半導(dǎo)體材料的基本特性

關(guān)于半導(dǎo)體材料的基本特性第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三原子結(jié)構(gòu)由三種不同的粒子構(gòu)成：中性中子和帶正電的質(zhì)子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電核的電子，質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相等呈現(xiàn)中性。第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

電子能級原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學(xué)和物理性質(zhì)具有顯著的影響，只有一個價電子的原子很容易失去這個電子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三共價鍵

不同元素的原子共有價電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三離子鍵

當(dāng)價電子層電子從一種原子轉(zhuǎn)移到另一種原子上時，就會形成離子鍵，不穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體分類本征半導(dǎo)體：幾乎不含任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體。自由電子當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。空穴自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三概念：摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，氮

自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成）空穴——少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體

第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

自由電子—少數(shù)載流子空穴——多數(shù)載流子（由兩部分組成）第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三能帶結(jié)構(gòu)電子的共有化運動——滿足能量最低原理——泡利不相容原理第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三能帶結(jié)構(gòu)的形成兩個原子靠近時，電子波函數(shù)將重疊。這時泡利不相容原理不允許一個量子態(tài)上有兩個電子存在，于是一個能級將分裂為2個能級，N個原子靠近時，一個能級將分裂為N個相距很近的能級，形成能帶第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三價帶：被價電子填充的能帶導(dǎo)帶：被自由電子填充的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三能帶的特點：能帶的寬窄由晶體的性質(zhì)決定,與所含的原子數(shù)無關(guān)。能量較高的能帶比較寬，能量低的較窄。每個能帶中的能級數(shù)目與晶體中的原子數(shù)有關(guān)。能帶中能量不連續(xù)第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三常見半導(dǎo)體——硅

硅是一種元素半導(dǎo)體，4個價電子，正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體和絕緣體之間。選擇硅的主要理由：硅的豐富度更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限更高的工作溫度范圍氧化硅的自然形成第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)是在20世紀(jì)上半業(yè)開發(fā)的技術(shù)上培育出來的，關(guān)鍵技術(shù)是在工業(yè)和學(xué)術(shù)網(wǎng)中獲取的。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體發(fā)展趨勢半導(dǎo)體發(fā)展趨勢——微電子時代電子時代是由電子真空階段延續(xù)到固體電子階段的。當(dāng)分立器件逐步過渡到集成電路階段時，出現(xiàn)了諸如半導(dǎo)體器件集成化、電子系統(tǒng)集成化、電子系統(tǒng)微型化，也就出現(xiàn)了微電子時代第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。電子器件的發(fā)展歷經(jīng)4個階段：★電子管1906年，誕生第一只電子管★晶體管1947年，出現(xiàn)了半導(dǎo)體三極晶體管★集成電路1960年12月，成功制造世界上第一塊硅集成電路★超大規(guī)模集成電路1966年，美國貝爾實驗室利用硅片外延技術(shù)，制造了第一塊大規(guī)模集成電路第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路的發(fā)展摩爾定律：1964年，戈登.摩爾，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)先驅(qū)者和英特爾公司的創(chuàng)始人，預(yù)言在一塊芯片上的晶體管數(shù)大約每隔一年翻一番。第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體工業(yè)為什么有如此的發(fā)展速度

第一：集成電路業(yè)屬于非資源耗盡型的環(huán)保類產(chǎn)業(yè)，原始材料是地殼中的二氧化硅。第二：集成電路的設(shè)計與制造技術(shù)中高新技術(shù)含量和技術(shù)賦加值極高，產(chǎn)出效益好。第三：集成電路的設(shè)計與制造業(yè)是充滿技術(shù)驅(qū)動的效益驅(qū)動的高活性產(chǎn)業(yè)第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體的趨勢

★提高芯片性能

★提高芯片的可靠性

★降低芯片的成本第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三提高芯片的性能關(guān)鍵尺寸芯片上的最小物理尺寸芯片上器件尺寸的相應(yīng)縮小是按比例進行的，僅減小一個尺寸是不可接受的。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

每塊芯片上的元件數(shù)減小一塊芯片的關(guān)鍵尺寸使得可以在硅片上制造更多的元件，由于芯片數(shù)增加性能也得到提高。摩爾定律第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

功耗真空管耗費很大功率，而半導(dǎo)體器件確實耗用很小的功率，隨著器件的微型化，功耗相應(yīng)減小，盡管晶體管數(shù)以驚人的速度增長，但是功耗卻在不斷的下降。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三

芯片可靠性

芯片可靠性致力于趨于芯片壽命的功能的能力，通過嚴(yán)格的諸如無顆粒空氣凈化間的使用以及控制化學(xué)試劑的純度來控制玷污第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三降低芯片價格

由于特征尺寸的減小使得硅片上集成的晶體管增多降低了成本。半導(dǎo)體產(chǎn)品市場大幅度增長引入了制造的規(guī)模經(jīng)濟第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三微電子技術(shù)發(fā)展展望縱觀20世紀(jì)中硅基微電子技術(shù)的發(fā)展歷程，未來微電子技術(shù)將主要表現(xiàn)為：1、器件的特征尺寸繼續(xù)縮小2、系統(tǒng)集成芯片將是將來一段時間內(nèi)發(fā)展的重點3、微電子與其它學(xué)科的結(jié)合將誕生新的技術(shù)交叉點和產(chǎn)業(yè)增長點。第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路集成電路的概念將若干個二極管、晶體管、電阻和電容等元件按照特定的電路連接方式，焊接到一快半導(dǎo)體單晶片或陶瓷機片上，使之成為一個整體以完成某一特定功能的電路組件。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路優(yōu)點★提高工作速度★內(nèi)部連線短，縮短延遲時間，尺寸小，連線分布電容和PN結(jié)電容減小?！锝档凸摹锍叽缧?，連線短，電阻小★降低電子整機成本？★減少印制電路和插接件★體積小，質(zhì)量輕★可靠性高★縮短電子產(chǎn)品生產(chǎn)周期

第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路的分類

按器件結(jié)構(gòu)類型和工藝分★雙極型集成電路，有源器件是雙極型晶體管，載流子是電子和空穴。一般用于模擬集成電路和中、小規(guī)模集成電路。優(yōu)點：工作速度高、驅(qū)動能力強★MOS（metal-oxide-semiconductor）管集成電路,有源器件為MOS晶體管。載流子是電子或者空穴，又稱為單極型晶體管。優(yōu)點：輸入阻抗高、抗干擾能力強、功耗低、集成度高、制作工藝簡單。★雙極型-MOS集成電路，兩者的混合電路同時具有兩者的優(yōu)點。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三按電路功能分★數(shù)字集成電路，傳遞和處理數(shù)字信號。應(yīng)用范圍：計算機、通信處理機★模擬集成電路，傳遞和處理模擬信號。應(yīng)用范圍：信號傳感器、A/D、D/A等★數(shù)?；旌想娐肺⒉呻娐罚鶄鬟f和處理的信號頻率大于300MHz。應(yīng)用范圍：混頻器，振蕩器等第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路對半導(dǎo)體材料的基本的要求

★襯底必須是純凈的★單晶硅片★晶體的基本形態(tài)單晶多晶非晶★綜合指標(biāo)要求導(dǎo)電類型N型或P型

第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三集成電路的制造步驟★硅片制造★硅片制備★硅片測試/揀選★裝配與封裝★終測第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三★硅片制備在這一階段，將硅從沙中提煉并純化，經(jīng)過特殊工藝生產(chǎn)適當(dāng)直徑的硅錠，然后將硅錠切割。第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三★硅片制造自硅片開