一文讀懂半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

一文讀懂半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

目錄

1.什么是半導(dǎo)體？..................................................................................1

??什么是多晶硅和單晶硅？.........................................................................2

????多晶硅和單晶硅的區(qū)別...........................................................................3

3.1.單晶硅......................................................................................3

3.2.多晶硅......................................................................................4

3.3.區(qū)別........................................................................................4

3.3.1.外觀上面的區(qū)別.........................................................................4

3.3.2.使用上面的區(qū)別.........................................................................4

3.4.制造工藝的區(qū)別..............................................................................4

3.5,單晶與多晶的對比............................................................................4

????怎么讓一個小的單晶單獨長大呢？................................................................4

????如何改造單晶硅呢？.............................................................................6

????那么，我們常常聽的P-N結(jié)到底是何方神圣？.....................................................15

????PN結(jié)的原理...............................................................................15

????二極管的原理..............................................................................19

??????三極管的原理..............................................................................22

1?什么是半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體是這兩年國家重點發(fā)展的行業(yè)，到底什么是半導(dǎo)體？

生活中所有的物體按照導(dǎo)電性大致可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體°這個很好理解，物

體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，要么有一點點導(dǎo)電，正是這種半推半就、不清不楚的物質(zhì)給物理學家

不同的發(fā)揮空間。

太絕對的導(dǎo)電和不導(dǎo)電的物質(zhì)沒什么意思，而在不同情況下導(dǎo)電性發(fā)生變化的東西才是有意

思的。

來張圖直觀看看物體的導(dǎo)電性：

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Resistivityp（￡2-cm）

IO18IO16IO14IO12IO10108106IO4IO211O-2IO-4IO-610~8

-1I'I'I'I1I1I1I1I'I'I'I'I'-

Germanium（Ge）Silver

■Glass----------------------------e

.NickeloxideSilicon（Si）Copper

（pure）

DiamondGalliumarsenide（GaAs）Aluminum

?（pure）

Galliumphosphide（GaP）Platinum

?Sulfur-------------------------------------------------?

FusedCadmiumsulfide（CdS）Bismuth

.quar一tz---------------------------■

?I?I?I?I?I?I?I,I.I,I,I,I,

2468

10-1810-1610-1410-1210-1010-810-610-41Q-21IQIO1010

Conductivityo（S/cm）

----------------Insulator--------------------?-----------------Semiconductor------------------?-Conductor-?

按照導(dǎo)電性可分為：

絕緣體：電導(dǎo)率很低，約介于20E?18S/cm?10E-8S/cm,如熔融石英及玻璃：

導(dǎo)體：電導(dǎo)率較高，介于10E4S/cm?10E6S/cm,如鋁、銀等金屬。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。

自然界中常見的元素半導(dǎo)體有硅、錯，據(jù)說錯基半導(dǎo)體比硅基半導(dǎo)體還要更早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，

但是硅的天然優(yōu)勢就是便宜！

自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素，你說有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對

它進行提煉。

怎么提煉？一個字一一燒！

正如初中化學所學的，進行氧化還原反應(yīng)。

②SiC+SiO2fsi（固體）+Si0（氣體）+C0（氣體）

②Si（固體）+體ClSiHCM氣體）+電（氣體）

③SiHCk（氣體）+&（氣體）一Si（固體）+3HQ（氣體）

經(jīng)過三次高溫化學反應(yīng)后，我們得到了固體硅，但這時候的硅是多晶硅。

什么是多晶硅和單晶硅？

如同我們剝橘子的時候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體

方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨長大！

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Figure11.1b

PhotographcourtesyofTaisilElectronicMaterialsCorp”Taiwan

單晶硅通常指的是硅原子以一種排列形式形成的物質(zhì)。

硅是最常見應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，當熔融的單質(zhì)硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成晶

核，其晶核長成晶面取向相同的晶粒，形成單晶硅。

單晶硅作為一種比較活潑的非金屬元素晶體，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展

的前沿。單晶硅材料制造要經(jīng)過如下過程；石英砂-冶金級硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-

硅片切割。其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。

??.多晶硅和單晶硅的區(qū)別

3.1.單晶硅

單晶硅具有兩種同晶，結(jié)晶和無定形。晶體硅進一步分為單晶硅和多晶硅，兩者都具有金剛

石晶格。該晶體硬且脆，具有金屬光澤，并且是導(dǎo)電的，但導(dǎo)電性不如金屬，并且隨溫度增加，

并且具有半導(dǎo)體特性。

單晶硅是現(xiàn)代科學技術(shù)中不可或缺的基礎(chǔ)材料，如日常生活中的電子計算機和自動控制系統(tǒng)。

電視，電腦，冰箱，電話，手表和汽車都與單晶硅材料密不可分。單晶硅作為技術(shù)應(yīng)用的流行材

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料之一，已經(jīng)滲透到人們生活的每個角落。

3.2.多晶硅

多晶硅是元素硅的一種形式。當熔融的元素硅在過冷條件下固化時，硅原子以金剛石晶格形

式排列成多個晶核。如果晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，則晶粒結(jié)合并結(jié)晶成多晶硅。

多晶硅可以用作拉制單晶硅的原料，多晶硅和單晶硅之間的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)上。例

如，就機械性能，光學性能和熱性能的各向異性而言，它比單晶硅更不明顯;就電性能而言，多晶

硅晶體的導(dǎo)電性遠低于單晶硅，甚至導(dǎo)電性也很差。

3.3.區(qū)別

3.3.1.外觀上面的區(qū)別

單晶硅電池片的四個角呈現(xiàn)圓弧狀，表面沒有花紋；單晶硅深藍色，近乎黑色；而多晶硅電

池片的四個角呈現(xiàn)方角，表面有類似冰花一樣的花紋，多晶硅天藍色，顏色鮮艷。

3.3.2.使用上面的區(qū)別

對于使用者來說，單晶硅電池和多晶硅電池沒有太大的區(qū)別，它們的壽命和穩(wěn)定性都很好。

單晶硅電池平均轉(zhuǎn)換效率要比多晶硅高，但是目前價格比多晶也高。

3.4.制造工藝的區(qū)別

多晶電池比單晶電池生產(chǎn)工藝步驟少，因此多晶硅太陽能電池制造過程中消耗的能量要比單

晶硅太陽能電池略少，但是單晶電池組件發(fā)電量更高，綜合算下來能耗比差別不大。

3.5.單晶與多晶的對比

單晶光伏板應(yīng)用早于多晶光伏板，現(xiàn)狀是多晶硅在電站中的應(yīng)用遠遠高于單晶硅，單晶硅占

30%,多晶硅占70%。轉(zhuǎn)化率，單晶效率圖于多晶，大概在10%-20%左右。單晶成本稍微貴于

多晶，不同廠家成本不同，市場價格一瓦高五分至一毛錢。衰減度實測數(shù)據(jù)顯示，單晶和多晶各

有千秋，無法單從單晶、多晶角度辨別衰減快慢。相對來說產(chǎn)品質(zhì)量（密封度、有無雜志、是否

隱裂），對衰減度影響更大。性價比，目前來說多晶性價比略高于單晶，僅僅是目前而已，隨著

單晶組件成本的降低，過幾年發(fā)生逆轉(zhuǎn)也有可能。

??.怎么讓一個小的單晶單獨長大呢？

物理學家還是很聰明的，發(fā)明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名

科學家名字命名的。

行業(yè)也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!

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因為在長單晶時就是把小的晶體往上拔！拔的時候速度有點慢，來看看這個裝置:

,MCCW

Qi〉

Seal

FrontopeningArgon

door

Frontopening

chamber

Seedshaft

Seedholder

Vacuumpump

Seed

ValveOpticalsystem

ViewingportArgon

Silicacrucible

[Si]Graphitesusceptor

Graphiteheater

Thermalshield

Vacuumpump

CrucibleshaftCWAr+SiO+CO

Figure11.1a

?JohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.

圖中的這個藍色的圓棒就是單晶硅，在提拉的時候一邊旋轉(zhuǎn)一邊往上拔，提拉法長出來的晶

錠就是圓柱體了。

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Figure11.13

PhotographcourtesyofShin-EtsuChemicalCo,Ltd.

再將長好的晶錠采用機械刀片進行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。

有沒有很眼熟？

晶圓就是這樣被生產(chǎn)出來了。雖然我們得到了晶圓，此時的單晶硅電化學性能還不行，不能

直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶硅的電化學性能。

??.如何改造單晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分

別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵(covalentbonding)。

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Co-valent

ASiliconAtom,

Atomicnumber="14

Siliconatomshowina

4electronsinitsouter

valenceshell(m)

SIiconCrystalLattice

每個電子對組成一個共價鍵，這部分知識初中化學學過。

再來張圖片直觀看看：

(b)

左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況,

中間一個硅原子和四個硅兄弟共用電子。

突然有一天，有個物理學家想到一個問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉

進群會怎樣？

物理學家有一天把神兄拉進了群，于是奇跡發(fā)生了:

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(a)

碑兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅家的對象，另外一個電子單著了，這個電

子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導(dǎo)電性。

此時的碑原子多提供了一個電子給硅家，因此碑原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成n型半導(dǎo)體。

為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。

同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的碎元素進群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進

群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。

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（b）

由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來2對電子的共價鍵現(xiàn)在成了只有一

對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴（hole）。

此時的硅基半導(dǎo)體被稱為p型半導(dǎo)體，同樣P來自英文單詞PositiveC正極）的首字母，而硼原

子則被稱為受主。

正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

下圖是加入元素硅（最外層5個電子）和元素硼（最外層3個電子）后，形成的P型和N型半導(dǎo)

體。

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Co-valentCo->

AnAntimonyAtom.BondsBe

ABoronAtom

AntimonyatomshowingImpurityAtom；；BoronatomshewingImp

3electronsinitsouter

5electronsinitsouter(Donor)\/Shared(A

valenceshell(o)Electronsvalenceshell(L)

N-Type

Semiconductor

當我們有了單晶硅，并且可以想辦法將單晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作為許多器

件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。如在p-n結(jié)的制造過程中,

二氧化硅薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的硅晶片，正準備進行氧

化步驟，圖(b)只顯示被氧化晶片的上表層。

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有了P型和N型半導(dǎo)體的理論知識，還可以玩點復(fù)雜的，對二氧化硅表面進行改造，改造成

我們想要的圖形，比如畫只貓，畫朵花等…

對晶圓表面進行改造的辦法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻機？聽說這種設(shè)備很牛逼….

不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂設(shè)備(spinner),在晶片表面旋涂一層對紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠

(photoresist)o將晶片從旋涂機拿下之后在80℃^100℃之間烘烤，以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化

光刻膠，加強光刻膠與晶片的附著力。接下來使用UV光源，通過有圖案的掩模版對晶片進行曝光。

然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護的二氧化硅表面。最后，使用化學溶

劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠?？纯词疽鈭D：

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(c)

hv

(d)

文字說的有點復(fù)雜，直觀理解有點像刻印章，先在石頭上用顏料涂個模型，然后按照模型的

尺寸進行雕刻，基本是這個道理。印章有陽刻和陰刻的區(qū)別，晶圓也是這樣，根據(jù)光刻膠的選取

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不同，也能實現(xiàn)陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負膠。

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D(

光刻后的硅表面暴露于外界中，此時物理學家在這個硅表面通過不同方法加入其它元素，稱

為離子注入。

因為注入B或者As離子以后，這些離子加入到硅家以后改變了硅家的傳統(tǒng)，硅的電化學性能

發(fā)生了改變，此時的半導(dǎo)體叫做非本征(extrinsic)半導(dǎo)體。而由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸形成

的結(jié)稱為p-n結(jié)！我們在摻雜完成以后，需要想辦法將這個半導(dǎo)體的性能引出，于是將這個半導(dǎo)

體表面金屬化，歐姆接觸(ohmiccontact)和連線(interconnect)在接著的金屬化步驟完成，金屬薄

膜可以用PVD或CVD來形成。隨著金屬化的完成，p-n結(jié)就可以工作了！

??.那么，我們常常聽的P-N結(jié)到底是何方神圣？

??.1.PN結(jié)的原理

下面左圖是一個P型半導(dǎo)體和一個N型半導(dǎo)體，它們獨立存在時對外不顯電性。

O^-?

廠二

將它倆拼接在一起，你看看我，我看看你，P家的空穴想去N家串串門，N家的電子也想去P

家看看。

它們分別往對方的陣地走，走著走著它們猛然發(fā)現(xiàn)，電子可以掉進空穴里，空穴可以完全接

納電子，在它們碰到的地方既沒有了空穴，也沒有了電子(因為復(fù)合了)，這個區(qū)域稱為耗盡區(qū)。

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既然中間有了耗盡區(qū)，電子也跑不動了，空穴也跑不動了。

我們給這些電子加把力，把它往前推一下會怎么樣呢？

怎么推？那就給這個P-N結(jié)外加一個電場，有電場就有了電子的流動。

當人們把P型半導(dǎo)體接入正極，N型半導(dǎo)體接入負極時，如下圖這樣:

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外加電壓使P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏;

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

有人又提出想法，如果把正負極反過來接在PN結(jié)上會怎樣?

將外加電壓使P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏;

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P接負.N接正

變寬

U?G@!?

；Q|30：@；

N

P.：GP@十L

!?G?!@!

^-----內(nèi)電場

1i?o?----外電場

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。

通過對P-N結(jié)施加不同方向的電壓，得到：

(1)PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流，PN結(jié)導(dǎo)通。

(2)PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

因此，PN結(jié)的電流電壓曲線就像下面這樣:

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I(mA)

Figure3.1

OJohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.

??.2.二極管的原理

在科學家發(fā)明了PN結(jié)，并找到PN結(jié)的特性以后，就要開始進入實用化階段了。

在PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。

二極管的構(gòu)造如下圖：

(a)點接觸型(b)面接