半导体基础知识和半导体器件工艺.pdf

半导体基础知识和半导体器件工艺第一章半导体基础知识通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质：(1)温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。(2)半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。(3)在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示，迁移率愈大，截流子运动速度愈快。假如把一些电洞注入到一块N型半导体中，N型就多出一部分少数载子――电洞，但由于N型半导体中有大量的电子存在，当电洞和电子碰在一起时，会发生作用，正负电中和，这种现象称为复合。单个N型半导体或P型半导体是没有什么用途的。但使一块完整的半导体的一部分是N型，另一部分为P型，并在两端加上电压，我们会发现有很奇怪的现象。如果将P型半导体接电源的正极，N型半导体接电源的负极，然后缓慢地加电压。当电压很小时，一般小于0.7V时基本没有电流流过，但大于0.7V以后，随电压的增加电流增加很快，当电压增加到一定值后电流几乎就不变化了。这样的连接方法为正向连接，所加的电压称为正向电压。将N型半导体接电源的正极，P型半导体接电源的负极，当电压逐渐增大时，电流开始会有少量的增加，但达到一定值后电流就保持不变，并且电流值很小，这个电流叫反向饱和电流、反向漏电流。当电压继续加到一定程度时，电流会迅速增加，这时的电压称为反向击穿电压。这是由于载子（电子和电洞）的扩散作用，在P型和N型半导体的交界面附近，由于电子和电洞的扩散形成了一个薄层（阻挡层），这个薄层称作PN接面。在没有外加电压时，PN接面本身建立起一个电场，电场的方向是由N区指向P区，从而阻止了电子和电洞的继续扩散。当外加正电压时，削弱了原来存在于PN接面中的电场，在外加电场的作用下，N区的电子不断地走向P区，P区的电洞不断地走向N区，使电流流通。当外加反向电压时，加强了电场阻止电子和电洞流通的作用，因此电流很难通过。这就是PN接面的单向导电性。半导体二极管是由一个PN接面组成，而三极管由两个PN接面组成：射极接面和集极接面。这两个接面把晶体管分成三个区域：发射区、基区和集电区。由于这三个区域的电类型不同，又可分为PNP晶体管和NPN晶体管。PNP晶体管和NPN晶体管虽然形式不同，但工作原理是一样的，都可