一文讀懂半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

一文讀懂半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

目錄

1.什么是半導(dǎo)體？..................................................................................1

??什么是多晶硅和單晶硅？.........................................................................2

????多晶硅和單晶硅的區(qū)別...........................................................................3

3.1.單晶硅......................................................................................3

3.2.多晶硅......................................................................................4

3.3.區(qū)別........................................................................................4

3.3.1.外觀上面的區(qū)別.........................................................................4

3.3.2.使用上面的區(qū)別.........................................................................4

3.4.制造工藝的區(qū)別..............................................................................4

3.5,單晶與多晶的對(duì)比............................................................................4

????怎么讓一個(gè)小的單晶單獨(dú)長大呢？................................................................4

????如何改造單晶硅呢？.............................................................................6

????那么，我們常常聽的P-N結(jié)到底是何方神圣？.....................................................15

????PN結(jié)的原理...............................................................................15

????二極管的原理..............................................................................19

??????三極管的原理..............................................................................22

1?什么是半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體是這兩年國家重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)，到底什么是半導(dǎo)體？

生活中所有的物體按照導(dǎo)電性大致可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體°這個(gè)很好理解，物

體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，要么有一點(diǎn)點(diǎn)導(dǎo)電，正是這種半推半就、不清不楚的物質(zhì)給物理學(xué)家

不同的發(fā)揮空間。

太絕對(duì)的導(dǎo)電和不導(dǎo)電的物質(zhì)沒什么意思，而在不同情況下導(dǎo)電性發(fā)生變化的東西才是有意

思的。

來張圖直觀看看物體的導(dǎo)電性：

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Resistivityp（￡2-cm）

IO18IO16IO14IO12IO10108106IO4IO211O-2IO-4IO-610~8

-1I'I'I'I1I1I1I1I'I'I'I'I'-

Germanium（Ge）Silver

■Glass----------------------------e

.NickeloxideSilicon（Si）Copper

（pure）

DiamondGalliumarsenide（GaAs）Aluminum

?（pure）

Galliumphosphide（GaP）Platinum

?Sulfur-------------------------------------------------?

FusedCadmiumsulfide（CdS）Bismuth

.quar一tz---------------------------■

?I?I?I?I?I?I?I,I.I,I,I,I,

2468

10-1810-1610-1410-1210-1010-810-610-41Q-21IQIO1010

Conductivityo（S/cm）

----------------Insulator--------------------?-----------------Semiconductor------------------?-Conductor-?

按照導(dǎo)電性可分為：

絕緣體：電導(dǎo)率很低，約介于20E?18S/cm?10E-8S/cm,如熔融石英及玻璃：

導(dǎo)體：電導(dǎo)率較高，介于10E4S/cm?10E6S/cm,如鋁、銀等金屬。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。

自然界中常見的元素半導(dǎo)體有硅、錯(cuò)，據(jù)說錯(cuò)基半導(dǎo)體比硅基半導(dǎo)體還要更早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，

但是硅的天然優(yōu)勢(shì)就是便宜！

自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素，你說有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對(duì)

它進(jìn)行提煉。

怎么提煉？一個(gè)字一一燒！

正如初中化學(xué)所學(xué)的，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

②SiC+SiO2fsi（固體）+Si0（氣體）+C0（氣體）

②Si（固體）+體ClSiHCM氣體）+電（氣體）

③SiHCk（氣體）+&（氣體）一Si（固體）+3HQ（氣體）

經(jīng)過三次高溫化學(xué)反應(yīng)后，我們得到了固體硅，但這時(shí)候的硅是多晶硅。

什么是多晶硅和單晶硅？

如同我們剝橘子的時(shí)候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體

方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨(dú)長大！

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Figure11.1b

PhotographcourtesyofTaisilElectronicMaterialsCorp”Taiwan

單晶硅通常指的是硅原子以一種排列形式形成的物質(zhì)。

硅是最常見應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格排列成晶

核，其晶核長成晶面取向相同的晶粒，形成單晶硅。

單晶硅作為一種比較活潑的非金屬元素晶體，是晶體材料的重要組成部分，處于新材料發(fā)展

的前沿。單晶硅材料制造要經(jīng)過如下過程；石英砂-冶金級(jí)硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-

硅片切割。其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。

??.多晶硅和單晶硅的區(qū)別

3.1.單晶硅

單晶硅具有兩種同晶，結(jié)晶和無定形。晶體硅進(jìn)一步分為單晶硅和多晶硅，兩者都具有金剛

石晶格。該晶體硬且脆，具有金屬光澤，并且是導(dǎo)電的，但導(dǎo)電性不如金屬，并且隨溫度增加，

并且具有半導(dǎo)體特性。

單晶硅是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可或缺的基礎(chǔ)材料，如日常生活中的電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

電視，電腦，冰箱，電話，手表和汽車都與單晶硅材料密不可分。單晶硅作為技術(shù)應(yīng)用的流行材

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料之一，已經(jīng)滲透到人們生活的每個(gè)角落。

3.2.多晶硅

多晶硅是元素硅的一種形式。當(dāng)熔融的元素硅在過冷條件下固化時(shí)，硅原子以金剛石晶格形

式排列成多個(gè)晶核。如果晶核生長成具有不同晶體取向的晶粒，則晶粒結(jié)合并結(jié)晶成多晶硅。

多晶硅可以用作拉制單晶硅的原料，多晶硅和單晶硅之間的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)上。例

如，就機(jī)械性能，光學(xué)性能和熱性能的各向異性而言，它比單晶硅更不明顯;就電性能而言，多晶

硅晶體的導(dǎo)電性遠(yuǎn)低于單晶硅，甚至導(dǎo)電性也很差。

3.3.區(qū)別

3.3.1.外觀上面的區(qū)別

單晶硅電池片的四個(gè)角呈現(xiàn)圓弧狀，表面沒有花紋；單晶硅深藍(lán)色，近乎黑色；而多晶硅電

池片的四個(gè)角呈現(xiàn)方角，表面有類似冰花一樣的花紋，多晶硅天藍(lán)色，顏色鮮艷。

3.3.2.使用上面的區(qū)別

對(duì)于使用者來說，單晶硅電池和多晶硅電池沒有太大的區(qū)別，它們的壽命和穩(wěn)定性都很好。

單晶硅電池平均轉(zhuǎn)換效率要比多晶硅高，但是目前價(jià)格比多晶也高。

3.4.制造工藝的區(qū)別

多晶電池比單晶電池生產(chǎn)工藝步驟少，因此多晶硅太陽能電池制造過程中消耗的能量要比單

晶硅太陽能電池略少，但是單晶電池組件發(fā)電量更高，綜合算下來能耗比差別不大。

3.5.單晶與多晶的對(duì)比

單晶光伏板應(yīng)用早于多晶光伏板，現(xiàn)狀是多晶硅在電站中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單晶硅，單晶硅占

30%,多晶硅占70%。轉(zhuǎn)化率，單晶效率圖于多晶，大概在10%-20%左右。單晶成本稍微貴于

多晶，不同廠家成本不同，市場(chǎng)價(jià)格一瓦高五分至一毛錢。衰減度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，單晶和多晶各

有千秋，無法單從單晶、多晶角度辨別衰減快慢。相對(duì)來說產(chǎn)品質(zhì)量（密封度、有無雜志、是否

隱裂），對(duì)衰減度影響更大。性價(jià)比，目前來說多晶性價(jià)比略高于單晶，僅僅是目前而已，隨著

單晶組件成本的降低，過幾年發(fā)生逆轉(zhuǎn)也有可能。

??.怎么讓一個(gè)小的單晶單獨(dú)長大呢？

物理學(xué)家還是很聰明的，發(fā)明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名

科學(xué)家名字命名的。

行業(yè)也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!

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因?yàn)樵陂L單晶時(shí)就是把小的晶體往上拔！拔的時(shí)候速度有點(diǎn)慢，來看看這個(gè)裝置:

,MCCW

Qi〉

Seal

FrontopeningArgon

door

Frontopening

chamber

Seedshaft

Seedholder

Vacuumpump

Seed

ValveOpticalsystem

ViewingportArgon

Silicacrucible

[Si]Graphitesusceptor

Graphiteheater

Thermalshield

Vacuumpump

CrucibleshaftCWAr+SiO+CO

Figure11.1a

?JohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.

圖中的這個(gè)藍(lán)色的圓棒就是單晶硅，在提拉的時(shí)候一邊旋轉(zhuǎn)一邊往上拔，提拉法長出來的晶

錠就是圓柱體了。

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Figure11.13

PhotographcourtesyofShin-EtsuChemicalCo,Ltd.

再將長好的晶錠采用機(jī)械刀片進(jìn)行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。

有沒有很眼熟？

晶圓就是這樣被生產(chǎn)出來了。雖然我們得到了晶圓，此時(shí)的單晶硅電化學(xué)性能還不行，不能

直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶硅的電化學(xué)性能。

??.如何改造單晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個(gè)電子，分

別與周圍4個(gè)原子共用4對(duì)電子，這種共用電子對(duì)的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵(covalentbonding)。

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Co-valent

ASiliconAtom,

Atomicnumber="14

Siliconatomshowina

4electronsinitsouter

valenceshell(m)

SIiconCrystalLattice

每個(gè)電子對(duì)組成一個(gè)共價(jià)鍵，這部分知識(shí)初中化學(xué)學(xué)過。

再來張圖片直觀看看：

(b)

左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況,

中間一個(gè)硅原子和四個(gè)硅兄弟共用電子。

突然有一天，有個(gè)物理學(xué)家想到一個(gè)問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉

進(jìn)群會(huì)怎樣？

物理學(xué)家有一天把神兄拉進(jìn)了群，于是奇跡發(fā)生了:

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(a)

碑兄弟最外層有5個(gè)電子，其中4個(gè)電子找到了硅家的對(duì)象，另外一個(gè)電子單著了，這個(gè)電

子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導(dǎo)電性。

此時(shí)的碑原子多提供了一個(gè)電子給硅家，因此碑原子被稱為施主。

硅家的自由電子多了以后，帶負(fù)電的載流子增加，硅變成n型半導(dǎo)體。

為啥叫N型？在英文里Negative代表負(fù)，取這個(gè)單詞的第一個(gè)字母，就是N。

同樣，物理學(xué)家想，既然可以拉電子多的碎元素進(jìn)群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進(jìn)

群？于是物理學(xué)家把硼原子拉進(jìn)來試試。

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（b）

由于硼原子最外層只有3個(gè)電子，比硅少一個(gè)，于是本來2對(duì)電子的共價(jià)鍵現(xiàn)在成了只有一

對(duì)電子，多了一個(gè)空位，成了帶正電的空穴（hole）。

此時(shí)的硅基半導(dǎo)體被稱為p型半導(dǎo)體，同樣P來自英文單詞PositiveC正極）的首字母，而硼原

子則被稱為受主。

正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

下圖是加入元素硅（最外層5個(gè)電子）和元素硼（最外層3個(gè)電子）后，形成的P型和N型半導(dǎo)

體。

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Co-valentCo->

AnAntimonyAtom.BondsBe

ABoronAtom

AntimonyatomshowingImpurityAtom；；BoronatomshewingImp

3electronsinitsouter

5electronsinitsouter(Donor)\/Shared(A

valenceshell(o)Electronsvalenceshell(L)

N-Type

Semiconductor

當(dāng)我們有了單晶硅，并且可以想辦法將單晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作為許多器

件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴(kuò)散或離子注入的阻擋層。如在p-n結(jié)的制造過程中,

二氧化硅薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的硅晶片，正準(zhǔn)備進(jìn)行氧

化步驟，圖(b)只顯示被氧化晶片的上表層。

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有了P型和N型半導(dǎo)體的理論知識(shí)，還可以玩點(diǎn)復(fù)雜的，對(duì)二氧化硅表面進(jìn)行改造，改造成

我們想要的圖形，比如畫只貓，畫朵花等…

對(duì)晶圓表面進(jìn)行改造的辦法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻機(jī)？聽說這種設(shè)備很牛逼….

不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂設(shè)備(spinner),在晶片表面旋涂一層對(duì)紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠

(photoresist)o將晶片從旋涂機(jī)拿下之后在80℃^100℃之間烘烤，以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化

光刻膠，加強(qiáng)光刻膠與晶片的附著力。接下來使用UV光源，通過有圖案的掩模版對(duì)晶片進(jìn)行曝光。

然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護(hù)的二氧化硅表面。最后，使用化學(xué)溶

劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠?？纯词疽鈭D：

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(c)

hv

(d)

文字說的有點(diǎn)復(fù)雜，直觀理解有點(diǎn)像刻印章，先在石頭上用顏料涂個(gè)模型，然后按照模型的

尺寸進(jìn)行雕刻，基本是這個(gè)道理。印章有陽刻和陰刻的區(qū)別，晶圓也是這樣，根據(jù)光刻膠的選取

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不同，也能實(shí)現(xiàn)陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負(fù)膠。

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D(

光刻后的硅表面暴露于外界中，此時(shí)物理學(xué)家在這個(gè)硅表面通過不同方法加入其它元素，稱

為離子注入。

因?yàn)樽⑷隑或者As離子以后，這些離子加入到硅家以后改變了硅家的傳統(tǒng)，硅的電化學(xué)性能

發(fā)生了改變，此時(shí)的半導(dǎo)體叫做非本征(extrinsic)半導(dǎo)體。而由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸形成

的結(jié)稱為p-n結(jié)！我們?cè)趽诫s完成以后，需要想辦法將這個(gè)半導(dǎo)體的性能引出，于是將這個(gè)半導(dǎo)

體表面金屬化，歐姆接觸(ohmiccontact)和連線(interconnect)在接著的金屬化步驟完成，金屬薄

膜可以用PVD或CVD來形成。隨著金屬化的完成，p-n結(jié)就可以工作了！

??.那么，我們常常聽的P-N結(jié)到底是何方神圣？

??.1.PN結(jié)的原理

下面左圖是一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體，它們獨(dú)立存在時(shí)對(duì)外不顯電性。

O^-?

廠二

將它倆拼接在一起，你看看我，我看看你，P家的空穴想去N家串串門，N家的電子也想去P

家看看。

它們分別往對(duì)方的陣地走，走著走著它們猛然發(fā)現(xiàn)，電子可以掉進(jìn)空穴里，空穴可以完全接

納電子，在它們碰到的地方既沒有了空穴，也沒有了電子(因?yàn)閺?fù)合了)，這個(gè)區(qū)域稱為耗盡區(qū)。

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既然中間有了耗盡區(qū)，電子也跑不動(dòng)了，空穴也跑不動(dòng)了。

我們給這些電子加把力，把它往前推一下會(huì)怎么樣呢？

怎么推？那就給這個(gè)P-N結(jié)外加一個(gè)電場(chǎng)，有電場(chǎng)就有了電子的流動(dòng)。

當(dāng)人們把P型半導(dǎo)體接入正極，N型半導(dǎo)體接入負(fù)極時(shí)，如下圖這樣:

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外加電壓使P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏;

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

有人又提出想法，如果把正負(fù)極反過來接在PN結(jié)上會(huì)怎樣?

將外加電壓使P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏;

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P接負(fù).N接正

變寬

U?G@!?

；Q|30：@；

N

P.：GP@十L

!?G?!@!

^-----內(nèi)電場(chǎng)

1i?o?----外電場(chǎng)

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

通過對(duì)P-N結(jié)施加不同方向的電壓，得到：

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流，PN結(jié)導(dǎo)通。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

因此，PN結(jié)的電流電壓曲線就像下面這樣:

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I(mA)

Figure3.1

OJohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.

??.2.二極管的原理

在科學(xué)家發(fā)明了PN結(jié)，并找到PN結(jié)的特性以后，就要開始進(jìn)入實(shí)用化階段了。

在PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。

二極管的構(gòu)造如下圖：

(a)點(diǎn)接觸型(b)面接