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1、微电子行业入门通用教材半导体基础知识与晶体管工艺原理PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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？41-1-2 半导体的基本特性. .41-1-3 半导体的分类.41-1-4 N 型半导体和 P 型半导体.51-1-5 半导体的导电机构.61-2 P-N 结91-2-1 P-N 结的构成.91-2-2 P-N 结内的载流子运动和平衡101-2-3 P-N 结的基本特性101-3 二极管.121-3-1 二极管的基本构成.121-3-2 二极管的特性曲线（伏安特性）.121-3-3 二极管的分类131-

2、4 晶体管（仅讲双极型）131-4-1 晶体管的构成.131-4-2 晶体管的放大原理.151-4-3 晶体管的特性曲线.181-4-4 晶体管的分类.211-4-5 晶体管的主要电参数.212PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第二章 晶体管制造工艺与原理2-1 典型产品工艺流程.242-1-1 晶体管的基本工艺流程.242-1-2 典型产品的工艺流程.242-2 晶体管制造主要工艺的作用与原理.252-2-1 氧化工艺.252-2-2 扩散工艺.262-2-3 离子注入工艺.302-2-4 光刻工艺.312-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺.322-2-6 CVD 工

3、艺.332-2-7 台面工艺.342-2-8 三扩、磨抛工艺.352-2-9 清洗工艺.362-2-10 中测、划片工艺362-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响.372-3-1 工艺质量问题分类372-3-2 常见的工艺质量问题举例372-4 工艺纪律和工艺卫生的重要性.412-4-1 半导体生产对空气洁净度的要求412-4-2 工艺卫生的内涵.422-4-3 工艺卫生好坏对半导体生产的影响.422-4-4 工艺纪律的内涵.432-4-5 工艺纪律的重要性.433PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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

4、 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-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（-cm）10-4 10-3108 1091-1-2 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

5、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4PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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

6、排列的情况单晶和多晶1-1-4 N 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）4 N 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

7、”（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=ni2）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）5PDF 文件使用 pdfFactor

8、y Pro 试用版本创建 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。P型半导体 N型半导体图 1 N 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

9、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）6PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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“

10、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）导电电子空穴图 3 本征激发产生电子空穴对的示意图7PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 B 杂质电离产生电子或空穴电子浓度 n 和空穴浓度 p1）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（

11、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

12、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）电子空穴图 4a N 型半导体中的施主杂质电离 图 4b P 型半导体中的受主杂质电离8PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2

13、 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n. p 。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

14、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”，用符号表示。（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。）1-2 P-N 结1-2-1 P-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9PDF 文件使用 pdfFactor

15、y Pro 试用版本创建 P 型区和 N 型区的交界面附近，就形成了一个 P-N 结。1-2-2 P-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

16、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）自建电场区 区势垒区( P-N结 )图 5 P-N 结内的载流子运动和平衡1-2-3 P-N 结的基本特性1 P-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

17、（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10PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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。VRIFIRVF图 6a P-N 结正向特性 图 6b P-N 结反向特性2 P-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，

18、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。3 P-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11P

19、DF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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）BV 0IR图 7 P-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

20、）12PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 IBV0V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 PNP13PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3）两种结构的示意图（图 10） 发射结

21、 集电结发射结 集电结 发射区 基区 集电区发射区 基区 集电区（集电极） （发射极）（集电极） （基极）（基极）图 10a NPN 结构 图 10b PNP 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 11a NPN 型 图 11b PNP 型4 晶体管的纵向剖面结构（图 12）14PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 图 12a NPN 纵向结构 图 12b PNP 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

22、极电路（图 13a） 2）共发射极电路（图 13b）3）共集电极电路（图 13c）输入输出 输 入输出图 13a 共基极电路 图 13b 共发射极电路输入输出图 13C 共集电极电路15PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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

23、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 + IpeIB = Ipe + Ir -ICBO IE = IB+ ICIC = 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

24、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。16PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4）综合以上三点，就可以得到： ICIE，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17PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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

25、=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。= IC / IE1， 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）输出输 入图 15 NPN 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 = IC / IB直流放大系数 hFE = IC / IB5) 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

26、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18PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 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， IC0（= ICEO）2） 当 IB=IB1 时，IC=IB1 + ICEO3） 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