半導體材料的基本特性

關于半導體材料的基本特性原子結構由三種不同的粒子構成：中性中子和帶正電的質子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉的帶負電核的電子，質子數(shù)與電子數(shù)相等呈現(xiàn)中性。第2頁,共34頁，2024年2月25日，星期天

電子能級原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學和物理性質具有顯著的影響，只有一個價電子的原子很容易失去這個電子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。第3頁,共34頁，2024年2月25日，星期天共價鍵

不同元素的原子共有價電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。第4頁,共34頁，2024年2月25日，星期天離子鍵

當價電子層電子從一種原子轉移到另一種原子上時，就會形成離子鍵，不穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。第5頁,共34頁，2024年2月25日，星期天半導體分類本征半導體：幾乎不含任何雜質的半導體。自由電子當導體處于熱力學溫度0

K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。空穴自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

第6頁,共34頁，2024年2月25日，星期天概念：摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。N型半導體：在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，氮

自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成）空穴——少數(shù)載流子雜質半導體

第7頁,共34頁，2024年2月25日，星期天P型半導體在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。

自由電子—少數(shù)載流子空穴——多數(shù)載流子（由兩部分組成）第8頁,共34頁，2024年2月25日，星期天能帶結構電子的共有化運動——滿足能量最低原理——泡利不相容原理第9頁,共34頁，2024年2月25日，星期天能帶結構的形成兩個原子靠近時，電子波函數(shù)將重疊。這時泡利不相容原理不允許一個量子態(tài)上有兩個電子存在，于是一個能級將分裂為2個能級，N個原子靠近時，一個能級將分裂為N個相距很近的能級，形成能帶第10頁,共34頁，2024年2月25日，星期天價帶：被價電子填充的能帶導帶：被自由電子填充的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差第11頁,共34頁，2024年2月25日，星期天能帶的特點：能帶的寬窄由晶體的性質決定,與所含的原子數(shù)無關。能量較高的能帶比較寬，能量低的較窄。每個能帶中的能級數(shù)目與晶體中的原子數(shù)有關。能帶中能量不連續(xù)第12頁,共34頁，2024年2月25日，星期天常見半導體——硅

硅是一種元素半導體，4個價電子，正好位于優(yōu)質導體和絕緣體之間。選擇硅的主要理由：硅的豐富度更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限更高的工作溫度范圍氧化硅的自然形成第13頁,共34頁，2024年2月25日，星期天半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎是在20世紀上半業(yè)開發(fā)的技術上培育出來的，關鍵技術是在工業(yè)和學術網(wǎng)中獲取的。

半導體產(chǎn)業(yè)第14頁,共34頁，2024年2月25日，星期天半導體發(fā)展趨勢半導體發(fā)展趨勢——微電子時代電子時代是由電子真空階段延續(xù)到固體電子階段的。當分立器件逐步過渡到集成電路階段時，出現(xiàn)了諸如半導體器件集成化、電子系統(tǒng)集成化、電子系統(tǒng)微型化，也就出現(xiàn)了微電子時代第15頁,共34頁，2024年2月25日，星期天電子技術的發(fā)展電子技術的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。電子器件的發(fā)展歷經(jīng)4個階段：★電子管1906年，誕生第一只電子管★晶體管1947年，出現(xiàn)了半導體三極晶體管★集成電路1960年12月，成功制造世界上第一塊硅集成電路★超大規(guī)模集成電路1966年，美國貝爾實驗室利用硅片外延技術，制造了第一塊大規(guī)模集成電路第16頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路的發(fā)展摩爾定律：1964年，戈登.摩爾，半導體產(chǎn)業(yè)先驅者和英特爾公司的創(chuàng)始人，預言在一塊芯片上的晶體管數(shù)大約每隔一年翻一番。第17頁,共34頁，2024年2月25日，星期天半導體工業(yè)為什么有如此的發(fā)展速度

第一：集成電路業(yè)屬于非資源耗盡型的環(huán)保類產(chǎn)業(yè)，原始材料是地殼中的二氧化硅。第二：集成電路的設計與制造技術中高新技術含量和技術賦加值極高，產(chǎn)出效益好。第三：集成電路的設計與制造業(yè)是充滿技術驅動的效益驅動的高活性產(chǎn)業(yè)第18頁,共34頁，2024年2月25日，星期天半導體的趨勢

★提高芯片性能

★提高芯片的可靠性

★降低芯片的成本第19頁,共34頁，2024年2月25日，星期天提高芯片的性能關鍵尺寸芯片上的最小物理尺寸芯片上器件尺寸的相應縮小是按比例進行的，僅減小一個尺寸是不可接受的。第20頁,共34頁，2024年2月25日，星期天

每塊芯片上的元件數(shù)減小一塊芯片的關鍵尺寸使得可以在硅片上制造更多的元件，由于芯片數(shù)增加性能也得到提高。摩爾定律第21頁,共34頁，2024年2月25日，星期天

功耗真空管耗費很大功率，而半導體器件確實耗用很小的功率，隨著器件的微型化，功耗相應減小，盡管晶體管數(shù)以驚人的速度增長，但是功耗卻在不斷的下降。第22頁,共34頁，2024年2月25日，星期天

芯片可靠性

芯片可靠性致力于趨于芯片壽命的功能的能力，通過嚴格的諸如無顆粒空氣凈化間的使用以及控制化學試劑的純度來控制玷污第23頁,共34頁，2024年2月25日，星期天降低芯片價格

由于特征尺寸的減小使得硅片上集成的晶體管增多降低了成本。半導體產(chǎn)品市場大幅度增長引入了制造的規(guī)模經(jīng)濟第24頁,共34頁，2024年2月25日，星期天微電子技術發(fā)展展望縱觀20世紀中硅基微電子技術的發(fā)展歷程，未來微電子技術將主要表現(xiàn)為：1、器件的特征尺寸繼續(xù)縮小2、系統(tǒng)集成芯片將是將來一段時間內發(fā)展的重點3、微電子與其它學科的結合將誕生新的技術交叉點和產(chǎn)業(yè)增長點。第25頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路集成電路的概念將若干個二極管、晶體管、電阻和電容等元件按照特定的電路連接方式，焊接到一快半導體單晶片或陶瓷機片上，使之成為一個整體以完成某一特定功能的電路組件。第26頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路優(yōu)點★提高工作速度★內部連線短，縮短延遲時間，尺寸小，連線分布電容和PN結電容減小?！锝档凸摹锍叽缧。B線短，電阻小★降低電子整機成本？★減少印制電路和插接件★體積小，質量輕★可靠性高★縮短電子產(chǎn)品生產(chǎn)周期

第27頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路的分類

按器件結構類型和工藝分★雙極型集成電路，有源器件是雙極型晶體管，載流子是電子和空穴。一般用于模擬集成電路和中、小規(guī)模集成電路。優(yōu)點：工作速度高、驅動能力強★MOS（metal-oxide-semiconductor）管集成電路,有源器件為MOS晶體管。載流子是電子或者空穴，又稱為單極型晶體管。優(yōu)點：輸入阻抗高、抗干擾能力強、功耗低、集成度高、制作工藝簡單?！镫p極型-MOS集成電路，兩者的混合電路同時具有兩者的優(yōu)點。第28頁,共34頁，2024年2月25日，星期天按電路功能分★數(shù)字集成電路，傳遞和處理數(shù)字信號。應用范圍：計算機、通信處理機★模擬集成電路，傳遞和處理模擬信號。應用范圍：信號傳感器、A/D、D/A等★數(shù)?；旌想娐肺⒉呻娐?，所傳遞和處理的信號頻率大于300MHz。應用范圍：混頻器，振蕩器等第29頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路對半導體材料的基本的要求

★襯底必須是純凈的★單晶硅片★晶體的基本形態(tài)單晶多晶非晶★綜合指標要求導電類型N型或P型

第30頁,共34頁，2024年2月25日，星期天集成電路的制造步驟★硅片制造★硅片制備★硅片測試/揀選★裝配與封裝★終測第31頁,共34頁，2024年2月25日，星期天★硅片制備在這一階段，將硅從沙中提煉并純化，經(jīng)過特殊工藝生產(chǎn)適當直徑的硅錠，然后將硅錠切割。第32頁,共34頁，2024年2月25日，星期天★硅片制造自硅片開始的微芯片