为 正型 区 (p-type region)，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

13、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，掺杂原子多出一个电子， 当外加一个电压时，电子向正电位处移动，形成电的传导。 此掺杂的区域即称为负型区 (n-type region)，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 。 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 型和 型 半导体 连 在一 起 的 时候 ， 交界面 处 就形成 很簿 (10 -3 mm) 的一个接合

14、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 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 子 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 有多 数载 子 。 障壁电位 P-N接面 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 电 位 （ barrier

15、)就会跨越两区建起来。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 0.8 V。 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) PMOS NMOS CMOS (PMOS+NMOS) (互补属氧化物 半导体)半导体 BiCMOS (Bipolar+CMOS) (双极-互补属 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 1961：4个双极性晶体管，120USD：个双极性晶体管. 后市场占有迅速下 但仍被模拟系统和电器件所用 电电子子零零件件技

16、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代为数字的逻辑器件所用在代为数字的逻辑器件所用 70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代和80代为数字逻辑器件所用在代和代为数字逻辑器件所用 电子表和手持计算器 80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 自代以来在芯片中最常用的电自80代以来在IC芯片中最常用的电 低耗电低耗电 高温稳定性 高抗扰 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与双极电的结合 始用

17、于90代 CMOS逻辑电逻辑电 双极输入/输出 比CMOS快 高耗电高耗电 当电供给的电压至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（John Ambrose Fleming），1904）， 第一个晶体管：AT&T贝尔实验室，1947 第一个锗单晶第一个锗单晶：1952 第一个硅单晶：1954 第一个集成电：TI（德州仪器），1958 第一个商用集成电：Fairchild（仙童），1961第一个商用集成电：（仙童）， 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Gorden Moore(摩尔) 在1964发现在

18、发现 晶体管的数每12个月要翻一番而价格 变 在80代放缓到每18个月在代放缓到每个月 而到1995变成每2翻一番 这种情况可能会延续至2010 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 小规模集成电SSI 2 to 50 中规模集成电MSI 50 to 5 000中规模集成电 , 大规模集成电LSI 5,000 to 100,000 极大规模集成电VLSI 100,000 to 10,000,000 超大规模集成电ULSI 10,000,000 to 1000,000,000 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 晶片制

19、作工艺流程 原材 测试 IC生产线 晶片 测试 属化 绝缘体 沉积 CMP 封装 PR带 PR带 热处 掩膜 封装刻蚀 带 注入 热处 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 极高的纯 燃爆 气体 -N2，O2，硅烷，四氟化氮（CF4）， 燃、爆 有毒、有害 Ar， 液体 腐蚀性 高危险性 液体 -去离子水(DI)，光刻胶液，四乙氧基硅 烷，氢氟酸，H2O2，HNO3，H2SO， CMP浆电镀溶液 高危险性 浆，电镀溶液， 固体 -P，As，Sb，Al，Cu，Ti，Ta， 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 从沙子到晶片 石英砂二氧化硅石英砂：二

20、氧化硅 从砂到属级硅（MGS）从砂到属级硅（） 属硅粉末（MGS）与盐酸反应形成三氯 化硅（TCS）化硅（） 汽化并浓缩纯净的TCS汽化并浓缩纯净的 TCS与氢气反应生成多晶硅（EGS） 溶化并伸形成单晶硅锭溶化EGS并伸形成单晶硅锭 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 从沙子到晶片-2 尾部割侧面抛光并形成口或磨平尾部割、 将硅锭锯成晶圆将硅锭锯成晶圆 圆，研磨，湿法刻蚀，化学机械抛光 激光刻录 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 硅外延生长和绝缘体上硅 硅外延生长硅外延生长 -单晶原在单晶底层上生长单晶原在单晶底层上生长 绝缘体上硅（SOI） -好的绝缘设计好的绝缘设计 -好的性能 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 光刻 将设计版图从掩膜上转移到晶圆表面的光 刻胶上 最关键技术 最昂贵设备步进光刻/扫描仪最昂贵设备：步进光刻扫描仪 确定技术节点确定技术节点 IC生产过程中大重复 黄光区黄光区 电电子子零零件件技技术术与与应应用用 建立生产线成本 较高的开销一个的生产线超过较高的开销：一个300mm的生产线超过20 亿美元 净化间 器材通常重要设备都超过$1M器材，通常重要设备都超过 原材-要求较高的纯原材要求较高的纯 厂房 人员的培训和支出人员的培训和支出 电电子子零零件件技技术术与与应应用用