半导体基础知识与晶体管工艺原理精Word格式.docx

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2-4-1半导体生产对空气洁净度的要求41

2-4-2工艺卫生的内涵..42

2-4-3工艺卫生好坏对半导体生产的影响..42

2-4-4工艺纪律的内涵..43

2-4-5工艺纪律的重要性..43

第一章半导体基础知识

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫做半导体。

物质的导电能力一般用电阻率p来表示。

电阻率是指长1cm，截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位是欧姆•厘米（符号是Q-cm）。

电阻率越小，说明物质的导电性能越好；

反之，电阻率越大，说明物质的

导电性能越差。

物质种类

导体

半导体

绝缘体

电阻率

（Q-cm）

<

10-4

10-3~108

9

>

10

1-1-2半导体的基本特性

1热敏特性——随着温度的升高，半导体的电阻率减小，导电能力明显的增强。

2光敏特性一一受到光线照射后，半导体的电阻率减小，导电能力大大增强。

3杂质导电特性一一在纯净的半导体中，加入微量的某些其它元素（通常，称之为“掺杂”），可以使它的导电能力成百万倍的提高。

这是半导体的一个最突出的也是最重要的特性。

人们正是利用半导体的这些特性，制成了二极管、晶体管、热敏器件、光敏器件等。

也正是由于半导体的这种特性，在制造半导体器件的过程中，对工作环境的要求特别严格，以防有害杂质进入半导体而破坏器件的参数。

必须指出，以上特性只有纯净的半导体才具备。

所谓纯净的半导体是指纯

度在9个“9”以上，即99.9999999%以上。

1-1-3半导体的分类

1按化学成分一一元素半导体和化合物半导体

2按是否含有杂质一一本征半导体和杂质半导体

3按导电类型一一N型半导体和P型半导体

4按原子排列的情况单晶和多晶

1-1-4N型半导体和P型半导体

1“载流子”一一半导体中的导电粒子（运载电流的粒子）：

电子和空穴。

2“杂质”的概念三、五族元素杂质（元素周期表中，三族：

硼、铝、傢；

五族：

磷、砷、锑）受主杂质和施主杂质。

3施主杂质和受主杂质

有一类杂质（比如五族元素磷），它在掺入半导体中后，会产生许多带负电的电子，这种杂质叫“施主杂质”。

（施放电子）

又有一类杂质（比如三族元素硼），它在掺入半导体中后，会产生许多带正电的空穴，这种杂质叫“受主杂质”。

（接受电子）

4N型半导体和P型半导体

掺有施主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由施主杂质产生的导电电子，我们称这种半导体为“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）。

掺有受主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由受主杂质产生的导电空穴，我们称这种半导体为“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。

5多子与少子

1）在本征半导体中，载流子靠本征激发产生，而且电子数=空穴数=本征载流子浓度。

即，no=po=ni

2）在杂质半导体中，载流子主要靠杂质电离而产生，此时，杂质电离产生的载流子浓度远大于本征激发产生的载流子浓度。

因此，在杂质半导体中，电子

数工空穴数。

其中，

在N型半导体中：

电子是多子，空穴是少子。

而在P型半导体中：

空穴是多子，电子是少子。

3）N型半导体和P型半导体的示意图（图1）

因为在P型半导体中的绝大多数载流子是空穴，电子数很少,因此在画P型半导体的示意图时，只画出带正电荷的空穴；

反之,在N型半导体的示意图中，只画出带负电荷的电子。

图1N型半导体和P型半导体

1-1-5半导体的导电机构一一载流子的产生、运动和复合

——回答半导体是怎么导电的？

1“载流子”是怎么产生的？

A本征激发一一产生电子、空穴对一一本征载流子浓度（ni）

1）半导体材料硅的晶格结构一一“共价键”结构

因为，从原子结构理论知道，每个硅原子的最外层有4个价

电子和4个空位，因此，在构成硅晶体时，每个原子周围都有4个最靠近的原子做它的邻居，每个原子拿出一个价电子和它的一个邻居共用。

同样，每个邻居也拿出一个价电子和它共用。

这一对共用的价电子使两个硅原子之间产生了一种束缚力，就叫做“共

价键”。

这样，每个原子就要和周围4个原子构成4个“共价键”。

为了简化起见，我们把本来是立体的“共价键”结构画成平面示意图。

（图2）

图2硅“共价键”晶格结构平面示意图

2）在价电子获得一定的能量（硅Eg=1.1ev）时，就能冲破束缚（称为“激发”），成为导电的自由电子（带负电）。

与此同时，在“共价键”中留下一个空位，我们叫它“空穴”（带正电，也能导电）。

这种同时产生的电子和空穴，称为“电子、空穴对”。

我们称这种引起的价电子激发——产生导电的电子、空穴对的过程，为“本征

激发”。

3）本征激发产生的载流子浓度，称为本征载流子浓度（ni）。

在常温下，ni是个较小的常数；

随着温度的升高，ni就很快增大。

（它以指数形式上升）一一这就是为什么本征半导体，在常温下导电能力很弱，但随着温度升高，导电能力又明显增强的原因。

4）“共价键”结构中产生本征激发的示意图（图3）图3本征激发产生电子空穴对的示意图

B杂质电离一一产生电子或空穴一一电子浓度n和空穴浓度p

1）施主杂质电离一一产生电子

在纯净的半导体硅中，掺入少量的五族元素（如磷），它以替位形式占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子多一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就有一个多余的价电子。

它不受共价键的束缚，只受磷原子核正电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此,只要很小的能量就能使它克服引力而成为导电“电子”。

而失去一个电子后的磷原子成为带正电的离子，但它处于共价键的稳定结构中，不能自由运动，因此，不是载流子。

我们称施主杂质释放导电电子的过程，为施主电离。

（请注意，这里只产生导电电子，不产生空穴）。

2）受主杂质电离一一产生空穴

在纯净的半导体硅中，掺入少量的三族元素（如硼），它以替位形式占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子少一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就要从周围硅原子的共价键中夺取一个价电子过来填充。

这样，就在被夺取了一个电子的地方就产生了一个空穴。

这个空穴不受共价键的束缚，只受硼离子负电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使它克服引力而成为能导电的“空穴”。

而硼原子由于多了一个电子而成为带负电的硼离子，但它同样也不能自由运动，因此，不是载流子。

我们称受主杂质产生空穴的过程，为受主电离。

（请注意，这里只产生空穴，不产生电子）。

3）示意图（图4）

图4aN型半导体中的施主杂质电离图4bP型半导体中的受主杂质

电离

2载流子的运动一一扩散和漂移

1）扩散运动

当一块半导体内的载流子浓度存在差异时，就会出现载流子从浓度高向浓度低的方向运动，这种运动就叫载流子的扩散运动。

描述扩散运动的物理量是扩散系数Dn、Dp。

2）漂移运动

在电场的作用下，电子会进行逆电场方向的运动，空穴会沿着

电场的方向运动。

这种运动就叫载流子的漂移运动。

描述漂移运动的物理量是迁移率卩n.iip。

3载流子的复合和寿命

1）载流子的复合一一导电电子和空穴相遇并同时消失的过程，叫

“复合”。

2）平衡载流子和非平衡载流子半导体中的载流子总是在不断地产生和复合，

只是，在平衡时（没有外界作用时），产生与复合处于相对平衡状态，产生数等于复合数，载流子浓度保持不变。

当有外界作用（如，电场、光照）时，就会产生非平衡载流子，一般非平衡载流子的数量比平衡载流子的数量少，但是,

它们对半导体的导电能力的影响且很大。

3）非平衡少数载流子的寿命一一非平衡少数载流子从产生到复合的时间，叫“少

子寿命”，用符号T表示。

（T是个很重要的半导体材料参数，它直接影响晶体管的ts参数。

）

1-2P-N结

1-2-1P-N结的构成

1定义一一由P型半导体和N型半导体组成的一个单块半导体薄层，称为P-N结

2实际构成的方法：

在一块N型半导体中，通过采用氧化、光刻、

扩散（硼扩散）的工艺方法，使其中一部分区域转变为P型半导体,这样，在P型区和N型区的交界面附近，就形成了一个P-N结。

1-2-2P-N结内的载流子运动和平衡

在P-N结的P型导电区内，空穴很多，电子很少；

而在N型导电区内，电子很多，空穴很少。

因此，由于电子和空穴浓度在这两个区域的差别，出现载流子的扩散运动一一N区的电子就会向P区扩散；

P区的空穴向N区扩散。

使N区中靠近P区一侧的簿层1内,由于缺少电子而带正电；

P区中靠近N区一侧的簿层2内，由于缺少空穴而带负电。

从而，形成了一个由N区指向P区的电场——称“自建电场”。

在这个电场的作用下，就会出现载流子的漂移运动

――把电子拉回到N区，空穴拉回到P区。

这样，在P区和N区的交界处，发生着扩散和漂移两种相反方向的运动，最后，达成动态平衡。

（图5）

图5P-N结内的载流子运动和平衡

1-2-3P-N结的基本特性

1P-N结的单向导电性（整流特性，伏一安特性）：

在正向偏置下（P区接正极，N区接负极），此时，外加电场与自建电场的方向相反，因此，当外加电场大于自建电场以后，P-N结内的载流子产生定向而连续的流动（N区的电子流向P区，P区的空穴流向

N区），形成电流。

而且，这种电流随着外加电压的增加很快增大，形成很大的正向电流。

——这就叫P-N结的正向特性。

在反向偏置下（P区接负极，N区接正极），外加电场与自建电场的方向一致，势垒区加宽、加高。

此时，P-N结内的多数载流子的运动受阻，只有P区的电子（少子）在电场的作用下被拉向N区，N区的空穴被拉向P区，形成一个很小的反向电流。

这就叫P-N结的反向特性。

我们把这种正向电阻很小、电流很大，而反向电阻很大、电流很小的特性，称为P-N结的单向导电性。

示意图见图6。

图6aP-N结正向特性图6bP-N结反向特性

2P-N结的电容特性

P-N结在正向偏置时，势垒区变窄；

在反向偏置时，势垒区变宽，这个过程

相当于一个平板电容器的充放电过程，因此，P-N结也具有电容特性。

而且，

这个电容数值的大小，是随着偏置电压大小变化而变化。

变容二极管就是根据这个原理制成的。

3P-N结的击穿特性

1）击穿现象：

当P-N结上的反向偏压加大到一定数值时，就会出现反向

电流急剧增大的现象，这就是P-N结的击穿特性。

称，出现反

向电流急剧增大时所加的反向电压一一为，反向击穿电压。

而

且，击穿电压的大小决定于P-N结中杂质浓度较低一方的电阻率。

电阻率越高，贝U击穿电压就越高；

反之，电阻率越低，则击穿电压就越小。

2）产生P-N结击穿的机理一一雪崩倍增。

反向电压很大时一一势垒区电场很强一一从P区流向N区的电子和势垒区原有的本征激发的电子，在强电场下高速运动（具有高能量）与硅原子碰撞撞出电子和空穴这种碰撞不断延续倍增象雪崩一样，产生大量

的电子和空穴并在强电场下定向流动形成很大的电流。

3）P-N结反向击穿特性的图示：

（图7）

图7P-N结的反向击穿特性

1-3二极管

1-3-1二极管的基本构成

1由一个P-N结——电极引出（引线孔，正面、背面金属化）后道组装——构成一个二极管。

2二极管的电学符号：

图8二极管的电学符号

1-3-2二极管的特性曲线（伏安特性）

实际上就是P-N结的正向、反向和击穿特性的总合。

（图9）

图9二极管的特性曲线

1-3-3二极管的分类

1整流二极管

—利用

P-N结的单向导电性。

2稳压二极管一

P-N结的击穿特性。

3变容二极管一

P-N结的电容特性。

4开关二极管

5微波二极管

1-4晶体管（仅讲双极型）

1-4-1晶体管的构成

1晶体管的基本构成

1）结构框架一一由两个P-N结，三个导电区（发射区、基区、

集电区），三个电极（发射极、基极、集电极）构成

2）两种结构类型——NPN和PNP

3）两种结构的示意图（图10）

图10aNPN结构图10bPNP结构

2实际的制作方法

1）用氧化、光刻、硼扩散、磷扩散、CVD、蒸发等工艺制作心片。

2）采用装片、烧结、键合、包封等工艺把芯片组装成管子。

3晶体管的电学符号（图11）

4晶体管的纵向剖面结构（图12）

图12aNPN纵向结构图12bPNP纵向结构

1-4-2晶体管的放大原理

1晶体管的三种基本应用电路

1）共基极电路（图13a）2）共发射极电路（图13b）

3）共集电极电路（图13c）

图13a共基极电路

图13b共发射极电路

图13C共集电极电路

晶体管正常工作的必要条件

•发射结正向偏置（输入阻抗Ri小、有注入），

集电结反向偏置（输出阻抗Ro大、能收集电子）。

•基区宽度很小。

•发射区浓度比基区浓度高得多。

3晶体管内部载流子的输运过程

以NPN晶体管，共发射极电路工作为例，加以说明。

（见图14）

•发射区：

在正向偏压下，大量的电子向基区注入（Ine）――进入基区后，小部分与基区空穴复合（Ir）――大部分扩散运动到达集电结，在反向电压的吸引下，被收集到集电区（Inc）。

•基区：

在正向偏压下，一部分空穴向发射区注入（Ipe）,—部分空穴与注入基区的电子复合（Ir），另外，有少量的少数载流子一一电子在反向偏压作用下漂移运动进入集电区

（-ICBO）。

•集电区：

在反向偏压作用下，把到达集电结的电子收集到集电区（Inc）;

同时，有少量的少数载流子一一空穴漂移运动进入基区（ICBO）。

这样，形成了：

Ie=Ine+Ipe

Ib=Ipe+Ir-Icbo（Ie=Ib+Ic

/Ic=Inc+Icbo=（IneTr）+Icbo」

请注意：

1）由于晶体管的发射区浓度比基区浓度高得多，因此，Ine》

Ipe。

2）由于晶体管的基区宽度很小，远小于电子的扩散长度，因此，复合电流很小，

Ir《Inc。

3）晶体管集电极的反向漏电流Icbo是很小的

4）综合以上三点，就可以得到：

•levIe,但非常接近于Ie

•Ib《le

•当输入回路产生较小的电流变化△Ib时，就会引起输出回路较大的电流变化

△le。

图14晶体管内部载流子的输运过程

4晶体管的放大作用

1）共发射极电路——有电流放大、电压放大和功率放大作用。

hFE=lc/lB,Gv=RL/Ri,Gp=RL/Ri（三个均为远大于1的数）。

2）共基极电路——有电压放大和功率放大作用，没有电流放大作用

a=lc/IeV1,但仍有Gv=RL/Ri,Gp=RL/Ri。

3）NPN晶体管共发射极电路放大原理图（图15）

图15NPN晶体管共发射极电路放大原理图

4）共发射极电流放大系数

交流放大系数B=△lc/△Ib

直流放大系数hFE=lc/Ib

5）如何提高晶体管的电流放大系数

要提高电流放大系数，必须：

•提高发射效率一一即要提高注入到基区的电子电流（Ine）在总的发射极电流（Ie）中的比例（也就是要减少从基区向发射区注入的空穴电流lpe）

――必须提高发射区杂质浓度与基区杂质浓度之比。

（工艺中要调节好基

区和发射区的浓度）

•减少电子在基区的复合

-必须减小基区宽度W（控制好两个结深Xjc、Xje）。

必须提高少数载流子的寿命（材料完整性要好，工艺中要尽

量减少产生二次缺陷和金属离子沾污。

1-4-3晶体管的特性曲线

1共发射极输出特性曲线

在特性曲线中可以看出：

1）当|B=O时，IcH0（=Iceo）

2）当Ib=Ibi时，lc=BIbi+Iceo

3）对于某一IB=lBi，当VCE=0时，Ic=o。

当VCE电压

开始增加时，集电极电流急剧增大，当VCE电压增大到一定数值后，IC开始转向稳定。

这一段IC增大的快慢程度，反映了晶体管饱和压降的大小。

可划分为三个工作区：

1）放大区2）饱和区3）截止区

图17共发射极输出特性的三个工作区

3输出特性曲线的几种异常情况

1）大电流特性差（图18a）

3）饱和压降大（图18c）

5）两段饱和特性（图18e）

2）小电流特性压缩（图18b）

4）特性曲线倾斜（图18d）

6）C-E低击穿（图18f）

（图18a）

（图18b）

（图18c）

（图18d）

（图18e）（图18f）

1-4-4晶体管的分类

1按结构极性分——NPN和PNP型

2按频率分一一高频（超高频、微波）：

fT>

3MHz

低频：

fT〈3MHz

2按功率分——大功率：

Ptot>

1W

小功率：

Ptot〈1W

3按工艺分——平面、台面、台平面，等

4按功能分——放大、振荡、开关、等

1-4-5晶体管的主要电参数

1直流参数

•击穿电压BVcbo、BVceo、BVebo（单位：

V）

1）测试方法在规定的测试电流下，测出两个对应电极间的击穿电压值。

（一般在实际测试中，测不到真正的击穿点）。

2）BVebo的高低决定于——基区的杂质浓度

3）BVcbo的高低决定于——集电区的电阻率

4）BVceo的高低决定于BVcbo的高低和B的大小，

而且有关系式：

BVceo=BVcbo/（1+B）

1/n

•反向电流Icbo、Iceo、Iebo（单位：

卩A或mA）

1）测试方法在规定的测试电压下，测出两个对应电极间的反向电流值。

2）Iebo、Icbo分别是发射结和集电结的反向漏电流，在正常情况下，应该是一个很小的数值（一般在nA或卩A数量级）。

3）Iceo的大小与Icbo和B有关Iceo=（1+B）Icbo

4）实际晶体管的反向电流大小决定于晶体管芯片P-N结表面的清洁度一一因此，

在生产中必须加强清洗工艺。

•电流放大倍数——hFE

1）测试方法在规定的VCE、Ic条件下，测出Ic和Ib值，然后，计算出hFE=lc/lB。

2）hFE的大小决定于硼、磷扩散的杂质浓度之比以及基区宽度的大

小（在硼扩散条件不变的前提下，主要决定于磷扩散条件的控制和调试）。

•饱和压降VCES、

Vbes（单位：

1）

测试方法一一在规定的Ic和Ib条件下，测出Vces、

Vbeso

2）

Vces、Vbes的大小决疋于

★

放大倍数hFE的大小

材料电阻率的高低和外延层或高阻层的厚度

上下电极的欧姆接触好坏。

2交流参数

•特征频率——fT（单位：

MHz）

1）测试方法一一在规定的测试频率和电压VCE、电流IC条件下，在fT测试仪上测

出fT。

2）fT的大小决定于一一

基区宽度Wb的大小（Wb小

fT高）

发射结面积Ae的大小（Ae小一-

基区杂质浓度Nbs的高低（Nbs低-

R□大fT

高）

•输出电容一一Cob（单位：

pF）

1）测试方法一一在规定的测试频率和电压VCB条件下，在Cob仪上测出Cob。

2）Cob的大小决定于一一

测试电压VCB的高低（

VCB咼

Cob小）

集电结面积Ac的大小

（AC小一

材料电阻率pc的高低

（pc咼

—Cob小）

•

开关时间一-

td、tr、ts、tf（单位：

卩

S）

延迟时间一一td,上升时间一一tr，储存时间一一ts,

下降时间——tf（其中，ts和tf是两个主要的时间参数）

1）ts的大小主要决定于——

★测试电流（Ibi、Ib2、Ic）的大小。

★基区和集电区的少子寿命（与材料缺陷、杂质、掺金量多少有关）。

★外延层或高阻层厚度。

2）tf的大小主要决定于——

★测试电流（Ib1、Ib2、Ic）的大小。

★发射结面积和集电结面积的大小。

3极限参数

•集电极最大电流Icm（单位：

A）

1）定义一一hFE下降到最大值的1/2时的集电极电流值，为Icm

2）提高Icm的措施有一一

增加发射区周长和面积

降低材料电阻率

提高基区杂质浓度

•最高结温Tjm

1）定义一一晶体管中P-N结所能承受的最高温度，叫Tjm

2）Tjm的大小与半导体材料的性质、电阻率有关。

对硅晶体管来说，Tjm=150-200C。

集电极最大耗散功率Ptot（PCM）

1）Ptot与最高结温Tjm、热阻RT的关系式

Ptot:

=Tjm—Ta/Rt

=Tjm—Tc/Rt

2）要提高Ptot

降低Rt就要

增大芯片面积（集电结面积和周长）

减薄芯片厚度

选择合理的封装结构

改善背面金属化和烧结（粘片）工艺

第二章

晶体管制造工艺与原理

2-1典型产品工艺流程

2-1-1晶体管的基本工艺流程

一次氧化一一一次光刻一一基区扩散一一二次光刻一一发射区扩散――三次光刻（引线孔）一一蒸发一一四次光刻一一合金一一中测一一减薄一一背金一一划片一一后道组装一一成