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

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？ (4)

1-1-2 半导体的基本特性………………………………………………. .4

1-1-3 半导体的分类 (4)

1-1-4 N型半导体和P型半导体 (5)

1-1-5 半导体的导电机构 (6)

1-2 P-N结 (9)

1-2-1 P-N结的构成 (9)

1-2-2 P-N结内的载流子运动和平衡 (10)

1-2-3 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） (12)

1-3-3 二极管的分类 (13)

1-4 晶体管（仅讲双极型） (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 (24)

2-1-1 晶体管的基本工艺流程 (24)

2-1-2 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 (25)

2-2-1 氧化工艺 (25)

2-2-2 扩散工艺 (26)

2-2-3 离子注入工艺 (30)

2-2-4 光刻工艺 (31)

2-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺 (32)

2-2-6 CVD工艺 (33)

2-2-7 台面工艺 (34)

2-2-8 三扩、磨抛工艺 (35)

2-2-9 清洗工艺 (36)

2-2-10 中测、划片工艺 (36)

2-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响 (37)

2-3-1 工艺质量问题分类 (37)

2-3-2 常见的工艺质量问题举例 (37)

2-4 工艺纪律和工艺卫生的重要性 (41)

2-4-1 半导体生产对空气洁净度的要求 (41)

2-4-2 工艺卫生的内涵 (42)

2-4-3 工艺卫生好坏对半导体生产的影响 (42)

2-4-4 工艺纪律的内涵 (43)

2-4-5 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ρ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Ω-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

1-1-2 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，n o=p o=n i

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

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（n i）

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”），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（n i）。在常温下，n i 是个较小的常数；随着温度的升高，n i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）

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

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

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μn. μp 。

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）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τ表示。（τ是个很重要的半导体材料参数，它直接影响晶体管的t S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-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，

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（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、电流很大，而反向电阻很大、电流很小的特性，称为

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

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

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）

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

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）

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）共基极电路（图13a）2）共发射极电路（图13b）

图13a 共基极电路图13b 共发射极电路

图13C 共集电极电路

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（-I CBO）。

●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

（I CBO）。

这样，形成了：

I E = Ine + Ipe

I B = Ipe + Ir -I CBO I E = I B+ I C

I C = Inc + I CBO =（Ine – Ir）+ I CBO

请注意：

1）由于晶体管的发射区浓度比基区浓度高得多，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I CBO是很小的。

4）综合以上三点，就可以得到：

●I C＜I E，但非常接近于I E

●I B《I C

●当输入回路产生较小的电流变化△I B时，就会引起输出回路

较大的电流变化△I C。

图14 晶体管内部载流子的输运过程

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。

h FE=I C/I B , G V=R L/Ri, G P=R L/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。

α= I C / I E＜1，但仍有G V=R L/Ri , G P=R L/Ri 。

3）NPN

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β= △I C / △I B

直流放大系数h FE = I C / I B

5) 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（I E）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

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I B=0时，I C≠0（= I CEO）

2）当I B=I B1时，IC=βI B1 + I CEO

3）对于某一I B=I Bi，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）

可划分为三个工作区：1）放大区2）饱和区3）截止区

图17 共发射极输出特性的三个工作区

3 输出特性曲线的几种异常情况

1）大电流特性差（图18a）2）小电流特性压缩（图18b）3）饱和压降大（图18c）4）特性曲线倾斜（图18d）

5

（图18a）

（图18b）