微電子材料與制程：第一章 概論

1、2018年深圳大學(xué)材料學(xué)院本科生課程微電子材料與制程第一章 概論2參考書31.1 微電子技術(shù)及應(yīng)用1.3 半導(dǎo)體材料與器件1.2 微電子工業(yè)發(fā)展史1.4 集成電路制造流程1.5 微電子材料及市場(chǎng)41.1 微電子技術(shù)及應(yīng)用微電子工業(yè)就是用微米級(jí)、納米級(jí)的加工技術(shù)，生產(chǎn)出來(lái)各種各樣的半導(dǎo)體分立器件和集成電路，微電子材料是微電子工業(yè)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。1.1 微電子技術(shù)及應(yīng)用5手機(jī)Ipad服務(wù)器工業(yè)控制交通運(yùn)輸國(guó)防航空航天新能源智能電網(wǎng)照明電腦醫(yī)療健康機(jī)器人電視1.1 微電子技術(shù)及應(yīng)用6全球手機(jī)和電腦大多中國(guó)制造，珠三角是世界電子產(chǎn)品生產(chǎn)中心，電子信息產(chǎn)業(yè)是深圳市、廣東省支柱產(chǎn)業(yè)。裝有“中國(guó)芯”的手機(jī)和

2、電腦寥寥無(wú)幾。核心芯片、高端電子材料長(zhǎng)期被國(guó)外廠商壟斷，芯片每年進(jìn)口近3000億美元，超過(guò)了石油成為第一大進(jìn)口商品，核心芯片與材料不能自足不僅影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)而且影響到國(guó)家安全。2014年國(guó)務(wù)院頒布 國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要，首期1200億元支持。2015年中國(guó)制造2025中明確提出“新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)及關(guān)鍵材料”的發(fā)展計(jì)劃。2016年科技部開(kāi)始持續(xù)進(jìn)行國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持“戰(zhàn)略性電子材料”專項(xiàng)。71883年，愛(ài)迪生正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過(guò)一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)。他在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，但他無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有連接在電路里的銅絲，卻因

3、接收到碳絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生了微弱的電流。愛(ài)迪生并不重視這個(gè)現(xiàn)象，只是把它記錄在案，申報(bào)了一個(gè)未找到任何用途的專利，稱之為“愛(ài)迪生效應(yīng)”。這個(gè)效應(yīng)是由加熱燈絲向周圍空間發(fā)射出熱蒸發(fā)電子，從而在燈絲與金屬片間形成電流。1.2 微電子工業(yè)發(fā)展史81.2 微電子工業(yè)發(fā)展史1885年，30歲弗萊明堅(jiān)持認(rèn)為，一定可以為熱電子真空發(fā)射找到實(shí)際用途。1904年，弗萊明研制出一種能夠充當(dāng)交流電整流和無(wú)線電檢波的特殊燈泡“熱離子閥”，從而催生了世界上第一只電子管，即真空二極管，標(biāo)志電子時(shí)代到來(lái)。91.2 微電子工業(yè)發(fā)展史1906年，美國(guó)發(fā)明家德福雷斯特（在二極管的燈絲和板極之間巧妙地加了一個(gè)柵板，發(fā)現(xiàn)能起電流放大

4、作用，從而發(fā)明了第一只真空三極管。電子管的問(wèn)世，推動(dòng)了無(wú)線電電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，電子管器件歷時(shí)40余年一直在電子技術(shù)領(lǐng)域里占據(jù)統(tǒng)治地位。101.2 微電子工業(yè)發(fā)展史到1960年前后，西方國(guó)家的無(wú)線電工業(yè)年產(chǎn)10億只無(wú)線電電子管，電子管除應(yīng)用于電話放大器、海上和空中通訊外，也廣泛滲透到家庭娛樂(lè)領(lǐng)域，將新聞、教育節(jié)目、文藝和音樂(lè)播送到千家萬(wàn)戶，就連飛機(jī)、雷達(dá)、火箭的發(fā)明和進(jìn)一步發(fā)展，也有電子管的一臂之力。111.2 微電子工業(yè)發(fā)展史真空三極管除了可以起放大作用外，還可充當(dāng)開(kāi)關(guān)器件，速度要比繼電器快成千上萬(wàn)倍。電子管很快受到計(jì)算機(jī)研制者的青睞，計(jì)算機(jī)歷史也因德福雷斯特而跨進(jìn)了電子的紀(jì)元。1946年世界

5、上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)用1.8萬(wàn)只電子管，占地170平米，重30噸，耗電150kW，每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。但電子管體積大、笨重、電壓高、能耗大、壽命短、噪聲大、故障率高、制造工藝復(fù)雜。121.2 微電子工業(yè)發(fā)展史1946年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始半導(dǎo)體的研究，1947年12月，肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來(lái)代替體積大、功率消耗大的電子管。晶體管的發(fā)明又為后來(lái)集成電路的發(fā)明打下了基礎(chǔ)。晶體管是20世紀(jì)的最偉大的發(fā)明之一，拉開(kāi)了微電子(Microelectronic)技術(shù)的序幕。但該晶體管噪聲較大，放大

6、倍數(shù)有限。131.2 微電子工業(yè)發(fā)展史肖克利-晶體管之父1950年，威廉肖克利開(kāi)發(fā)出雙極性接面晶體管，用硅代替鍺，即現(xiàn)在俗稱的晶體管。從實(shí)用的角度來(lái)看，點(diǎn)接觸式晶體管的產(chǎn)量非常有限，不能算是商業(yè)上的成功；結(jié)式晶體管卻使得現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝成為可能，并克服了點(diǎn)接觸型的鍺晶體管的不足，為許多半導(dǎo)體公司的興起做出了重大貢獻(xiàn)。1956 年，巴丁、布拉頓和肖克利因?yàn)榫w管的發(fā)明而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。141.2 微電子工業(yè)發(fā)展史晶體管的出現(xiàn)，使電子通信設(shè)備的小型化和低功耗（電池供電）得以實(shí)現(xiàn)。早時(shí)期的收音機(jī)和電視機(jī)使用的是電子管，大多都體積大、耗電多和笨重。直到晶體管的出現(xiàn)，收音機(jī)的小型化才得以實(shí)現(xiàn)。195

7、3年第一個(gè)采用晶體管的商業(yè)化設(shè)備投入市場(chǎng)，即助聽(tīng)器。1954年第一臺(tái)晶體管收音機(jī)投入市場(chǎng)，僅包含4只鍺晶體管。1960年，索尼公司研制了世界上第一臺(tái)晶體管電視機(jī)。151.2 微電子工業(yè)發(fā)展史單個(gè)半導(dǎo)體元件雖然很有用，但如果能夠把幾個(gè)晶體管結(jié)合在同一塊半導(dǎo)體材料上，則可更縮小產(chǎn)品體積。1958 年，德州儀器公司基爾比制作了第一個(gè)鍺片上的集成電路(圖4)，其中的晶體管和被動(dòng)元件是用金絲連接起來(lái)的。1959 年，仙童公司的諾伊斯（他后來(lái)創(chuàng)立了英特爾公司)提交了平面工藝的專利，用鋁作為導(dǎo)電條制備集成電路。從此集成電路的時(shí)代開(kāi)始了。2000 年，基爾比因?yàn)榘l(fā)明了集成電路而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。集成電路之父

8、科學(xué)、商業(yè)雙料巨人161.2 微電子工業(yè)發(fā)展史27歲的張忠謀效力于德州儀器公司，并且一干就是25年。1985年，張忠謀返回臺(tái)灣，出任臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)，致力于臺(tái)灣半導(dǎo)體業(yè)的崛起和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，1987創(chuàng)建了全球第一家專業(yè)代工公司臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司(臺(tái)積電)開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體代工時(shí)代。在臺(tái)積電之前集成電路行業(yè)的模式都是一樣的：所有的集成電路都是自己設(shè)計(jì)自己做，Intel、三星等公司集芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)于一體，全能但龐大臃腫。正是這種大而全的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式，帶來(lái)了高成本，高門檻的弊端，放慢了整個(gè)集成電路行業(yè)的步伐?？吹竭@一商業(yè)機(jī)會(huì)的張忠謀，大膽成為第一家“純”晶圓代工公司，不與客戶競(jìng)爭(zhēng)，不設(shè)計(jì)或生產(chǎn)

9、自有集成電路，只幫助半導(dǎo)體公司生產(chǎn)已經(jīng)設(shè)計(jì)成型的集成電路。正是這種模式為臺(tái)積電帶來(lái)巨大財(cái)富的同時(shí)也創(chuàng)造了兩個(gè)新的行業(yè)-晶圓代工廠，集成電路設(shè)計(jì)公司。由于省去了費(fèi)用高昂的晶圓制造環(huán)節(jié)，集成電路行業(yè)整體門檻降低，誕生了一大批新生的具有活力的集成電路設(shè)計(jì)公司，為整個(gè)集成電路行業(yè)帶來(lái)了新活力與創(chuàng)意。171.2 微電子工業(yè)發(fā)展史胡正明教授是微電子微型化物理及可靠性物理研究的一位重要開(kāi)拓者，對(duì)半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)及未來(lái)的微型化做出了重大貢獻(xiàn)。主要科技成就為：領(lǐng)導(dǎo)研究出BSIM，從實(shí)際MOSFET晶體管的復(fù)雜物理推演出數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型于1997年被國(guó)際上38家大公司參與的晶體管模型理事會(huì)選為設(shè)計(jì)芯片的第一個(gè)

10、且唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)明了在國(guó)際上極受注目的FinFET等多種新結(jié)構(gòu)器件；對(duì)微電子器件可靠性物理研究貢獻(xiàn)突出：首先提出熱電子失效的物理機(jī)制，開(kāi)發(fā)出用碰撞電離電流快速預(yù)測(cè)器件壽命的方法，并且提出薄氧化層失效的物理機(jī)制和用高電壓快速預(yù)測(cè)薄氧化層壽命的方法。首創(chuàng)了在器件可靠性物理的基礎(chǔ)上的IC可靠性的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工具。作為頂級(jí)半導(dǎo)體專家，胡正明教授貢獻(xiàn)卓著，他是IEEE Fellow、美國(guó)工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士。在臺(tái)積電擔(dān)任CTO時(shí)獲得“臺(tái)灣第一CTO”的雅號(hào)。2010年后，持續(xù)數(shù)十年的Bulk CMOS工藝技術(shù)在20nm走到盡頭，胡教授在20年前開(kāi)始探索并發(fā)明的FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體

11、管）和FD-SOI工藝，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)僅有的兩個(gè)重要選擇。因?yàn)樗膬蓚€(gè)重要發(fā)明，摩爾定律在今天得以再續(xù)傳奇。181.2 微電子工業(yè)發(fā)展史191.2 微電子工業(yè)發(fā)展史201.2 微電子工業(yè)發(fā)展史1970 1980 1990 2000 2010100100010000100000Volume(cm3)集成電路上的元件數(shù)每18個(gè)月翻一番，或者說(shuō)每3年翻兩番211.2 微電子工業(yè)發(fā)展史微電子工業(yè)發(fā)展歷程晶體管誕生，固體電子技術(shù)時(shí)代到來(lái)以電子管為核心的第一代電子產(chǎn)品1929年，工程師丁利連費(fèi)爾德已經(jīng)取得晶體管專利，但由于技術(shù)水平無(wú)法制造出來(lái)。1947年，美國(guó)3位科學(xué)家威廉肖克利、約翰巴頓和沃特布拉頓成功

12、在貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管，改變?nèi)祟悮v史。但該晶體管噪聲較大，放大倍數(shù)有限。1950年，威廉肖克利開(kāi)發(fā)出雙極性接面晶體管，用硅代替鍺，即現(xiàn)在俗稱的晶體管。1954年，結(jié)型硅晶體管誕生1955年，高純硅工業(yè)提煉技術(shù)成熟。硅晶片生產(chǎn)的晶體管收音機(jī)問(wèn)世。晶體管的發(fā)明具有革命的意義，代表著固體電子技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，進(jìn)而推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益！二、微電子工業(yè)發(fā)展微電子工業(yè)發(fā)展歷程晶體管誕生，固體電子技術(shù)時(shí)代到來(lái)以電子管為核心的第一代電子產(chǎn)品第一代集成電路1952年，英國(guó)科學(xué)家達(dá)默提出初期集成電路構(gòu)想1958年，基爾比研制出世界上第一塊鍺集成電路，實(shí)現(xiàn)構(gòu)想。19

13、59年，羅伯特諾伊斯研究出二氧化硅擴(kuò)散技術(shù)和PN結(jié)的隔離技術(shù)，為半導(dǎo)體集成電路奠定基礎(chǔ)。1960年，出現(xiàn)小規(guī)模集成電路。1962年，美國(guó)RCA公司研制除MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。與雙極集成工藝并行發(fā)展。1964年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登摩爾提出“摩爾定律”。1966年，美國(guó)無(wú)線電公司研制除CMOS集成電路，研制出第一塊門陣列，成為中規(guī)模集成電路，具有里程碑意義。集成電路從小規(guī)模迅速發(fā)展到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。231.2 微電子工業(yè)發(fā)展史晶體管(1948)中/小規(guī)模集成電路(1960年代)大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路(1970年代)電子管

14、(1904)241.3 半導(dǎo)體材料與器件25導(dǎo)體（金屬）半導(dǎo)體絕緣體銅鐵硅鍺大理石玻璃橡膠電阻率1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體材料261.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體材料單元素半導(dǎo)體：Si、Ge等外殼電子數(shù)為4的C族元素化合物半導(dǎo)體：SiC、GaAs、GaP、InAs、ZnSe、 ZnO、NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等純凈半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)增加雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受光輻照和高能電子等的影響271.3 半導(dǎo)體材料與器件-本征半導(dǎo)體材料 本征半導(dǎo)體：完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體Si+4+4+4+4共價(jià)鍵共用電子對(duì)形

15、成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。281.3 半導(dǎo)體材料與器件-本征半導(dǎo)體材料在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。本征激發(fā)：在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。+4+4+4+4自由電子束縛電子空 穴291.3 半導(dǎo)

16、體材料與器件-本征本征半導(dǎo)體+4+4+4+4兩種載流子電子(自由電子)空穴(帶正電)兩種載流子的運(yùn)動(dòng)自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力取決于載流子濃度。本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。載流子的濃度隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。301.3 半導(dǎo)體材料與器件-雜質(zhì)半導(dǎo)體材料雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜

17、半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。N 型半導(dǎo)體自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為電子半導(dǎo)體。在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體(Negative)P 型半導(dǎo)體空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為空穴半導(dǎo)體。在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體（Positive）。311.3 半導(dǎo)體材料與器件-N型半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電

18、子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。N型半導(dǎo)體由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。N型半導(dǎo)體自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度。電子稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。載流子數(shù) 自由電子數(shù)321.3 半導(dǎo)體材料與器件-P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴硼原子在硅或鍺晶體中摻入少量三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電離子。由于硼原子接受電

19、子，所以稱為受主原子。P型半導(dǎo)體由受主原子提供的空穴，濃度與受主原子相同。P型半導(dǎo)體空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度?？昭ǚQ為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，自由電子稱為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。載流子數(shù) 空穴數(shù)331.3 半導(dǎo)體材料與器件-雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。N 型半導(dǎo)體 P 型半導(dǎo)體341.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄

20、層，稱為 PN 結(jié)（PN Junction）。 PNPN結(jié)351.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié) PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層空間電荷區(qū)PN電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū) PN 結(jié)，耗盡層。PN361.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)Uho空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho 電位壁壘； 內(nèi)電場(chǎng)；內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層。內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng)漂移。少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反 阻擋層371.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散

21、電流與漂移電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。PN381.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)PN結(jié) 外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)又稱正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向耗盡層VRIPN空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。391.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)耗盡層PN 結(jié)加反相電壓時(shí)截止 PN外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向VRIS反向電流又稱反向飽和電流，對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高， IS 將急劇增大。401.3 半導(dǎo)體材料與器件-PN結(jié)當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng) PN

22、結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性開(kāi)啟電壓：0.5V導(dǎo)通電壓：0.7411.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體二極管在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型。點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型N型鍺PN 結(jié) 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負(fù)極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。421.

23、3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體二極管電 至光 轉(zhuǎn)換電發(fā)光原理：正負(fù)電在半導(dǎo)體P-N節(jié)處相遇，產(chǎn)生光子而發(fā)光光 至電 轉(zhuǎn)換LED照明光伏太陽(yáng)能電池光發(fā)電原理：光子照射到P-N節(jié)，產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電力二極管應(yīng)用整流、檢波、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、限幅、鉗位431.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管、晶體三極管，或簡(jiǎn)稱晶體管(Transistor)，主要起到電流放大和電子開(kāi)關(guān)作用。三極管與二極管一樣，核心還是“PN”結(jié)，是兩個(gè)背對(duì)背的PN結(jié)，可以是NPN組合，也以是PNP組合，由于硅NPN型是當(dāng)下三極管的主流，主要以硅NPN型三極管為例。44NPN 型ecb符號(hào)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極 c基極

24、 b發(fā)射極 eNNP1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管45集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極 c發(fā)射極 e基極 bcbe符號(hào)NNPPNPNP 型1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管46晶體管的電流放大作用以 NPN 型三極管為例討論cNNPebbec表面看不具備放大作用三極管若實(shí)現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來(lái)保證。1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管47三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP1. 發(fā)射區(qū)高摻雜。2. 基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3

25、. 集電結(jié)面積大。1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管48becRcRbI EIB發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極電流。發(fā)射區(qū)的電子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，基區(qū)的空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)形成發(fā)射極電流 IE (基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)自由電子與空穴復(fù)合形成基極電流。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管49beceRcRb三極管的電流分配關(guān)系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC = ICn + ICBO IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEpIB=IEP+ IBNICBO

26、IE =IC+IB晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與外部電流1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管501.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管51晶體管的共射電流放大系數(shù)整理可得：ICBO 稱反向飽和電流ICEO 稱穿透電流VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共發(fā)射極接法1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管52三極管的共射特性曲線uCE = 0VuBE /V(2) 當(dāng)uCE1V時(shí)， uCB= uCE - uBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收 集電子，基區(qū)復(fù)合減少，在同樣的uBE下 IB減小，特性曲線右移。(1) 當(dāng)uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。輸入特性曲線uCE = 0VuCE

27、 1VuBE /V+-bce共射極放大電路UBBUCCuBEiCiB+-uCE1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管53輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:1.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管飽和區(qū)：iC明顯受uCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般uCE0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。放大區(qū)：iC平行于uCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)， uBE小于死區(qū)電壓，集電結(jié)反偏。iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)I

28、CEO541.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管三極管的結(jié)構(gòu)NecNPb二氧化硅發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)551.3 半導(dǎo)體材料與器件-半導(dǎo)體三極管561.4 集成電路制造流程571.4 集成電路制造流程硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。硅熔煉：通過(guò)多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的電子級(jí)硅 通過(guò)硅凈化熔煉得到大晶體硅錠。單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999%。硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓(Wafer)。晶圓拋光及氧化：晶圓經(jīng)過(guò)拋光后變得幾乎完美

29、無(wú)瑕，氧化后可得到介質(zhì)層。光刻膠(Photo Resist)：晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。581.4 集成電路制造流程光刻：光刻膠層隨后透過(guò)掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。溶解光刻膠：光刻過(guò)程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來(lái)的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。光刻膠：

30、再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠用來(lái)保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。591.4 集成電路制造流程離子注入：在真空系統(tǒng)中，用要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域硅的導(dǎo)電性。清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄

31、的銅層。拋光：將多余銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。601.4 集成電路制造流程金屬層：在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來(lái)異常平滑，但事實(shí)上可能含20多層復(fù)雜的電路。晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別，將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die)丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級(jí)別，測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別，從晶圓上切割下來(lái)的單個(gè)內(nèi)核封裝：封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱。611.4 集成電