1.1-固体物理导论-半导体物理

1947年12月23日，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人捷足先登，合作发明了晶体管晶体管是半导体做的固体电子元件中央处理器(CPU)是现代社会飞速运转的动力源泉，在任何电子设备上都可以找到微芯片的身影处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工光刻胶(PhotoResist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平光刻：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。离子注入(IonImplantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时

清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。单个内核：从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Corei7的核心.封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。处理器：至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Corei7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。

晶格——晶体中原子排列的具体形式1.简单立方晶格

——原子球在一个平面内呈现为正方排列

——平面的原子层叠加起来得到简单立方格子原子、原子间距不同，但有相同排列规则，这些原子构成的晶体具有相同的晶格____如Cu和Ag；Ge和Si等等用圆点表示原子的位置——得到简单立方晶格结构2.体心立方晶格

体心立方晶格结构

原子球排列形式

体心立方原子球排列方式表示为ABABAB……体心立方晶格中，A层中原子球的距离等于A－A层之间的距离，A层原子球的间隙——

——原子球的半径——体心立方晶格结构的金属Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等——全同小圆球平铺在平面上，任一个球都与6个球相切。每三个相切的球的中心构成一等边三角形每个球的周围有6个空隙这样构成一层——A层第二层是同样的铺排——B层第三层是同样的铺排——C层3六角密排B层原子球排列A层原子球排列C层原子球排列之一——六角密排晶格C层原子球排列原子球排列为：ABABAB……六角密排晶格结构晶体Be、Mg、Zn、CdC层原子球排列之二——面心立方晶格4.面心立方晶格B层原子球排列C层原子球排列原子球排列——ABCABCABC……——层的垂直方向是对称性为3的轴，是立方体的空间对角线面心立方晶格结构晶体Cu、Ag、Au、Al5.金刚石晶格结构

——碳原子构成的一个面心立方原胞内还有四个原子，分别位于四个空间对角线的1／4处——金刚石结构的半导体晶体Ge、Si等——一个碳原子和其它四个碳原子构成一个正四面体6.几种化合物晶体的晶格

1)NaCl晶体的结构

氯化钠由Na+和Cl－结合而成——一种典型的离子晶体Na+构成面心立方格子；Cl－也构成面心立方格子2)CsCl晶体的结构

CsCl结构——由两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间对角线位移1／2的长度套构而成3)ZnS晶体的结构——闪锌矿结构立方系的硫化锌——具有金刚石类似的结构化合物半导体——锑化铟、砷化镓、磷化铟4.晶格周期性的描述——布拉伐格子

§1.2晶格的周期性

1.晶格周期性的描述——原胞和基矢原胞——一个晶格中最小重复单元基矢——原胞的边矢量——三维晶格的重复单元是平行六面体——重复单元的边长矢量单胞——为了反映晶格的对称性，常取最小重复单元的几倍作为重复单元单胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期

——代表单胞三个边的矢量称为单胞的基矢单胞基矢一些情况下，单胞就是原胞一些情况下，单胞不是原胞简单立方晶格—单胞是原胞面心立方晶格—单胞不是原胞面心立方晶格原胞基矢原胞的体积单胞基矢单胞的体积1)简单立方晶格

——原胞为简单立方晶格的立方单元基矢原胞体积——原胞中只包含一个原子2.简单晶格

——由完全等价的一种原子构成的晶格2)面心立方晶格

立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢——原胞中只包含一个原子基矢原胞体积3)体心立方晶格由立方体的中心到三个顶点引三个基矢——原胞中只包含一个原子基矢原胞体积3.复式晶格

——复式格子包含两种或两种以上的等价原子1)不同原子或离子构成的晶体NaCl

、

CsCl

、ZnS等

2)相同原子但几何位置不等价的原子构成的晶体金刚石结构的C、Si、Ge六角密排结构Be、Mg、Zn3)复式格子的特点：不同等价原子各自构成相同的简单晶格（子晶格），复式格子由它们的子晶格相套而成NaCl晶格——Na+和Cl－各有一个相同的面心立方晶格

——CsCl结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方体空间对角线位移1／2的长度套构而成CsCl的复式晶格立方系的ZnS——S和Zn分别组成面心立方结构的子晶格沿空间对角线位移1／4的长度套构而成ZnS的复式晶格复式晶格：任一原子A的位矢原胞中各种等价原子之间的相对位移——金刚石晶格对角线位移——碳1位置——碳2位置可以用表示一个空间格子——一组l1，l2，l3的取值可以囊括所有的格点——布拉伐格子由确定的空间格子简单晶格——基元是一个原子复式晶格——基元是一个以上原子§1.3晶向晶面和它们的标志

布拉伐格子的特点——所有格点周围的情况都是一样的——在布拉伐格子中作一簇平行的直线，这些平行直线可以将所有的格点包括无遗——晶体的晶列平行直线——晶列——在一个平面里，相邻晶列之间的距离相等——每一簇晶列定义了一个方向——晶向

晶向的标志取某一原子为原点O，原胞的三个基矢——沿晶向到最近的一个格点的位矢——一组整数晶向指数——对于单胞，也有类似的晶向指数带轴——一些特殊晶列晶向指数晶向指数

简单立方晶格的晶向标志

立方边OA的晶向立方边共有6个不同的晶向面对角线OB的晶向——面对角线晶向共有12个

体对角线OC的晶向体对角线晶向共有8个——由于立方晶格的对称性，以上3组晶向是等效的，表示为

晶面的标志

晶体的晶面——在布拉伐格子中作一簇平行的平面，这些相互平行、等间距的平面可以将所有的格点包括无遗——这些相互平行的平面称为晶体的晶面同一个格子，两组不同的晶面族取某一原子为原点O，原胞的三个基矢为坐标系的三个轴______不一定相互正交——晶格中一族的晶面不仅平行，并且等距——一族晶面必包含了所有格点而无遗漏——在三个基矢末端的格点必分别落在该族的不同晶面上——最靠近原点的晶面在坐标轴上的截距的倒数是晶面族中