半导体概论
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技日新月异的时代，半导体已经成为了无处不在的关键元素。
但究竟什么是半导体呢？半导体，从本质上来说，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性能既不像铜、铝等金属那样优秀，能够轻易地让电流通过，也不像橡胶、塑料等绝缘体那样几乎完全阻止电流的流动。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
以硅为例，它在元素周期表中位于金属和非金属的交界位置，这使得它的原子结构具有独特的性质，从而表现出半导体的特性。
半导体的这种特殊导电性，使得我们能够通过对其进行巧妙的处理和控制，实现各种各样神奇的功能。
二、半导体的特性半导体具有一些非常重要的特性，正是这些特性使得它们在现代电子技术中发挥着无可替代的作用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著改变。
温度升高时，其电阻会减小；温度降低时，电阻则会增大。
利用这一特性，我们制造出了热敏电阻，用于温度测量、温度控制等领域。
2、光敏特性半导体在受到光照时，其导电能力会大大增强。
基于这一特点，我们开发出了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入微量的杂质元素，可以极大地改变其导电性能。
这种掺杂过程就像是给半导体“调味”，不同的“调料”（杂质）和不同的“用量”（掺杂浓度）会让半导体展现出不同的电学特性。
三、半导体的制造工艺了解了半导体的基本概念和特性后，我们来看看半导体是如何被制造出来的。
制造半导体的过程就像是在微观世界里进行一场精细的“雕刻”。
首先是原材料的准备，通常是高纯度的硅晶圆。
然后，通过一系列复杂的工艺步骤，在晶圆上构建出各种微小的结构和器件。
其中，光刻技术是关键的环节之一。
它就像是在晶圆上用“光”来绘制精细的电路图。
通过将特定的光刻胶涂覆在晶圆表面，然后用紫外线等光源透过掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成需要的图案。
接下来是掺杂，将杂质原子引入到特定的区域，以改变其电学性质。
半导体概述
威廉· 肖克利—―晶体管之父”
二次大战后，美国的贝尔实验室(Bell Lab)，决定要进行一 个半导体方面的计划，成立了研究部门并任命肖克利为经理。 在他的带领下，与其助手巴丁(John Bardeen )、布莱登 (Walter Brattain ) ，在1947年12月23日发明了第一只晶体管 （1956年三人共同获得了诺贝尔物理奖）。
详细生产流程
IC的分类
（1）按功能结构分类：模拟IC和数字IC两大类。
（2）按制作工艺分类：半导体IC和薄膜IC 。
（3）按集成度高低分类：小规模IC （SSI）、中规模IC （MSI）、大规模IC （LSI）、超大规IC （VLSI）、特大 规模IC （ULSI）。 （4）按导电类型不同分类：双极型IC和单极型IC 。 （5）按用途分类：根据实际使用情况分，如通信用IC 、电视机 用IC等等
杰克· 基尔比—业界公认的集成电路IC第一位发明者
晶体管的发明弥补了电子管的不足，但工程师们很快又 遇到了新的麻烦。为了制作和使用电子电路， 工程师不得不 亲自手工组装和连接各种分立元件，如晶体管、二极管、电 容器等。很明显，这种做法是不切实际的。 基尔比1958年进入了德州仪器工作，提出了集成电路的 设计方案。并在1958年发明了历史上第一个集成电路 。
肖克利发明的晶体管，是点接触型晶体管。具体是用涂 了蜡的钨丝与硅接触 ，将射极 、集极 、基极 连接起来形成 的。一个月后，肖克利想到使用P-N接面（即P-N结）来连接 射极 、集极 、基极 ，制作接面型晶体管，即电晶体技术。但 以当时的技术，还无法实际制作出来。 此后，从1948—1954年 ，美国工业界 在生产电晶体技 术方面碰到许多困难。先后有西方电器公司 、雷神公司、美 国无线电 、GE公司等多公司努力，但只制作出来由锗 为接 点的电晶体 。 直到1954年5月，第一颗以硅做成的电晶体才由美国德州 仪器公司 开发成功 。
半导体概论-中文
非存储器半导体 – “ 想 “ 微型处理器 (CPU), Alpha chip
订购型半导体 ( ASIC ) – 把决定电子产品特性的主要功能设计到一个CHIP内 电子产品企业委托半导体公司制作 例)快捷拨号盘 , 除噪功能, 短路防止技术等
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何谓Memory ?
Memory 分类 ▶ Volatile Memory : 除去电源时Data将消失的Memory ( RAM)
2) Mask (掩膜)
为了在Wafer上印制所希望的电路而设计的底片，通过拍摄该底片在Wd Frame)
作为用于连接完成的wafer芯片(chip)和其他电路的连接线 的制作基础， 使用导电性好的铜丝.
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半导体的制造工程
◈ 半导体由原材料、装备(设备)、实用程序(去离子水,化学药品,气体,电)等制作而成.
Diff T/F Photo ETCH C&C 制造 YA/PI/FA
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检查/Test
PKG Test/ 检查
封装/PKG
半导体的3大原材料
1) Wafer
作为制造半导体的硅基板(Wafer)，可通过工程实现期望的电路
使其具有电特性.
200 300 mm ( 8 INCH 12 INCH)
- DRAM ( Dynamic Random Access) – Main Memory
- SRAM ( Static Random Access) – Cache, 游戏机
▶ Non-volatile Memory : 即使电源Off也能保持Data (ROM)
- Mask ROM – Not erasable ( 电子词典, 电子乐器, 游戏机) - EPROM - Erased by UV - EEPROM – Electrically erasable & Program ROM - Flash Memory – 克服EEPROM的界限 ( 存储大容量信息)
第三节 半导体
第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一，其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体？
半导体是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看，半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应，能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向，因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性，制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件，如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中，需要更高的速度、更小的面积和功耗，因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高，需要更高效、更可靠、更节能的电子设备，因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用，半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之，半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着，也将成为电子行业长期的研究方向之一。
半导体概论
半导体生产流程所谓的半导体，是指在某些情况下，能够导通电流，而在某些条件下，又具有绝缘体效用的物质；而至于所谓的IC，则是指在一半导体基板上，利用氧化、刻蚀、扩散等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，作在一微小面积上，以完成某一特定逻辑功能（例如：AND、OR、NAND等），进而达成预先设定好的电路功能。
自1947年12月23日第一个晶体管在美国的贝尔实验室(Bell Lab)被发明出来，结束了真空管的时代，到1958年TI开发出全球第一颗IC成功，又意谓宣告晶体管的时代结束，IC的时代正式开始。
从此开始各式IC不断被开发出来，集成度也不断提升。
从小型集成电路（SSI），每颗IC包含10颗晶体管的时代；一路发展MSI、LSI、VLSI、ULSI；MSI（Middle-scale integration）中等规模集成电路；LSI（Large-scale integration）大规模集成电路；VLSI（Very-Large-scale integration）甚大规模集成电路；ULSI（Ultra-Large-scale integration）超大规模集成电路再到今天，短短50年时间，包含千万个以上晶体管的集成电路已经被大量生产，并应用到我们的生活的各领域中来，为我们的生活带来飞速的发展。
不能想象离开半导体产业我们的生活将会怎样，半导体技术的发展状况已成为一个国家的技术状况的重要指针，电子技术也成为一个国家提高国防能力的重要途径。
半导产品类别目前的半导体产品可分为集成电路、分离式组件、光电半导体等三种。
A.集成电路(IC)，是将一电路设计，包括线路及电子组件，做在一片硅芯片上，使其具有处理信息的功能，有体积小、处理信息功能强的特性。
依功能可将IC分为四类产品：内存IC、微组件、逻辑IC、模拟IC。
B.分离式半导体组件，指一般电路设计中与半导体有关的组件。
常见的分离式半导体组件有晶体管、二极管、闸流体等。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
半导体器件与TFT
半导体基础概论 4. 半导体中的杂质。
原子半导体中的杂质主要是为了控制半导体的性质而人为的掺入某种元素。杂质存在方式以间歇式和替位式为主。 而对我们有实际意义的为替位式。以硅中掺磷形成 n 型 半导体，掺硼形成 p 型半导体。 加入杂质后为什么能够易于导电，可以用能带论的观点进行解释。在禁带中产生了能级。 受主能级与施主能级。受主能级向价带提供空穴而成为负电中心，施主能级向导带提供电子而成为正电中心。。实际上， 受主能级很接近价带，施主能级很接近导带，室温下，晶格原子热振动能量传给电子，使杂质几乎全部离子。
( 1 ) 低温弱电离区： 温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电
子占据，只有很少施主杂质发生电离，这少量电 子进入导 带，这时称为弱电离。 （ 2 ）强电离区： 当温度升高到大部分杂质都电离为强电离。
（ 3 ) 高温本征激发区： 继续升高温度，使本征激发产生的本征
载流子数远多于杂质电离产生的载流子。
n-si 中电子浓度与温度关系 BOE Optoelectronics Technology Co,. Ltd.
（3）掺杂情况下下的费米能级：
掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质能度所决定。对于杂质浓度一定的半 导体，随着温度的升高，载流子从以杂质电离为主过渡到以本征激发为主，相应的，费米能级则从 位于杂质能级附近移进到禁带中央。引入 N＋ －Si 和 N－Si概念 。 如图所示：
空穴被占的几率为 1－ f（E）。思考为什么？？？
EF 称为费米能级或费米能量。这是一个很重要的物理参数，只要知道了数值，在一定温度下电子在各量子态的 统计分布就可以知道。引出玻尔兹曼分布函数。得出结论电子分布在导带底附近，空穴分布在价带顶附近。
BOE Optoelectronics Technology Co,. Ltd.
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技时代，半导体可谓是无处不在。
从我们每天使用的手机、电脑，到家里的电视、空调，再到汽车里的各种控制系统，都离不开半导体的身影。
那到底什么是半导体呢？简单来说，半导体就是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
半导体的导电性能不是一成不变的，它可以通过一些特殊的处理和控制来改变。
比如，在纯净的半导体中掺入少量的杂质，就能够显著改变其导电性能，这就是半导体的掺杂特性。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，这使得它在电子领域中具有极其重要的地位。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生明显的改变。
利用这一特性，我们可以制造出热敏电阻，用于温度测量和控制。
2、光敏特性当半导体受到光照时，其导电性能也会发生变化。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性如前面提到的，通过向半导体中掺入不同类型和浓度的杂质，可以精确地控制其导电性能，从而制造出各种不同功能的半导体器件。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料变成实用的电子器件，需要经过一系列复杂而精细的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要制备出高纯度的半导体晶圆。
通常使用的是硅晶圆，通过化学气相沉积等方法，在高温下生长出单晶硅棒，然后经过切割、研磨和抛光等工艺，得到平整光滑的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中最为关键的工艺之一。
通过在晶圆表面涂上一层光刻胶，然后用紫外线透过具有特定图案的掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成所需的电路图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上刻蚀出电路线条。
4、掺杂通过离子注入或扩散等方法，向晶圆中掺入杂质，以改变其导电性能。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片免受外界环境的影响，并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体的应用半导体的应用领域非常广泛，几乎涵盖了现代科技的方方面面。
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半導體概論
作業(一)
能帶形成原因
組員：
1.499L0005 黃炯睿 (WORD製作)
2.499L0009 林杰翰 (統整資料)
3.499L0010 吳旻葦 (WORD製作)
4.499L0012 劉榮軒 (統整資料)
5.499L0045 黃志傑 (蒐集資料)
何謂能帶
能階由下而上增加，越上面能階越高，為何材料能導電，當導電帶裡有電子時，材料就會導電，一般電子都是處在價電帶中的，而從價電帶到導電帶就有一個能量差，叫做能階。
也就是說電子要從價電帶跳躍至導電帶是需要能量，所以當能隙越大時，電子越不容易跳躍至導電帶。
因此，絕緣體就是因為能隙很大，電子跳不過去導電帶裡，所以無法導電，但半導體的能隙較小，電子比較容易跳躍進入導電帶，所以只要施嘉一些能量，就可以讓電子進入導電帶來讓材料從不導電很容易變成導電，而導体的導電帶能階底部和價電帶能階頂部重疊，所以電子一
直都在導電帶中，因此材料隨時都可以導電
那能帶是如何形成的呢??
半導體概念與能帶（Semiconductor Concepts and Energy Bands）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯
在半導體晶格中，電子的能量跟金屬有明顯的不同。
以矽為例子，由於矽原子之間以價電子方式鍵結，在相鄰的矽原子之間，彼此價電子互相作用之下，導致晶體中電子能量會分裂成兩個可以明顯區分的能帶，此即所謂的價電帶和導電帶，此兩個能帶的間隙即為能帶間隙，由於在能帶間隙中電子的存在是不被容許的，此代表著在晶體中禁止的電子能量。
而價電帶代表晶體中兩個互相鍵結原子的電子波函數，佔據這些波函數的電子我們稱他為價電子。
在絕對零度時，所有的鍵結都被價電子佔據，所以在價電帶中所有的電子能階都會被這些電子填滿。
當電子處於導電帶中的時候，電子可以在晶體中自由的移動，同時也會對電場做出回應，所以在周圍會有很多空的能階。
而電子可以容易的從電場中得到能量，進而能躍遷到比較高的能階裡。
因為只有在導電帶裡才有空的能態，所以想要將價電帶中的電子激發到導電帶中需要能量，此能量須大於等於能帶間隙。
當電子獲得足夠能量可以克服能帶間隙時，電子就會躍遷到導電帶中，所以在導電帶中會產生一個自由的電子，則在導電帶中會遺失一個電子即為電洞。
在導電帶中的自由電子，可以在晶體中自由的移動，所以外加電場的時候，會產生導電的情形。
由於帶負電的電荷從晶體電中性區域脫離出，即會造成在價電帶中生成一個帶正電荷的電洞。
而從近代物理的原子中，我們可知能量被量子化，並且具有特定不連續值，例如鋰原子有兩個電子位於1s殼層和一個電子位於2s 殼層。
此相同的概念我們可應用到數個原子中分子的電子能量，同理電子的能量是呈量子化的。
因此將多到1023個緊密排列大小的鋰原子聚集在一起以形成金屬，會因為原子間的作用力生成電子能帶。
而2s能階會分裂成1023個緊密排列的能階，此會有效的形成一個能帶，即命名為2s能帶。
同理，其他較高的能階也會形成能帶，而這些能帶彼此會互相重疊而形成代表金屬能帶結構的連續能帶。
由於鋰原子的2s能階為半填滿的，這是因為2s次殼層需要兩個電子才能填滿，所以這意謂著如果晶體中的2s能階也是半填滿的話，此金屬即具有半填滿能帶的特性。
參考資料：光電子學與光子學-原理與應用。