半导体基础知识与晶体管工艺原理.doc
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1、http:/ 半导体基础知识与晶体管工艺原理 (生产线基础培训教程) 半导体技术 编著20028 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?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9 1-2-1 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).121-3-3 二极管的分类13 1-4 晶体管(仅
2、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.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.24 2-2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.26 2-2-3 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工艺.332-2-7 台面工艺.342-2-8 三扩、磨抛工艺.352
3、-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.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来表示。电阻率是指长1cm,截面积为1平
4、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)10-410-31081091-1-2 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
5、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1-1-4 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
6、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”(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
7、,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
8、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
9、”),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
10、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
11、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2 载流子的运动扩散和漂移
12、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。当有外界作用(如,电场、光照)
13、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-
14、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
15、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
16、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,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
17、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
18、 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10a NPN结构 图10b PNP结构 2实际的制作方法1)用氧化、光
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