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1、电子材料与工艺电子材料与工艺授课教师：刘向春 电话：13891801847 电邮：1参考书：微电子材料与器件制备技术，王秀峰/伍媛婷 著，化学工业出版社，2008半导体集成电路制造技术，张亚非，高等教育出版社，2006微电子材料与制程，陈力俊 著，复旦大学出版社，2005记笔记记笔记课堂纪律课堂纪律迟到、早退、旷课、交头接耳、吃东西迟到、早退、旷课、交头接耳、吃东西关闭电话铃声关闭电话铃声平时成绩作业考试成绩最终成绩平时成绩作业考试成绩最终成绩平时成绩课堂表现点名平时成绩课堂表现点名平时成绩平时成绩30% 、作业占、作业占20% ，期末综合考试占，期末综合考试占50%。23第一章 绪 论456
2、o材材料料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。o电电子子材材料料是指在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、某些金属材料、高分子材料以及其他相关材料，其中最重要的是半导体材料最重要的是半导体材料。7o微电子材料微电子材料o单单晶晶：主要指单晶半导体，用作衬底、作用区、及P-N结、芯片基材等；o陶陶瓷瓷：包括介电材料、压电及铁电材料、磁性材料等，主要用作电阻、电容、电感及封装基板材料。也包括一些化合物半导体。o金属金属：主要用作导线及封装材料。o高分子高分子：主要用作光刻胶材料及封装。
3、o薄薄膜膜：包括半导体薄膜及绝缘体薄膜。用作外延膜、绝缘膜等。8o制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶硅薄片，称为硅硅片片。硅片生产的半导体产品又被称为芯片或微芯片芯片或微芯片。o芯片被制造并被封装到各种电子和机械的装配件中。芯片占整台计算机成本的3040%；在每一部手机中芯片的成本约为l00美元；每辆汽车含有近乎价值140美元的芯片，使得汽车变得更加智能化。一、半导体产业91.1 半导体o电信号处理工业始于上个世纪初的真空管，真空管使得收音机、电视机和其他电子产品成为可能。它也是世界上第一台计算机的大脑。o真空管的缺点是体积大、功耗大，寿命短、工作温度低、电性能差。当时这些问题成为许多科学
4、家寻找真空管替代品的动力，这个努力在1947年 12月23日得以实现。也 就是第一只Ge合金管的 诞生。1011p微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管）问世，50年代中期出现了硅平面工艺，此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟， 使微电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。p回顾发展历史，微电子技术的发展不外乎包括四个方面：制造工艺、电路设计、材料制备和自动测试，而这四个又是相互相成，互相促进，共同发展。 12o50年代随着硅平面制造工艺的出现，很快就出现了用硅材料制造的晶体管。o由于硅材料(熔点温度1
5、415)的制造温度和硅晶体管的工工作作温温度度都都优优于于锗锗(熔点温度937) ，加之SiO2的的天天然然生生成成使得硅晶体管很快取代了Ge晶体管。131.2 固态器件o固固态态器器件件不仅是指晶体管，还包括电阻器和电容器。o微电子学主要研究半导体器件物理与固体物理，电子材料与固体电子器件，超大规模集成电路（ ULSI ）的设计与制造技术，微电子系统与微机械以及计算机辅助设计制造等o微电子与固体电子学二级学科o微电子与固态电子学清华o成都电子科技大学微电子与固体电子学院，材料科学与工程专业141.3 集成电路在半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上，被称为集成电路或简
6、称集成电路或简称IC。最早的集成电路仅是几个晶体管、二极管、电容器、电阻器组成，而且是在锗材料上实现的，它是由仙童半导体公司的罗伯特诺伊斯和德州仪器公司的杰克基比尔于1959年分别独自发明的。在一块集成电路的硅表面上可以制造许多不同的半导体器件，他们被连成一个有确定芯片功能的电路。151.4 工艺和产品趋势o工工艺艺的的改改进进是指以更更小小尺尺寸寸来制造器件和电路，并使之具有更高高的的密度密度，更多的更多的数量数量和更高的更高的可靠性可靠性。o尺寸和数量尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。o芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸特征尺寸，是IC工艺先进水平的主要指标。o特别值得注意的是芯片上的最最
7、小小特特征征尺尺寸寸，也称为关关键键尺尺寸寸或CD，将将此此定定义义为为制制造造复复杂杂性性水水平平的的标标准准。例如，如果芯片上的最小尺寸是0.18m ，那么这个尺寸就是 CD 。o多年来，器件的 CD 一直在缩小， 20 世纪 50 年代初期的 CD 大约是 125m ，目前是 90nm 或更小。oGordon Moore在1964年预言IC的密度每隔1824个月将翻一番，-摩尔定律摩尔定律。o特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是：信信号号传传输输距距离离的的缩缩短和电路速度的提高，芯片或电路功耗更小短和电路速度的提高，芯片或电路功耗更小。161718半导体器件的制作仅发生在接近硅片
8、表面的几微米。在工艺加工过程中，硅片厚度提供硅片足够的强度。一旦器件在硅片上制作完毕，硅片上的金属线路层将作为器件和芯片外边的各种电信号之间的连接。现代集成电路的互连概念和材料非常类似于1957年仙童半导体公司第一商品化的原始平面晶体管。主要差别是今天的芯片更加复杂。 19o半导体工业半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块。o目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯片。1.5半导体工业的构成半导体工业的构成201.6 1.
9、6 器件制造器件制造o半导体器件制造分半导体器件制造分4 4个不同阶段个不同阶段： 1.材料准备 2.晶体生长与晶圆准备 3.芯片制造（设计、材料） 4.封装（技术和材料）21第一步 材料准备o将硅从沙中提炼并纯化。22第二步晶体生长与晶圆准备o将纯化的硅经过特殊工艺（晶体生长）产生适当直径的硅锭，然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片（晶圆）。23第三步 芯片制造，拣选，测试o裸露的硅片在芯片制造厂经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工成具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。o制造完成后的硅片被送到测试拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试。然后拣选出合格的和不合格的芯片，并为有缺
10、陷的芯片做标记，通过测试的芯片将继续进行以后的工艺。24第四步 封装o装配和封装步骤，把单个芯片包装在一个保护管壳内。o硅片的背面进行研磨，以减少衬底的厚度。一片厚的塑料膜被贴在每个硅片的背面，然后在正面沿着划片线用带金刚石尖的锯刃将硅片上的每个芯片分开。在装配厂，合格的芯片被压焊或抽空形成装配包。稍后，再将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。最终的实际封装形式随芯片类型及其应用场合而定。o为确保芯片的功能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境特性参数的要求。25芯片制造芯片制造涉及5个大的制造阶段（见图）：硅片准备硅片制造硅片测试/拣选装配与封装终测26o半导体器件制造的工艺原
11、理半导体器件制造的工艺原理27o外延片外延片：晶体管的集电极击穿电压和饱和压降等参数对原始材料的要求是矛盾的，前者希望原始材料的电阻率高些，后者则希望低些，为了解决这个矛盾，可在低电阻率的硅片上外延生长一层电阻率较高的硅单晶。低电阻率的硅片可降低集电极本体串联电阻，高电阻率的外延层可提高集电极的击穿电压。o氧化氧化：平面工艺利用的是选择扩散，在硅片上预备制作器件的地方扩散适当的杂质，其他地方则用适当薄膜掩蔽起来，不让杂质往硅片内扩散。在硅片上通过适当的方法生长一层二氧化硅，即可达到上述目的。在需要扩散杂质的地方用腐蚀剂腐蚀出窗口，其他地方的二氧化硅 即可阻止磷、硼等杂质通过。28o制版，光刻制
12、版，光刻：要在二氧化硅薄膜内开出窗口，需要经过一个比较复杂的过程。从原理上说，“制版”的过程就相当于普通照相中制作底片的过程，平面工艺中所用的“版”相当于一般的底片，光刻的过程则相当于普通照相中用底片在相纸上印出照片的过程，涂复了光致抗蚀剂的硅片即相当于“相纸”，与普通照相不同之处在于，底版上的图形十分精密（20世纪80年代，光刻技术极限分辨率为0.5m，现在达32nm）。o硼扩散硼扩散：扩散硼作为晶体管基区掺杂之用。o氧化氧化：改善钝化作用。o光刻光刻：在二氧化硅上刻出扩散发射区的窗口。o磷扩散磷扩散：扩散磷，作为发射区掺杂之用。o氧化氧化：进一步改善钝化作用。2930o光刻：刻出发射极和基
13、极电极接触区。o蒸发铝蒸发铝：在真空中于高温下把铝蒸发到硅片表面上铝蒸发到硅片表面上。o光刻：刻蚀掉铝电极以外的其他铝膜。o划片划片：有时一个硅片上同时制作许多管芯，这步工序就用金刚刀或刀片将各个管芯分开各个管芯分开。o烧结烧结：用适当合金（如金锑合金）将管芯的背面烧焊烧焊在管壳底盘上（在氢气中进行）。o键合键合：键合就是用铝丝或金丝把发射极和基极电极连接到外引键合就是用铝丝或金丝把发射极和基极电极连接到外引线线。o封装封装：封装就是把管芯密封把管芯密封在适当的管壳内。管壳的形状和质量对器件性能的影响很大，如散热能力，引线电感，寄生电容等。31o测试测试：经过上述各道工序后，器件的电性能究竟是
14、否满足要求，只有通过电性能的测试才能鉴别出来。通常要测量电流放大系数、击穿电压、反电流放大系数、击穿电压、反向饱和电流向饱和电流等。如果是高频低噪声晶体管，还须测量噪声系数、截止频率；如果是开关晶体管还须测量开关时间、正向压降、饱和压降；如果是高频功率晶体管，还须测量输出功率、截止频率、功率增益等。32333435二、微电子材料简介二、微电子材料简介o微电子工业发展非常迅速，影响发展的困素很多，但材料科材料科学与工程的发展扮演极其重要的角色学与工程的发展扮演极其重要的角色。o集成电路中各种工艺步骤及其质量、成本等无一不与材料息息相关。o目前微电子技术所采用的材料主要有：硅（包括单晶硅和多晶硅）
15、二氧化硅、陶瓷、某些高分子化合物铝和铝、硅的化合物o决定材科性质的参数材科性质的参数主要包括介电常教介电常教 、载流子的迁移率载流子的迁移率 、载流子的饱和速度载流子的饱和速度vs、击穿电场强度击穿电场强度Ec、热导率热导率K36o根据物质的导电性质导电性质，将它们分为良导体(电阻率10-6m)，绝缘体(电阻率10121022m)，介于这两者之间的半导体三大类。o半导体材料半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。o半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。半导体材料是半导体工业的基础，它的
16、发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料半导体材料37导电性导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。38TR半导体金属绝缘体电阻温度系数39电子激发能隙电子激发能隙导体：Eg 0 例如： Eg (Cu) 0 eV 绝缘体： Eg 3 eV 例如： Eg (SiO2)=8.0 eV半导体： 0 Eg 3 eV 例如： Eg (Si) =1.12 eV半导体金刚石 ( Eg 6 eV )氮化镓GaN ( Eg 3.5 eV )硫化锌 ZnS ( Eg 3.5 eV )4041整流效应整流效应42光电导效应光电导效应光照变化引起半导体材
17、料电导变化的现象称光光电导效效应利用光敏效应可制成光敏电阻，不同波长的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只对应于一定的光谱才具有这种效应。对紫外光较灵敏的光敏电阻称紫外光敏紫外光敏电阻阻，如硫化镉和硒化镉光敏电阻，用于探测紫外线。对可见光灵敏的光敏电阻称可可见光光敏光光敏电阻阻，如硒化铊、硫化铊，硫化铋及锗、硅光敏电阻，用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗，光电计算器，光电控制照明，自动安全保护等。对红外线敏感的光敏电阻称红外光敏外光敏电阻阻，如硫化铅，碲化铅、硒化铅等，用于夜间或淡雾中探测能够辐射红外线目标，红外通信，导弹制导等。43o半导体的主要特征主要特征是：负的温度系数电阻率大体
18、在 10-3108m范围禁带宽度0 Eg 3 eV 具有整流效应对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应44 金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种差异可用它们的能带来作定性解释。人们发现，电电子子在在最最高能带的占有率决定此固体的导电性高能带的占有率决定此固体的导电性。 价带价带导带导带填满的价带空导带部分填满的导带Eg Eg =9eV金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性45金属：金属： 价带导带部分填满的导带 金属导体的电阻很低，其导带不是部部分分填填满满 如如铜铜(Cu)(Cu)就就是是与与价价带带重重叠叠 如如锌锌(Zn)(Zn)或或铅铅(
19、 (PbPb)，所以根本没没有有禁带存在禁带存在，如图所示。 因此,部分填满的导带最高处的电子或价带顶部的电子在获得动能时(如从一外加电场)，可移动到下一个较高能级。对金属而言，因为接近占满电子的能态处尚有许多未被占据的能态，因此只要有一个小小的外加电场，电子就可自由移动，故金属导体可以轻易传导电流。 金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性46填满的价带空导带Eg =9eV绝缘体：绝缘体： 绝缘体如二氧化硅(SiO2)，其价带电子在邻近原子间形成很强的共价键。这些键很难打断，因此在室温或接近室温时，并无自由电子参与传导。如图所示。绝缘体的特征是有很大的禁带宽度
20、。在图中可以发现电子完全占满价带中的能级，而导带中的能级则是空的。热能或外加电场能量并不足以使价带顶端的电子激发到导带。因此，虽然绝缘体的导带有许多空的能态可以接受电子，但实际上几乎没有电子可以占据导带上的能态，对电导的贡献很小，造成很大的电阻。因此无法传导电流。金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性47价带导带Eg 半导体：半导体： 半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，且易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响，其禁带宽度较小，如图所示。在T0K时，所有电子都位于价带，而导带中并无电子，因此半导体在低低温温时时是是不不良良导导体体。在室温及正常气压下，硅
21、的Eg值为1.12eV，而砷化镓为1.42eV。因此在室温下，有些电子可以从价带激发到导带。因为导带中有许多未被占据的能态，故只要小量的外加能量，就可以轻易移动这些电子，产生可观的电流。 金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性48按功能和应用分按功能和应用分微电子半导体微电子半导体光电半导体光电半导体热电半导体热电半导体气敏半导体气敏半导体 半导体材料的分类半导体材料的分类49按组成分：按组成分：无机半导体：元素、化合物无机半导体：元素、化合物有机半导体有机半导体按结构分按结构分:晶体：单晶体、多晶体晶体：单晶体、多晶体非晶、无定形非晶、无定形半导体材料的分类
22、半导体材料的分类50o半导体材料按半导体材料按化学成分和内部结构化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。，大致可分为以下几类。o元素半导体元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等有锗、硅、硒、硼、碲、锑等，硅已成为应用最多的硅已成为应用最多的一种一种半半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。o化合物半导体化合物半导体由由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化铟铟、锑化、锑化铟铟、碳化硅、硫化镉、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中及镓砷
23、硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电路的重要材料砷化镓是制造微波器件和集成电路的重要材料。碳。碳化硅由于其化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域，在航天技术领域有着广泛的应用。有着广泛的应用。o无定形半导体材料无定形半导体材料玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧氧化物玻璃和非氧化物玻璃化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性开关和记忆特性和很强的抗辐射能力和很强的抗辐射能力，主要用来制造，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示阈值开关、记忆开关和固体
24、显示器件器件。o有机半导体材料有机半导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。半导体材料的分类半导体材料的分类51o硅、硅、锗都是由单一原子所组成的元素锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第半导体，均为周期表第IV族元素。族元素。o20世纪世纪50年代初期，锗曾是最主要的年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；半导体材料；60年代初期以后，硅已年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。取代锗成为半导体制造的主要材料。o硅的优
25、势：硅的优势：硅器件在硅器件在室温下有较佳的室温下有较佳的特性特性；硅氧化层硅氧化层是一种很好的绝缘材是一种很好的绝缘材料和钝化层，高品质的硅氧化层可由料和钝化层，高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；热生长的方式产生，成本低；熔点高，熔点高，1415；工作温度高；硅含量占地表；工作温度高；硅含量占地表的的25%，仅次于氧，仅次于氧，储量丰富储量丰富。o锗的缺点：锗的缺点：熔点低熔点低，937；表面缺表面缺少自然氧化而形成的氧化膜少自然氧化而形成的氧化膜，从而容，从而容易漏电。易漏电。o硅的其他优点硅的其他优点：机械强度高机械强度高p元素元素(elements)(elements)半导
26、体半导体5253GeSeSiCBTePSbAs元素半导体SISn熔点太高、熔点太高、不易制成不易制成单晶单晶不稳定、不稳定、易挥发易挥发低温某低温某种固相种固相稀稀少少元素半导体元素半导体54o类别：类别：o二元化合物半导体：由两种元素组成。二元化合物半导体：由两种元素组成。o三元化合物半导体：由三种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。o多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。o二元化合物半导体：二元化合物半导体：oIVIV族元素化合物半导体：族元素化合物半导体：炭化硅（炭化硅（SiC）；oIII-V族元素化合物半导体：族元素化合物半导体：砷化镓
27、（砷化镓（GaAs）、磷化镓（磷化镓（GaP）、）、磷磷化铟（化铟（InAs）等；等；oII-VI族元素化合物半导体：族元素化合物半导体：氧化锌（氧化锌（ZnO）、硫化锌（硫化锌（ZnS）、）、碲化碲化镉（镉（CdTe）等；等；oIV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、）、硒化铅（硒化铅（PbSe）、）、碲碲化铅（化铅（PbTe） p化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料55n化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料56n化合物半导体化合物半导体其中用的最多的是其中用的最多的是砷化镓（砷化镓（
28、GaAs）、磷砷化）、磷砷化镓（镓（GaAsP）等。主要用来制作等。主要用来制作发光二极管和微波器件发光二极管和微波器件。砷化镓的分子式为砷化镓的分子式为GaAs，分子量是，分子量是144.64。是典型无机化合物半。是典型无机化合物半导体。暗灰色金属状的晶体，熔点导体。暗灰色金属状的晶体，熔点1238。能隙。能隙(energygap)1.4eV。其单晶的制法是先熔化材料，将结晶往上拉，制成含杂质。其单晶的制法是先熔化材料，将结晶往上拉，制成含杂质浓度浓度1015/cm3左右晶体，再以浮区法加以精制。左右晶体，再以浮区法加以精制。磷化镓的分子式为磷化镓的分子式为GaP，熔点高达，熔点高达1525
29、，其磷成分容易蒸发，其磷成分容易蒸发，不易获得单晶，直到高压熔化拉升法的开发，才可得到单晶晶体。不易获得单晶，直到高压熔化拉升法的开发，才可得到单晶晶体。磷砷化镓是砷化镓和磷化镓的合成物，其磷和砷为五价元素，镓磷砷化镓是砷化镓和磷化镓的合成物，其磷和砷为五价元素，镓是三价元素，所以是三价元素，所以GaAsxP1-x表示砷和磷的原子数加起来等于镓的表示砷和磷的原子数加起来等于镓的原子数。原子数。57n化合物半导体的特点特点1.载流子的迁移率比硅高迁移率比硅高，这种特性使得在通信系统中比Si器件更快的响应高频微波并有效地把它们转变为电流。2.抗辐射能力强抗辐射能力强。3.制造成本较成本较Si大大，
30、而且没有天然的氧化物。n化合物半导体的优势与不足优势与不足1.许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs)，主要用于高速光电器件。2.与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。3.化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。58化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶
31、体半导体 59过过渡渡金金属属氧氧化化物物半半导导体体：有有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等。等。尖尖晶晶石石型型化化合合物物（磁磁性性半半导导体体）：主主要要有有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。等。稀稀土土氧氧、硫硫、硒硒、碲碲化化合合物物：有有EuO、EuS、EuSe、EuTe 等。等。60o目前用于制造微电子器件的半导体材料有：元素半导体（Si、Ge） 化合物半导体（GaAs、InSb）p按所含杂质分：本征半导体本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9，最高13个9）。掺杂半导体掺杂半
32、导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。61硅的电阻率与掺杂（载流子）浓度的关系62l半导体的结构特点：半导体的结构特点：半导体材料是单晶体，它在三维空间是周期性地排列着的。即使当原子热振动时，仍以其中心位置作微量振动。l晶格晶格(lattice)：晶体中原子的周期性排列称为晶格。晶体结构晶体结构63l单胞单胞(unitcell)：周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此单胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。 晶体结构晶体结构64单胞及其表示：l右图是一个简单的三维空间单胞。l晶格常数：单胞与晶格的关系
33、可用三个向量a a、b b及c c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格参数晶格参数。l每个三维空间晶体中的等效格点可用下面的向量组表示：Rma + nb+pc 其中m、n及p是整数。 晶体结构晶体结构65几种常见基本晶胞：l简单立方晶格(simple cubic,sc)：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。l体心立方晶格(body-centered,bcc)：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(so
34、dium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxz基本晶体结构基本晶体结构66l面心立方晶格(face-centered cubic, fcc):除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。z基本晶体结构基本晶体结构67l金金刚刚石石晶晶格格结结构构：此此结结构构属属于于面面心心立立方方晶晶体体家家族族。硅硅和和锗锗都都是是金金刚刚石石晶格结构晶格结构。l闪闪锌锌矿矿结结构构( (zincblendelattice) )
35、：大大部部分分的的III-V族族化化合合物物半半导导体体( (如如GaAs) )具具有有闪闪锌锌矿矿结结构构，它它与与金金刚刚石石晶晶格格的的结结构构类类似似，只只是是两两个个相相互互套套构构的的面面心心立立方方副副晶晶格格中中的的组组成成原原子子不不同同，其其中中一一个个副副晶晶格格为为III族族原原子子( (Ga) )，另一个副晶格为另一个副晶格为V族原子族原子( (As) )。基本晶体结构基本晶体结构68图1.3 (a)金刚石结构的晶胞 (b)面心立方697071由由于于不不同同平平面面的的原原子子空空间间不不同同。因因此此沿沿着着不不同同平平面面的的晶晶体体特特性性并并不不同同，且且电
36、电特性及其他器件特性与晶体方向特性及其他器件特性与晶体方向有着重要的关联。有着重要的关联。密密勒勒指指数数(Millerindices)：是是界界定定一一晶晶体体中中不不同同平平面面的的简简单单方方法法。这这些些指指数数可由下列步骤确定：可由下列步骤确定：找出平面在三坐标轴上的截距值找出平面在三坐标轴上的截距值(以晶格常数为计量单位以晶格常数为计量单位)；取这三个截距值的倒数，并将其化简成最简单整数比；取这三个截距值的倒数，并将其化简成最简单整数比；将此结果以将此结果以“(hkl)”表示，即为单一平面的密勒指数。表示，即为单一平面的密勒指数。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO
37、(110)yxzaaaO(111)yxz基本晶体结构基本晶体结构72X轴：轴：2ap=2h=1/23Y轴：轴：3bq=3k=1/32Z轴：轴：6cr=6l=1/61（321）o米勒指数：表示晶面在空间位置的符号称为晶面符号。73关于密勒指数的一些其他规定：关于密勒指数的一些其他规定：l()：代表在代表在x轴上截距为负的平面，如轴上截距为负的平面，如lhkl：代代表表相相对对称称的的平平面面群群，如如在在立立方方对对称称平平面面中中，可可用用100表示表示(100)，(010)，(001)，六个平面。六个平面。lhkl：代代表表一一晶晶体体的的方方向向，如如100方方向向定定义义为为垂垂直直于于
38、(100)平平面面的的方方向向，即即表表示示x轴轴方方向向。而而111则则表表示示垂垂直直于于(111)平平面面的的方方向。向。基本晶体结构基本晶体结构 图1.7 晶向的表示 74 图1.8 晶面族 图1.9 晶面的截距7576l在在金金刚刚石石晶晶格格中中，每每个个原原子子被被四四个个最最邻邻近近的的原原子子所所包包围围。右右下下图图是是其其二二维维空空间间结结构简图。构简图。l每每个个原原子子在在外外围围轨轨道道有有四四个个电电子子，分分别别与与周周围围4个个原原子子共共用用4对对电电子子。这这种种共共用用电电子子对对的的结结构构称称为为共共价价键键(covalentbonding)。每个
39、电子对组成一个共价键。每个电子对组成一个共价键。l共共价价键键产产生生在在两两个个相相同同元元素素的的原原子子间间，或或具具有有相相似似外外层层电电子子结结构构的的不不同同元元素素原原子子之之间间，每每个个原原子子核核拥拥有有每每个个电电子子的的时时间间相相同。同。l然然而而这这些些电电子子大大部部分分的的时时间间是是存存在在两两个个原原子子核核间间。原原子子核核对对电电子子的的吸吸引引力力使使得得两两个原子结合在一起。个原子结合在一起。 44444半导体的共价键结合半导体的共价键结合77l砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存存在在微微量量离离子子键键成分，即Ga离子
40、邻近As离子间的静电吸引力。l以电子观来看，这表示每每对对共共价价键键电电子子存存在在于于As原原子子的的时时间比在间比在Ga原子中稍长原子中稍长。 4Ga4Ga4Ga4Ga-4As半导体的共价键结合半导体的共价键结合78p本征半导体本征半导体本本本本征征征征半半半半导导导导体体体体是一种纯净的半导体晶体。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。半导体硅和锗都是4价元素，其原子结构如图1.1(a),(b)所示。 图1.1半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 79图1.2单晶硅的共价键结构本征半导体晶体结构示意图如图。可见，各原子间整齐而有规则地排列着，使
41、使每每个个原原子子的的4 4个个价价电电子子不不仅仅受受所所属属原原子子核核的的吸吸引引，而而且且还还受受相相邻邻4 4个个原原子子核核的的吸吸引引，每一个价电子都为相邻原子核所共用，形成了稳定的共价键结构。每个原子核最外层等效有8个价电子，由于价价电电子子不不易易挣挣脱脱原原子子核核束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，因因此此，本征半导体导电能力较差本征半导体导电能力较差。80但是，如果能从从外外界界获获得得一一定定的的能能量量（如光照、温升等），有些价电子就会挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚而成为自自由由电电子子，在共价键中留留下下一一个个 “空空穴穴”。空穴的出现使相邻原子的价电子离开
42、它所在的共价键来填补这个空穴，同时，这个共价键又产生了一个新的空穴。这个空穴也会被相邻的价电子填补而产生新的空穴，这种电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在运动，并把把空空穴穴看看成成一一种种带带正正电电荷荷的的载载流流子子。空穴越多，半导体的载流子数目就越多，因此形成的电流就越大。818283在本征半导体中，空穴与电子是成成对对出出现现的，称为电电子子空空穴穴对对。其自由电子和空穴数目总是相等的。本征半导体在温度升高时产生电子空穴对的现象称为本本本本征征征征激激激激发发发发。温度越高，产生的电子空穴对数目就越多，这就是半导体的热敏性热敏性热敏性热敏性。在在半半导导体体中中存存在在着着自自由
43、由电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子，而而导导体体中中只只有有自自由由电电子子这这一一种种载载流流子子，这这是是半半导导体与导体的不同之处体与导体的不同之处。 84非非非非本本本本征征征征半半半半导导导导体体体体：当半导体被掺入杂质时，半导体变成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。也称杂质半导体。施施主主(donor)：一个硅原子被一个带有5个价电子的砷原子所取代（或替补）。此砷原子与4个邻近硅原子形成共价键，而其第第5个个电电子子有有相相当当小小的的束束缚缚能能，能能在在适适当当温温度度下下被被电电离离成成传传导导电电子子。通常我们说此电子被施给了导带。砷原子因此被称为施
44、施主主。由由于于带带负电载流子增加，硅变成负电载流子增加，硅变成n型型。4Si4Si4Si4Si4Si5As4Si4Si4Si导电电子p非本征半导体非本征半导体85N型掺杂中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这型掺杂中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N N型半导体型半导体型半导体型半导体，其中其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子子。自由电子自由电子多数载流子（简称多子）多数载流子（简称多子）空空穴穴少数载流子（简称少子）少
45、数载流子（简称少子）86受受主主(acceptor)：当一个带有3个价电子的硼原子取代硅原子时，需要接受一个额外的电子，以在硼原子四周形成4个共价键，也因而在价带中形成一个带正电的空穴（hole）。此即为p p型型型型半半半半导导导导体体体体，而硼原子则被称为受主受主。4Si4Si4Si4Si4Si3B4Si4Si4Si空穴87 图1.4 N型半导体的共价键结构综上所述，综上所述，在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改
46、变半导体导电性能的有效方法对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。在P型半导体中，原来的晶体仍会产生电子空穴对，由于杂质的掺入，使得空空穴穴数数目目远远大大于于自自由由电电子子数数目目，成为多数载流子(简称多子)，而自由电子则为少数载流子(简称少子)。因而P型半导体以空穴导电空穴导电为主。 88电子和空穴传导电子和空穴传导用砷来做N型掺杂的硅用硼来做P型掺杂的硅89N型半导体的杂质能级型半导体的杂质能级表表2.1锗、硅晶体中施主杂质的电离能锗、硅晶体中施主杂质的电离能(eV) 杂质晶体 磷砷锑锗0.0126
47、0.01270.0096硅0.0440.0490.03990 平衡载流子浓度平衡载流子浓度P型半导体的杂质能级型半导体的杂质能级9192无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。93掺杂半导体的特性掺杂半导体的特性94p右图为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p0)。p因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直直接接带带隙隙半半
48、导体。导体。 直接带隙半导体：直接带隙半导体：直接带隙半导体：直接带隙半导体：能量/eV直接带隙和间接带隙半导体直接带隙和间接带隙半导体95p对硅而言，其动量-能量曲线中价带顶部发生在p0时，但导带的最低处则发生在沿100方向的ppC。p因此，当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换(Eg),也需要动量转换(pC)。这类半导体称为间接带隙半导体间接带隙半导体。p直接与间接禁带结构的差差差差异异异异在发光二极管与激光等应用中相当重要。这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子。间接带隙半导体：间接带隙半导体：间接带隙半导体：间接带隙半导体：能量能量/eV直接带隙和间接带隙半导体直接带
49、隙和间接带隙半导体969798p了解半导体工业的发展。p了解芯片制造的过程，微电子材料主要种类。p掌握半导体材料的概念，分类，应用及主要特征。p什么是特征尺寸？p硅为什么会取代锗成为半导体工业的主导？pN型半导体材料、P型半导体材料及本征半导体材料的导电类型有何不同？p直接带隙和间接带隙半导体有何不同？在具体应用中有何差异？99100101102103二二.半导体器件半导体器件半导体器件是用半导体材料制成的电子器半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种场效应晶体管等。半导体器件是构成各种
50、电子电路最基本的元件。电子电路最基本的元件。1041.PN结的形成结的形成u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结结。105P-N 结制作方法将杂质掺入半导体方法有两种，一种称为合金法，另一种称为将杂质掺入半导体方法有两种，一种称为合金法，另一种称为扩散法。合金法是将一个含有所需杂质的小球扩散法。合金法是将一个含有所需杂质的小球(如铝球如铝球)放在半导放在半导体晶片上体晶片上(如如N型硅片型硅片)，在真空中将它们一起加热到小球熔化，在真空中将它们一起加热到小球熔化，杂质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球下面就杂
51、质即以合金的形式掺入到半导体晶片内，冷却后，小球下面就形成了一个与半导体晶片导电类型相反的形成了一个与半导体晶片导电类型相反的(如如P型型)区域，得到了区域，得到了所需的所需的P-N结。用合金法制得的结。用合金法制得的P-N结称为合金结。在理想的合结称为合金结。在理想的合金结中，金结中，N区的施主及区的施主及P区的受主都是均匀分布的，在区的受主都是均匀分布的，在N区和区和P区区的交界处发生突变。因此理想化的合金结被称作突变结。扩散法的交界处发生突变。因此理想化的合金结被称作突变结。扩散法是将半导体晶片暴露于高浓度杂质是将半导体晶片暴露于高浓度杂质(杂质的类型与晶片原有的杂杂质的类型与晶片原有的
52、杂质类型是相反的质类型是相反的)，在高温下，形成，在高温下，形成P-N结。扩散法能精确控制结结。扩散法能精确控制结的位置，其杂质分布是缓娈的，扩散结亦称缓变的位置，其杂质分布是缓娈的，扩散结亦称缓变(渐变渐变)结。结。106自建场: 由于P型半导体中空穴多，而N型半导体中电子多。在P-N结处电子由N区扩散到P区，空穴由P区扩散到N区。在P区与N区的分界面两边形成了一定厚度的空间电荷层。 P区一侧带负电，N区一侧带正电，空间电荷区内形成一个电场，称为自建场。自建场的方向是从N区指向P区，自建场的出现引起载流子产生漂移运动，这个漂移运动引起漂移电流。漂移电流是从N区指向P区的。而扩散电流是从P区指
53、向N区的，即载流子作漂移运动的运动方向与扩散运动的方向相反。 107自建电场起着阻止载流子扩散运动的作用。当自建电场起着阻止载流子扩散运动的作用。当自建场达到一定强度后，会使通过自建场达到一定强度后，会使通过P-N结的净结的净电流为电流为0，电荷不再积累，自建场不再增强，达，电荷不再积累，自建场不再增强，达到了平衡状态。这时自建场使得到了平衡状态。这时自建场使得P区与区与N区之间区之间产生电势差，称为接触电势差，记为产生电势差，称为接触电势差，记为VD。可以。可以推出，接触电势差为推出，接触电势差为P区与区与N区费米能级之差除区费米能级之差除以电子电量，即以电子电量，即108 多子扩散 形成空
54、间电荷区产生内电场 少子漂移促使促使阻止阻止 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结109u外加正向电压（也叫正向偏置）u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通导通导通导通状态。2.PN结的单向导电性结的单向导电性110u外加反向电压（也叫反向偏置）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流 IR，因为是少子漂移运动产生的， IR很小，这时称PN结处于截止截止截止截止状态。综综上上所所述述，PN结结正正向向偏偏置置时时，正正向向电电
55、流流很很大大；PN结结反反向向偏偏置置时时，反反向向电电流流很很小小，这这就就是是PN结结的单向导电性。的单向导电性。 111半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线（1 1）正向特性）正向特性）正向特性）正向特性外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（2 2）反向特性）反向特性）反向特性）反向特性112理想二极管理想二极管理想二极管
56、理想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。开路特性，反向漏电流忽略不计。1133.半导体二极管类型半导体二极管类型(1)半导体二极管的结构半导体二极管的结构半半导导体体二二极极管管又又称称晶晶体体二二极极管管，简简称称二二极极管管。二二极极管管按按其其结结构构的的不不同同可可以以分分为为点点接接触触型型和和面面接接触触型两类。型两类。点点接接触触型型二二极极管管的的结结构构，如如图图1.7（a）所所示示。这这类类管管子子的的P
57、N结结面面积积和和极极间间电电容容均均很很小小，不不能能承承受受高高的的反反向向电电压压和和大大电电流流，因因而而适适用用于于制制做做高高频频检检波波和和脉脉冲冲数数字字电电路路里里的的开开关关元元件件，以以及及作作为为小小电电流流的的整整流管。流管。114图图1.7半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号（a）点接触型结构点接触型结构;（b）面接触型结构面接触型结构;115图图1.7半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号（c）集成电路中的平面型结构集成电路中的平面型结构;（d）图形符号）图形符号面接触型二极管或称面结型二极管，其结构如图面接触型二极管或称面结型二极管，其结构
58、如图1.7（b）所示。这种二极管的）所示。这种二极管的PN结面积大，可承受较结面积大，可承受较大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜大的电流，其极间电容大，因而适用于整流，而不宜用于高频电路中。图用于高频电路中。图1.7（c）所示是硅工艺平面型二）所示是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。116 2.特殊二极管特殊二极管 特特殊殊用用途途的的二二极极管管在在电电子子设设备备中中早早已已得得到到广广泛泛的的应应用用，这这里简单介绍几种特殊用途的二极管。里简单介绍几种特殊用途的二极管。(1).稳压二极管稳压二极管稳稳压压二二极极
59、管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线、图图形形符符号号及及稳稳压压管管电电路路如如图图.所所示示，它它的的正正向向特特性性曲曲线线与与普普通通二二极极管管相相似似，而而反反向向击击穿穿特特性性曲曲线线很很陡陡。在在正正常常情情况况下下稳稳压压管管工工作作在在反反向向击击穿穿区区，由由于于曲曲线线很很陡陡，反反向向电电流流在在很很大大范范围围内内变变化化时时，端端电电压压变变化化很很小小，因因而而具具有有稳稳压压作作用用。图图中中的的UB表表示示反反向向击击穿穿电电压压，当当电电流流的的增增量量IZ很很大大时时，只只引引起起很很小小的的电电压压变变化化UZ。只只要要反反向向电电流流不不超超过过其其最
60、最大大稳稳定定电电流流，就就不不会会形形成成破破坏坏性性的的热热击击穿穿。因因此此，在在电电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。117图图1.10稳压管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路稳压管的伏安特性曲线、图形符号及稳压管电路（a）伏安特性曲线伏安特性曲线;（b）图形符号图形符号;（c）稳压管电路稳压管电路118(2)光电二极管光电二极管光光电电二二极极管管的的结结构构与与普普通通二二极极管管的的结结构构基基本本相相同同，只只是是在在它它的的结结处处，通通过过管管壳壳上上的的一一个个玻玻璃璃窗窗口口能能接接收收外外部部的的光光照照。光
61、光电电二二极极管管的的结结在在反反向向偏偏置置状状态态下下运运行行，其其反反向向电电流流随随光光照照强强度度的的增增加加而而上上升升。图图.（）是是光光电电二二极极管管的的图图形形符符号号，图图（）是是它它的的等等效效电电路路，而而图图（）是是它它的的特特性性曲曲线线。光光电电二二极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。极管的主要特点是其反向电流与光照度成正比。119图图1.11光电二极管光电二极管（）图形符号（）图形符号;（）等效电路（）等效电路;（）特性曲线（）特性曲线120 (3) 发光二极管 发光二极管是一种能把电能转换成光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而
62、且当给管子施加正向偏压时，管子还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。图1.12（a）所示为发光二极管的图形符号。 121 图1.12 发光二极管（a）图形符号; （b）光电传输系统122 发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件。发光二极管的另一个重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。图1.12（b）所示为发光二极管发射电路通过光缆驱动的光电二极管电路。在发射端，一个0V的脉冲信号通过500的电阻
63、作用于发光二极管（LED），这个驱动电路可使LED产生一数字光信号，并作用于光缆。由LED发出的光约有20%耦合到光缆。在接收端，传送的光中，约有80%耦合到光电二极管，以致在接收电路的输出端复原为0V电压的脉冲信号。123(4)变容二极管变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管，其图形符号如图1.13（a）所示，图（b）是某种变容二极管的特性曲线。124图图1.13变容二极管变容二极管（a）图形符号图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）1
64、254.半导体三极管半导体三极管 半导体三极管根据其结构和工作原理的不同可以分为双极型和单极型半导体三极管。双极型半导体三极管（简称BJT），又称为双极型晶体三极管或三极管、晶体管等。之所以称为双极型管，是因为它由空穴和自由电子两种载流子参与导电。而单极型半导体三极管只有一种载流子导电。126 (1)半导体三极管的结构和类型半导体三极管的结构和类型 三三极极管管的的构构成成是是在在一一块块半半导导体体上上用用掺掺入入不不同同杂杂质质的的方方法法制制成成两两个个紧紧挨挨着着的的PN结结，并并引引出出三三个个电电极极，如如图图1.14所所示示。三三极极管管有有三三个个区区：发发射射区区发发射射载载
65、流流子子的的区区域域；基基区区载载流流子子传传输输的的区区域域；集集电电区区收收集集载载流流子子的的区区域域。各各区区引引出出的的电电极极依依次次为为发发射射极极（极极）、基基极极（极极）和和集集电电极极（极极）。发发射射区区和和基基区区在在交交界界处处形形成成发发射射结结；基基区区和和集集电电区区在在交交界界处处形形成成集集电电结结。根根据据半半导导体体各各区区的的类类型型不不同同，三三极极管管可可分分为为NPN型型和和PNP型两大类，如图型两大类，如图1.14（a）、（）、（b）所示。所示。目目前前NPN型型管管多多数数为为硅硅管管，PNP型型管管多多数数为为锗锗管管。因因硅硅NPN型型三
66、三极极管管应应用用最最为为广广泛泛，故故本本书书以以硅硅NPN型型三三极极管管为为例例来来分分析析三极管及其放大电路的工作原理三极管及其放大电路的工作原理。 127 图1.14 三极管的组成与符号 （a）NPN型; （b）PNP型128图图1.14三极管的组成与符号三极管的组成与符号（a）NPN型型;（b）PNP型型129为为使使三三极极管管具具有有电电流流放放大大作作用用，在在制制造造过过程程中中必必须须满足实现放大的内部结构条件，即：满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发发射射区区掺掺杂杂浓浓度度远远大大于于基基区区的的掺掺杂杂浓浓度度，以以便便于于有足够的载流子供有足够的载流子供“发射
67、发射”。（2）基基区区很很薄薄，掺掺杂杂浓浓度度很很低低，以以减减少少载载流流子子在在基基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集集电电区区比比发发射射区区体体积积大大且且掺掺杂杂少少，以以利利于于收收集集载流子。载流子。由由此此可可见见，三三极极管管并并非非两两个个PN结结的的简简单单组组合合，不不能能用用两两个个二二极极管管来来代代替替；在在放放大大电电路路中中也也不不可可将将发发射射极极和和集电极对调使用。集电极对调使用。130131132133134135萌萌芽芽期期成长期成长期成熟期成熟期衰退期2.2半导体的发展半导体的
68、发展1361874年年F.Braun金属半导体接触金属半导体接触氧化铜、硒氧化铜、硒整流器、曝光计整流器、曝光计1879年年Hall效应效应1948年年Shockley，Bardeen,Brattain锗晶体管锗晶体管(transistor)点接触式的点接触式的硅硅检波器检波器1940187019301950萌萌芽芽期期硅硅晶体晶体管管137第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管(transistor)成为现代电子成为现代电子工业的基础工业的基础Ge晶体管晶体管获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1381955年德国西门子年德国西门子氢还原三氯硅烷法氢还原三氯硅烷法制得高纯硅制得高纯
69、硅1950年年G.K.Teel直拉法直拉法较大的锗单晶较大的锗单晶1952年年G.K.Teel直拉法直拉法第一根硅单晶第一根硅单晶1957年年第一颗砷化镓第一颗砷化镓单晶诞生单晶诞生19601950进进入入成成长长期期1952年年H.Welker发现发现-族化族化合物合物1958年年W.C.Dash无位错硅无位错硅单晶单晶1391963年年用液相外延法生长用液相外延法生长砷化镓外延层，砷化镓外延层，半导体激光器半导体激光器1963年砷化镓年砷化镓微波振荡效应微波振荡效应19701960硅外延硅外延技术技术1965年年J.B.Mullin发发明氧化硼液封明氧化硼液封直拉法砷化镓直拉法砷化镓单晶单晶140分子束外延分子束外延MBE金属有机化学汽相沉积金属有机化学汽相沉积MOCVD半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料杂质工程杂质工程能带工程能带工程电学特性和光学特性可裁剪电学特性和光学特性可裁剪141
