芯片制造-半导体工艺教程(4)

芯片制造-半导体工艺教程

体管中的工作器件。薄膜的电容能力与其面积和厚度以及一个特性指数即绝缘常数。半导体金属传导系统需要很高的导电率，因而也就是需要低电阻和低电容材料。这些材料就是低绝缘常数的绝缘体，用于传导层间隔离的绝缘层需要高的电容或者高绝缘常数的绝缘体。

C = 电容

k ＝材料的绝缘常数

E0 = ====空间的介电常数（====空间有最高的电容） A = 电容的面积 t = 绝缘材料的厚度

电阻

与导电率程度（和电阻率）相关的电因子就是特定体积材料的电阻。电阻是材料电阻和尺寸的因子，如图2.5所示，电流的电阻由欧姆来衡量。

R=电阻 L=长度 W=宽度 D=高度

A=横截面积=WxD P=材料电阻率

图2.5 长方形棒的电阻

公式定义了特定材料特定体积的电阻（在图中，体积由三个维度X,Y,Z的矩形）。这种关系类似于密度和重量，密度为材料的特性，重量为特定体积的材料所受的力。

电流类似与水管中的水流。对于给定的水管直径和水压，只有一定量的水会流出水管，水流的阻力可以通过增加水管的直径，缩短水管和增加水压。在电子系统中，通过增大材料的横截面，缩短部件的长度，增大电压（类似于水压）和减小材料的电阻，可以增强电流。

本征半导体 半导体材料，顾名思义就是本身就有一些天然的导电能力的材料。有两种半导体元素——硅和锗，在元素周期表中位于第四列（如图2.6）。另外，还有好几十种化合物材料（化合物就是两个或更多元素化合的材料）也表现出半导体的特性．这些化合物源自第三列和第四列的元素，如砷化镓和磷化镓。其它化合物源自第二列和第六列的元素。

本征，该术语指的是材料处于纯净的状态而不是掺杂了杂质或其它物质。

Ge为元素半导体

3到5族化合物半导体 图2.6 半导体材料

掺杂半导体

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半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。但是通过一种叫做掺杂的工艺，可以把特定的元素引入到本征半导体材料中。这些元素可以提高本征本导体的导电性。掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们是固态器件的基础。这两种特性是：

1.通过掺杂精确控制电阻率 2.电子和空穴导电

掺杂半导体的电阻率

金属导电率的范围在每欧姆厘米104到106之间，该范围的含义可通过对如图2.5所示的电阻进行测试得到。如果固定体积的金属的电阻率确定，改变电阻的唯一方法是改变金属的形状。而在有半导体特性的材料中，电阻率可以改变，从而在电阻的设计中增加了又一个====度。半导体就是这样的材料，其电阻率的范围可以通过掺杂扩展到10-3到103之间。

半导体材料可以掺杂一些元素以达到一个有用的电阻率范围，材料或者多电子（N型）或者多空穴（P型）。

图2.7显示出掺杂程度与硅的电阻率之间的关系。X轴标为载流子是因为材料中的电子或空穴叫做载流子。注意有两条曲线：N型与P型。这是因为在材料中移动一个电子或空穴所需的能量是不同的。如曲线所示，在硅中要达到指定的电阻率Ｎ型所需掺杂的浓度要比P型小。另一种方法来表示这种现象就是移动一个电子比移动一个空穴的能量要小。

横轴为电阻率，纵轴为载流子浓度，其中P为硼掺杂，N为磷掺杂 图2.7 硅的电阻率与掺杂（载流子）的浓度。

只需0.000001%到0.1%的掺杂物就可以使半导体达到有用电阻率范围。半导体的特性允许在材料中创建出非常精确电阻率的区域。

电子和空穴传导

金属传导的另一个限制就是它只能通过电子的移动来导电。金属永远是N型的。通过掺杂特定的掺杂元素，半导体可以成为N型或者P型。N型和P型半导体可以用电子或者空穴来导电。在了解传导机理之前，了解在半导体结构中====（多余）的电子或空穴的形成是有益的。

为理解N型半导体，如图2.8所示将很少量的砷（As）掺入硅（Si）中。假定即使混合后每一个砷原子也被硅原子所包围。使用2.3.2节的规则，原子试图通过在外层有八个电子来达到稳定，砷原子表现为与其邻近的硅原子共享四个电子。但是，砷来自第五族外层有五个电子，直接的结果是其中的四个与硅中的电子配对，最后一个留下来。这一个可以用来电子传导。

考虑到硅晶体中每立方厘米中有百万个原子，从而也就有很多电子可以用来导电。在硅中，掺杂元素砷，磷和锑会形成N型硅。 对P型材料的理解的方法是相同的。不同之处在于使用来自元素周期表第三族的硼来形成P型硅。当混入硅中，它也与硅原子共享电子。不过，硼只有三个外层

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电子，所以在外层会有一个无电子填充的位置。这个未填充的位置就叫做空穴。

多出的电子

图2.8 用砷来做N型掺杂的硅 空穴

图2.9 用硼来做P型掺杂的硅

在掺杂的半导体材料中有很多的活动：电子和空穴不停地形成。电子会被吸引入未填充的空穴，从而留下一个未填充的位置，也就是另一个空穴。

如图2.10解释了空穴是怎样导电的。当电压加在一段导电或半导电材料上时，负电子就移向电压的正极，就象电池一样。

在P型材料（图2.11），电子会沿t1的方向跃入一个空穴而移向正极。当然当它离开它的位置时，它也留下一个新的空穴。当它继续向正极移动时，它会形成连续的空穴。这种效果对于用电流表来衡量这个过程的人来说就是该材料支持正电流，而实际上它是负电流移向相反的方向。这种现象叫做空穴流（hole flow），是半导体材料所独有的。

图2.10 N型半导体材料中的电子传导 电子方向；空穴方向

图2.11 P型半导体材料中的空穴传导

在半导体材料中形成P型导电的掺杂剂叫做受主（acceptors）。在半导体材料中形成N型导电的掺杂剂叫做授主（donors）。记住这些术语一个简单的方法就是在受主中有一个p而授主中有一个n。

在图2.12中总结了导体，绝缘体和半导体的电特性。在图2.13中总结了掺杂半导体的特性。

使用特定的掺杂元素在锗和化合物半导体中也可形成N型和P型半导体。 [转贴]第二章 半导体材料和工艺化学品---3 by r53858

载流子迁移率

在2.5.6节提到过，在半导体材料中移动一个电子比空穴要容易。在电路中，我们对载流子（空穴和电子）移动所需能量和其移动的速度都感兴趣。移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低。在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素 。

分类 电子 例子 导电率

1．导体 ====移动 金、铜、银 2．绝缘体 无法移动 玻璃、塑料

3．半导体a．本征的 有些可以移动 锗、硅、3到5族元素 B．掺杂的 受控的部分可以移动 N型半导体P型半导体

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图2.12 材料的电分类 N型 P型

1．导电 电子 空穴 2．极性 负 正

3．掺杂术语 授主 受主

4．在硅中掺杂 砷、磷、锑 硼

图2.13 掺杂半导体的性质

半导体产品材料 锗和硅

锗和硅是两种重要的半导体，在最初固态器件时代，第一个晶体管是由锗制造的。但是锗在工艺和器件性能上有问题。它的937摄氏度熔点限制了高温工艺，更重要的是，它表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电。 硅与二氧化硅平面工艺的发展 …… 此处隐藏：3569字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……