一键快速享受快乐,轻松下载享受乐趣

一文讀懂半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

發(fā)布時(shí)間：2024-08-13 16:52:07

半導(dǎo)體是這兩年國家重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)，到底什么是半導(dǎo)體？

生活中所有的物體按照導(dǎo)電性大致可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。這個(gè)很好理解，物體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，要么有一點(diǎn)點(diǎn)導(dǎo)電，正是這種半推半就、不清不楚的物質(zhì)給物理學(xué)家不同的發(fā)揮空間。

太絕對的導(dǎo)電和不導(dǎo)電的物質(zhì)沒什么意思，而在不同情況下導(dǎo)電性發(fā)生變化的東西才是有意思的。

來張圖直觀看看物體的導(dǎo)電性：

按照導(dǎo)電性可分為：

絕緣體:電導(dǎo)率很低，約介于20E－18S/cm～10E－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

導(dǎo) 體：電導(dǎo)率較高，介于10E4S/cm～10E6S/cm，如鋁、銀等金屬。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。

自然界中常見的元素半導(dǎo)體有硅、鍺，據(jù)說鍺基半導(dǎo)體比硅基半導(dǎo)體還要更早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，但是硅的天然優(yōu)勢就是便宜！

自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對它進(jìn)行提煉。

怎么提煉？一個(gè)字——燒！

正如初中化學(xué)所學(xué)的，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

② SiC + SiO2 →Si(固體)+ SiO2(氣體)+ CO(氣體)

②Si(固體)+ 3HC →SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)

③ SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)→ Si(固體)+ 3HCl(氣體)

經(jīng)過三次高溫化學(xué)反應(yīng)后，我們得到了固體硅，但這時(shí)候的硅是多晶硅。

啥是多晶硅？

如同我們剝橘子的時(shí)候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨(dú)長大！

怎么讓一個(gè)小的單晶單獨(dú)長大呢？

物理學(xué)家還是很聰明的，發(fā)明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名科學(xué)家名字命名的。

行業(yè)也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!

因?yàn)樵陂L單晶時(shí)就是把小的晶體往上拔！拔的時(shí)候速度有點(diǎn)慢，來看看這個(gè)裝置：

圖中的這個(gè)藍(lán)色的圓棒就是單晶硅，在提拉的時(shí)候一邊旋轉(zhuǎn)一邊往上拔，提拉法長出來的晶錠就是圓柱體了。

再將長好的晶錠采用機(jī)械刀片進(jìn)行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。

有沒有很眼熟？

晶圓就是這樣被生產(chǎn)出來了。雖然我們得到了晶圓，此時(shí)的單晶硅電化學(xué)性能還不行，不能直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶硅的電化學(xué)性能。

如何改造單晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個(gè)電子，分別與周圍4個(gè)原子共用4對電子，這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵(covalent bonding)。

每個(gè)電子對組成一個(gè)共價(jià)鍵,這部分知識初中化學(xué)學(xué)過。

再來張圖片直觀看看：

左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況，中間一個(gè)硅原子和四個(gè)硅兄弟共用電子。

突然有一天，有個(gè)物理學(xué)家想到一個(gè)問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進(jìn)群會(huì)怎樣？

物理學(xué)家有一天把砷兄拉進(jìn)了群，于是奇跡發(fā)生了：

砷兄弟最外層有5個(gè)電子，其中4個(gè)電子找到了硅家的對象，另外一個(gè)電子單著了，這個(gè)電子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導(dǎo)電性。

此時(shí)的砷原子多提供了一個(gè)電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負(fù)電的載流子增加，硅變成n型半導(dǎo)體。

為啥叫N型？在英文里Negative代表負(fù)，取這個(gè)單詞的第一個(gè)字母，就是N。

同樣，物理學(xué)家想，既然可以拉電子多的砷元素進(jìn)群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進(jìn)群？于是物理學(xué)家把硼原子拉進(jìn)來試試。

由于硼原子最外層只有3個(gè)電子，比硅少一個(gè)，于是本來2對電子的共價(jià)鍵現(xiàn)在成了只有一對電子，多了一個(gè)空位，成了帶正電的空穴(hole)。

此時(shí)的硅基半導(dǎo)體被稱為p型半導(dǎo)體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。

正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

下圖是加入元素碲(最外層5個(gè)電子)和元素硼(最外層3個(gè)電子)后，形成的P型和N型半導(dǎo)體。

當(dāng)我們有了單晶硅，并且可以想辦法將單晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作為許多器件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴(kuò)散或離子注入的阻擋層。如在p?n結(jié)的制造過程中，二氧化硅薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的硅晶片，正準(zhǔn)備進(jìn)行氧化步驟，圖(b)只顯示被氧化晶片的上表層。

有了P型和N型半導(dǎo)體的理論知識，還可以玩點(diǎn)復(fù)雜的，對二氧化硅表面進(jìn)行改造，改造成我們想要的圖形，比如畫只貓，畫朵花等…

對晶圓表面進(jìn)行改造的辦法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻機(jī)？

不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂設(shè)備(spinner)，在晶片表面旋涂一層對紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠(photoresist)。將晶片從旋涂機(jī)拿下之后在80oC～100oC之間烘烤，以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強(qiáng)光刻膠與晶片的附著力。接下來使用UV光源，通過有圖案的掩模版對晶片進(jìn)行曝光。然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護(hù)的二氧化硅表面。最后，使用化學(xué)溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠?？纯词疽鈭D：

文字說的有點(diǎn)復(fù)雜，直觀理解有點(diǎn)像刻印章，先在石頭上用顏料涂個(gè)模型，然后按照模型的尺寸進(jìn)行雕刻，基本是這個(gè)道理。印章有陽刻和陰刻的區(qū)別，晶圓也是這樣，根據(jù)光刻膠的選取不同，也能實(shí)現(xiàn)陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負(fù)膠。

光刻后的硅表面暴露于外界中，此時(shí)物理學(xué)家在這個(gè)硅表面通過不同方法加入其它元素，稱為離子注入。

因?yàn)樽⑷隑或者As離子以后，這些離子加入到硅家以后改變了硅家的傳統(tǒng)，硅的電化學(xué)性能發(fā)生了改變，此時(shí)的半導(dǎo)體叫做非本征(extrinsic)半導(dǎo)體。而由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸形成的結(jié)稱為p-n結(jié)！我們在摻雜完成以后，需要想辦法將這個(gè)半導(dǎo)體的性能引出，于是將這個(gè)半導(dǎo)體表面金屬化，歐姆接觸(ohmic contact)和連線(interconnect)在接著的金屬化步驟完成，金屬薄膜可以用PVD或CVD來形成。隨著金屬化的完成，p?n結(jié)就可以工作了！

那么，我們常常聽的P-N結(jié)到底是何方神圣？

（1）PN結(jié)的原理

下面左圖是一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體，它們獨(dú)立存在時(shí)對外不顯電性。