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半导体基础知识与晶体管工艺原理

目录

第一章半导体的基础知识

1-1半导体的一些基本概念

1-1-1什么是半导体？

……………………………………………………4

1-1-2半导体的基本特性………………………………………………..4

1-1-3半导体的分类……………………………………………………...4

1-1-4N型半导体和P型半导体……………………………………….5

1-1-5半导体的导电机构……………………………………………….6

1-2P-N结………………………………………………………………………9

1-2-1P-N结的构成…………………………………………………….9

1-2-2P-N结内的载流子运动和平衡…………………………………10

1-2-3P-N结的基本特性………………………………………………10

1-3二极管………………………………………………………...……………12

1-3-1二极管的基本构成………………………………………………..12

1-3-2二极管的特性曲线（伏安特性）………………...…………….12

1-3-3二极管的分类……………………………………………………13

1-4晶体管（仅讲双极型）……………………………………………………13

1-4-1晶体管的构成…………………………………………………….13

1-4-2晶体管的放大原理……………………………………………….15

1-4-3晶体管的特性曲线……………………………………………….18

1-4-4晶体管的分类…………………………………………………….21

1-4-5晶体管的主要电参数…………………………………………….21

第二章晶体管制造工艺与原理

2-1典型产品工艺流程……………………..…...………………………………24

2-1-1晶体管的基本工艺流程…………………………………………..24

2-1-2典型产品的工艺流程…………………………………...…………24

2-2晶体管制造主要工艺的作用与原理……………...………………………..25

2-2-1氧化工艺…………………………………………………………..25

2-2-2扩散工艺…………………………………………………………..26

2-2-3离子注入工艺……………………………………………………..30

2-2-4光刻工艺…………………………………………………………..31

2-2-5蒸发（真空镀膜）工艺…………………………………………..32

2-2-6CVD工艺…………………………………………………………..33

2-2-7台面工艺…………………………………………………………..34

2-2-8三扩、磨抛工艺…………………………………………………..35

2-2-9清洗工艺…………………………………………………………..36

2-2-10中测、划片工艺…………………………………………………36

2-3常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响……………………………….37

2-3-1工艺质量问题分类…………………………………………………37

2-3-2常见的工艺质量问题举例…………………………………………37

2-4工艺纪律和工艺卫生的重要性……………………………………………….41

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

1-1半导体的一些基本概念

1-1-1什么是半导体？

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ρ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Ω-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

（Ω-cm）

≤10-4

10-3~108

≥109

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——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——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——元素半导体和化合物半导体

2按是否含有杂质——本征半导体和杂质半导体

3按导电类型——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”——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、镓；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≠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——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——产生电子、空穴对——本征载流子浓度（ni）

1）半导体材料硅的晶格结构——“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）——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——产生电子或空穴——电子浓度n和空穴浓度p

1）施主杂质电离——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——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——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μn.μp。

3载流子的复合和寿命

1）载流子的复合——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——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τ表示。

（τ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——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——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—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——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，则击穿电压就越高；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——雪崩倍增。

反向电压很大时——势垒区电场很强——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——利用P-N结的击穿特性。

3变容二极管——利用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——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、蒸发等工艺制作芯片。

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）

图11aNPN型图11bPNP型

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

2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），一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——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——空穴漂移运动进入基区（ICBO）。

这样，形成了：

IE=Ine+Ipe

IB=Ipe+Ir-ICBOIE=IB+IC

IC=Inc+ICBO=（Ine–Ir）+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：

●IC＜IE，但非常接近于IE

●IB《IC

●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△IC。

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=IC/IB,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。

α=IC/IE＜1，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β=△IC/△IB

直流放大系数hFE=IC/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——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Ipe）——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IB=0时，IC≠0（=ICEO）

2）当IB=IB1时，IC=βIB1+ICEO

3）对于某一IB=IBi，当VCE=0时，IC=0。

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。

1输出特性曲线的三个工作区（见图17）

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）2）小电流特性压缩（图18b）

3）饱和压降大（图18c）4）特性曲线倾斜（图18d）

5）两段饱和特性（图18e）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——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β的大小，

而且有关系式：

BVCEO=BVCBO/（1+β）1/n

●反向电流——ICBO、ICEO、IEBO（单位：

μA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μA数量级）。

3）ICEO的大小与ICBO和β有关——ICEO=（1+β）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——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=IC/IB。

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：

V）

1）测试方法——在规定的IC和IB条件下，测出VCES、VBES。

2）VCES、VBES的大小决定于——

★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——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——

★基区宽度Wb的大小（Wb小——fT高）

★发射结面积AE的大小（AE小——fT高）

★基区杂质浓度Nbs的高低（Nbs低——R□大——fT高）

●输出电容——Cob（单位：

pF）

1）测试方法——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——

★测试电压VCB的高低（VCB高——Cob小）

★集电结面积AC的大小（AC小——Cob小）

★材料电阻率ρc的高低（ρc高——Cob小）

●开关时间——td、tr、ts、tf（单位：

μS）

延迟时间——td，上升时间——tr，储存时间——ts，

下降时间——tf（其中，ts和tf是两个主要的时间参数）

1）t