半导体基础知识

半导体基础知识 1．什么是导体、绝缘体、半导体？
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半 导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思， 一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导 电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质） 所形成的半导体。杂质半导体有两类：N 型半导体和 P 型半导体。
多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此 处受到破坏。
7．常用半导体材料的晶体生长方向有几种？
我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性。单晶生长的这种方向直接来自晶 格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是<111>和<100>。
29．半导体芯片制造对厂房洁净度有什么要求？
空气中的一个小尘埃将影响整个芯片的完整性、成品率，并影响其电学性能和可*性，所以半导体芯片制造工艺需 在超净厂房内进行。1977 年 5 月，原四机部颁布的《电子工业洁净度等级试行规定》如下：
电子工业洁净度等级试行规定
洁净室等 洁净度 温度（℃） 相对湿度 正压值 噪声
电阻率 ρ=1/σ，单位为 Ω*cm
9．PN 结是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工艺的方法，把一边是 N 型半导体另一边是 P 型半导体结合在一起，这时 N 型半导体中的多数载流子电子 就要向 P 型半导体一边渗透扩散。结果是 N 型区域中邻近 P 型区一边的薄层 A 中有一部分电子扩散到 P 型区域中去了， 如图 2-6 所示（图略）。薄层 A 中因失去了这一部分电子 而带有正电。同样，P 型区域中邻近 N 型区域一边的薄层 B 中有一部分空穴扩散到 N 型区域一边去了，如图 2-7 所示（图略）。结果使薄层 B 带有负电。这样就在 N 型和 P 型两 种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层 A 和 B（其中 A 带正电，B 带负电）。A、B 间便产生了一个电场， 这个带电的薄层 A 和 B，叫做 PN 结，又叫做阻挡层。
R= R□（L/W）
R□=ρ/d
R□的单位为欧姆，通常用符号 Ω/□表示。从上式可以看出，当 L=W 时有 R= R□，这时 R□表示一个正方形薄层的电 阻，它与正方形边长的大小无关，这就是取名方块电阻的原因。
15．什么是晶体缺陷？
晶体内的原子是按一定的原则周期性地排列着的。如果在晶体中的一些区域，这种排列遭到破坏，我们称这种破坏 为晶体缺陷。晶体缺陷对半导体材料的使用性影响很大，在大多数情况下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料 的制备过程中都要尽量排除缺陷或降低其密度。晶体缺陷的控制是材料制备的重要技术之一。
18．材料的常用表征参数有哪些？ 电学参数、化学纯度、晶体学参数、几何尺寸。 电学参数包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载流子寿命、电阻率均匀性等。 化学纯度是指材料的本底纯度。 晶体学参数有晶向、位错密度。 几何尺寸包括直径、晶片的厚度、弯曲度、翘曲度、平行度和抛光片的平坦度等。 28．为什么说洁净技术是半导体芯片制造过程中的一项重要技术？
13．迁移率表示什么？
迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要因素。掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂的浓度，另一方面 取决于迁移率的大小。同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电导率就越高。迁移率大小不仅关系着导电能 力的强弱，而且直接决定载流子运动的快慢。它对半导体器件工作速度有直接的影响。不同的材料，电子和空穴的迁 移率是不同的。载流子的迁移率是随温度而变化的。这对器件的使用性能有直接的影响。载流子的迁移率受晶体散射 和电离杂质散射的影响。载流子的迁移率与晶体质量有关，晶体完整性好，载流子的迁移率高。
当一种固体材料受到外力时就会发生形变，如果外力消失后，形变也随着消失，这种形变称为弹性形变；如果外力 消失后，形变不消失。则称为范性形变。位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体内的一原子或离子脱离规则的周 期排列而位移一段距离，位移区与非位移区交界处必有原子的错位，这样产生线缺陷称为位错。
17．什么是层错？
10．何谓 PN 结的击穿特性？
对 PN 结施加的反向偏压增大到某一数值时，反向电流突然开始迅速增大，这种现象称为 PN 结击穿。发生击穿时 的反向偏压称为击穿电压，以 VB 表示。击穿现象中，电流增大基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目 的增加。到目前为止，基本上有三种击穿机构：热电击穿、雪崩击穿和隧道击穿。从击穿的后果来看，可以分为物理 上可恢复的和不可恢复的击穿两类。热电击穿属于后一类情况，它将造成 PN 结的永久性损坏，在器件应用时应尽量避 免发生此类击穿。雪崩击穿和隧道击穿属于可恢复性的，即撤掉电压后，在 PN 结内没有物理损伤。
11．试述什么是光电二极管。
当光照到 PN 结上时，光能被吸收进入晶格，使电子的能级提高，这就导致某些电子脱离它们的原子，因此产生了 自由电子与空穴。在光电导光电二极管中，在 PN 结上加一反向电压，由光能在结构附近产生了电子与空穴，它们被电 场吸引从相反的方向穿过结形成电流，电流从负载电阻流出产生了输出信号。光的强度越高，产生的空穴与自由电子 就越多，电流也就越大。没有光时，电流只有 PN 结的小的反向漏电流，这种电流称为暗电流。
半导体芯片制造，尤其是随着高度集成复杂电路和微波器件的发展，要求获得细线条、高精度、大面积的图形， 各种形式的污染都将严重影响半导体芯片成品率和可*性。生产中的污染，除了由于化学药剂不纯、气体纯化不良、去 离子质量不佳引入之外，环境中的尘埃、杂质及有害气体、工作人员、设备、工具、日用杂品等引入的尘埃、毛发、 皮屑、油脂、手汗、烟雾等都是重要污染来源。例如，PN 结表面污染上尘埃、皮屑、油脂等将引起反向漏电或表面沟 道，手汗引起的 Na 离子沾污将会使 MOS 器件阈值电压漂移，甚至导致晶体管电流放大系数不稳定，空气中尘埃的沾 污将引起器件性能下降，以致失效；光刻涂胶后尘埃的沾污将使二氧化硅层形成针孔或小岛；大颗粒尘埃附着在光刻 胶表面，会使掩膜版与芯片间距不一致，使光刻图形模糊；高温扩散过程中，附着在硅片上的尘埃将引起局部掺杂和 快速扩散，使结特性变坏。所以洁净技术是半导体芯片制造过程中的一项重要技术。
5．什么是半绝缘半导体材料？ 定义电阻率大于 107Ω*cm 的半导体材料称为半绝缘半导体材料。 如：掺 Cr 的砷化镓，非掺杂的砷化镓为半绝缘砷化镓材料。 掺 Fe 的磷化铟，非掺杂的磷化铟经退火为半绝缘磷化铟材料。
6．什么是单晶、多晶？
单晶是原子或离子沿着三个不同的方向按一定的周期有规则地排列，并沿一致的晶体学取向所堆垛起来的远程 有序的晶体。
适用范围
级
（%） （帕）
粒径 浓度（粒 最高 最低 最高 最低 逐级相差 （A 声级 （以集成电路工艺为
（微 /升）
≥66.661 分贝）
例）
米）
1 级 ≥0.5 ≤1 27 18 60 40 同上
≤70 超大规模、大规模集成 电路的光刻制版
10 级 ≥0.5 ≤10 27 18 60 40 同上 ≤70
规定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。
8．什么是电导率和电阻率？
所有材料的电导率（σ）可用下式表达：
σ=neμ 其中 n 为载流子浓度，单位为 cm-3；e 为电子的电荷，单位为 C（库仑）；μ 为载流子的迁移率，单位为 cm2/V
*s；电导率单位为 S/cm（S 为西门子）。
2．半导体材料的特征有哪些？ （1） 导电能力介于导体和绝缘体之间。 （2） 当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系
数为负值。 （3） 有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成
以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。 （4） 晶体的各向异性。
当 P 型区域接到电池的负极，N 型区域接到电池的正极时，在 PN 结中流过的电流很小（这种接法称为反向连接）。 这是由于外加电压在 PN 结中所产生的电场方向是由 N 型区指向 P 型区，也即与原先在 PN 结中存在的电场方向是一 致的。这两个电场叠加的结果，加强了电场阻止多数载流子的扩散运动，此时，阻挡层的厚度比原来增大，原来漂移 和扩散的动态平衡也被破坏了，漂移电流大于扩散电流，正是这个电流造成反向漏电流。PN 结的这种性质叫做单向导 电性。
当 P 型区域接到电池的正极，N 型区域接到电池的负极时，漂移和扩散的动态平衡被破坏，在 PN 结中流过的电流 很大（这种接法称为正向连接）。这时，电池在 PN 结中所产生的电场的方向恰好与 PN 结原来存在的电场方向相反， 而且外加电场比 PN 结电场强，这两个电场叠加后电场是由 P 型区域指向 N 型区域的。因此，PN 结中原先存在的电场 被削弱了，阻挡层的厚度减小了，所以正向电流将随着外加正向电压的增加而迅速地上升。
简单的说，层错是在密排晶面上缺少或多余一层原子而构成的缺陷，层错是一种“面缺陷”。层错也是硅晶体中常见 的一种缺陷，层错对器件制备工艺以及成品性能都可以发生较大的影响。生产中最熟悉的是硅外延片中的层错。在硅 外延生长时，如果不采取特殊的措施，生长出的外延层中将含有大量的层错，以致严重的破坏了晶体的完整性。通过 研究发现，外延片中的层错主要起源于生长外延层的衬底晶体的表面。根据这个原因，不仅找到了克服层错大量产生 的途径，而且发现利用层错测量外延层的厚度的方法。
3．简述 N 型半导体。 常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要*施主提供电子导电，这种依*