一文读懂半导体基础知识

一文读懂半导体基础知识

目录

1.什么是半导体？..................................................................................1

??什么是多晶硅和单晶硅？.........................................................................2

????多晶硅和单晶硅的区别...........................................................................3

3.1.单晶硅......................................................................................3

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

3.3.区别........................................................................................4

3.3.1.外观上面的区别.........................................................................4

3.3.2.使用上面的区别.........................................................................4

3.4.制造工艺的区别..............................................................................4

3.5,单晶与多晶的对比............................................................................4

????怎么让一个小的单晶单独长大呢？................................................................4

????如何改造单晶硅呢？.............................................................................6

????那么，我们常常听的P-N结到底是何方神圣？.....................................................15

????PN结的原理...............................................................................15

????二极管的原理..............................................................................19

??????三极管的原理..............................................................................22

1•什么是半导体？

半导体是这两年国家重点发展的行业，到底什么是半导体？

生活中所有的物体按照导电性大致可分为三类：导体、半导体、绝缘体°这个很好理解，物

体要么导电，要么不导电，要么有一点点导电，正是这种半推半就、不清不楚的物质给物理学家

不同的发挥空间。

太绝对的导电和不导电的物质没什么意思，而在不同情况下导电性发生变化的东西才是有意

思的。

来张图直观看看物体的导电性：

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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-►

按照导电性可分为：

绝缘体：电导率很低，约介于20E・18S/cm〜10E-8S/cm,如熔融石英及玻璃：

导体：电导率较高，介于10E4S/cm〜10E6S/cm,如铝、银等金属。

半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。

自然界中常见的元素半导体有硅、错，据说错基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，

但是硅的天然优势就是便宜！

自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素，你说有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，缺陷也太多，不能直接拿来用，需要对

它进行提炼。

怎么提炼？一个字一一烧！

正如初中化学所学的，进行氧化还原反应。

②SiC+SiO2fsi（固体）+Si0（气体）+C0（气体）

②Si（固体）+体ClSiHCM气体）+电（气体）

③SiHCk（气体）+&（气体）一Si（固体）+3HQ（气体）

经过三次高温化学反应后，我们得到了固体硅，但这时候的硅是多晶硅。

什么是多晶硅和单晶硅？

如同我们剥橘子的时候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一样（晶体

方向），我们要选味道最好的一瓣橘子，选出来让这瓣橘子单独长大！

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Figure11.1b

PhotographcourtesyofTaisilElectronicMaterialsCorp”Taiwan

单晶硅通常指的是硅原子以一种排列形式形成的物质。

硅是最常见应用最广的半导体材料，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶

核，其晶核长成晶面取向相同的晶粒，形成单晶硅。

单晶硅作为一种比较活泼的非金属元素晶体，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展

的前沿。单晶硅材料制造要经过如下过程；石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-

硅片切割。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。

??.多晶硅和单晶硅的区别

3.1.单晶硅

单晶硅具有两种同晶，结晶和无定形。晶体硅进一步分为单晶硅和多晶硅，两者都具有金刚

石晶格。该晶体硬且脆，具有金属光泽，并且是导电的，但导电性不如金属，并且随温度增加，

并且具有半导体特性。

单晶硅是现代科学技术中不可或缺的基础材料，如日常生活中的电子计算机和自动控制系统。

电视，电脑，冰箱，电话，手表和汽车都与单晶硅材料密不可分。单晶硅作为技术应用的流行材

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料之一，已经渗透到人们生活的每个角落。

3.2.多晶硅

多晶硅是元素硅的一种形式。当熔融的元素硅在过冷条件下固化时，硅原子以金刚石晶格形

式排列成多个晶核。如果晶核生长成具有不同晶体取向的晶粒，则晶粒结合并结晶成多晶硅。

多晶硅可以用作拉制单晶硅的原料，多晶硅和单晶硅之间的差异主要表现在物理性质上。例

如，就机械性能，光学性能和热性能的各向异性而言，它比单晶硅更不明显;就电性能而言，多晶

硅晶体的导电性远低于单晶硅，甚至导电性也很差。

3.3.区别

3.3.1.外观上面的区别

单晶硅电池片的四个角呈现圆弧状，表面没有花纹；单晶硅深蓝色，近乎黑色；而多晶硅电

池片的四个角呈现方角，表面有类似冰花一样的花纹，多晶硅天蓝色，颜色鲜艳。

3.3.2.使用上面的区别

对于使用者来说，单晶硅电池和多晶硅电池没有太大的区别，它们的寿命和稳定性都很好。

单晶硅电池平均转换效率要比多晶硅高，但是目前价格比多晶也高。

3.4.制造工艺的区别

多晶电池比单晶电池生产工艺步骤少，因此多晶硅太阳能电池制造过程中消耗的能量要比单

晶硅太阳能电池略少，但是单晶电池组件发电量更高，综合算下来能耗比差别不大。

3.5.单晶与多晶的对比

单晶光伏板应用早于多晶光伏板，现状是多晶硅在电站中的应用远远高于单晶硅，单晶硅占

30%,多晶硅占70%。转化率，单晶效率图于多晶，大概在10%-20%左右。单晶成本稍微贵于

多晶，不同厂家成本不同，市场价格一瓦高五分至一毛钱。衰减度实测数据显示，单晶和多晶各

有千秋，无法单从单晶、多晶角度辨别衰减快慢。相对来说产品质量（密封度、有无杂志、是否

隐裂），对衰减度影响更大。性价比，目前来说多晶性价比略高于单晶，仅仅是目前而已，随着

单晶组件成本的降低，过几年发生逆转也有可能。

??.怎么让一个小的单晶单独长大呢？

物理学家还是很聪明的，发明了一种长单晶的办法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以这名

科学家名字命名的。

行业也有一种直观的称呼，叫提拉法!

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因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔！拔的时候速度有点慢，来看看这个装置:

,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.

图中的这个蓝色的圆棒就是单晶硅，在提拉的时候一边旋转一边往上拔，提拉法长出来的晶

锭就是圆柱体了。

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Figure11.13

PhotographcourtesyofShin-EtsuChemicalCo,Ltd.

再将长好的晶锭采用机械刀片进行切割，切成一片一片的圆盘状，便成了晶圆。

有没有很眼熟？

晶圆就是这样被生产出来了。虽然我们得到了晶圆，此时的单晶硅电化学性能还不行，不能

直接用来做芯片，工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能。

??.如何改造单晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分

别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为共价键(covalentbonding)。

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Co-valent

ASiliconAtom,

Atomicnumber="14

Siliconatomshowina

4electronsinitsouter

valenceshell(m)

SIiconCrystalLattice

每个电子对组成一个共价键，这部分知识初中化学学过。

再来张图片直观看看：

(b)

左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况,

中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

突然有一天，有个物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉

进群会怎样？

物理学家有一天把神兄拉进了群，于是奇迹发生了:

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(a)

碑兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电

子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。

此时的碑原子多提供了一个电子给硅家，因此碑原子被称为施主。

硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。

为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。

同样，物理学家想，既然可以拉电子多的碎元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进

群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

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（b）

由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一

对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴（hole）。

此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词PositiveC正极）的首字母，而硼原

子则被称为受主。

正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了N型半导体和P型半导体。

下图是加入元素硅（最外层5个电子）和元素硼（最外层3个电子）后，形成的P型和N型半导

体。

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Co-valentCo->

AnAntimonyAtom.BondsBe

ABoronAtom

AntimonyatomshowingImpurityAtom；；BoronatomshewingImp

3electronsinitsouter

5electronsinitsouter(Donor)\/Shared(A

valenceshell(o)Electronsvalenceshell(L)

N-Type

Semiconductor

当我们有了单晶硅，并且可以想办法将单晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作为许多器

件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p-n结的制造过程中,

二氧化硅薄膜可用来定义结的区域。来张示意图看看，(a)显示无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧

化步骤，图(b)只显示被氧化晶片的上表层。

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有了P型和N型半导体的理论知识，还可以玩点复杂的，对二氧化硅表面进行改造，改造成

我们想要的图形，比如画只猫，画朵花等…

对晶圆表面进行改造的办法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻机？听说这种设备很牛逼….

不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂设备(spinner),在晶片表面旋涂一层对紫外(UV)光敏感的材料，称为光刻胶

(photoresist)o将晶片从旋涂机拿下之后在80℃^100℃之间烘烤，以驱除光刻胶中的溶剂并硬化

光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。接下来使用UV光源，通过有图案的掩模版对晶片进行曝光。

然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的二氧化硅表面。最后，使用化学溶

剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。看看示意图：

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(c)

hv

(d)

文字说的有点复杂，直观理解有点像刻印章，先在石头上用颜料涂个模型，然后按照模型的

尺寸进行雕刻，基本是这个道理。印章有阳刻和阴刻的区别，晶圆也是这样，根据光刻胶的选取

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不同，也能实现阳刻和阴刻，人们选用的光刻胶称为正胶和负胶。

第13页共23页

D(

光刻后的硅表面暴露于外界中，此时物理学家在这个硅表面通过不同方法加入其它元素，称

为离子注入。

因为注入B或者As离子以后，这些离子加入到硅家以后改变了硅家的传统，硅的电化学性能

发生了改变，此时的半导体叫做非本征(extrinsic)半导体。而由P型半导体和N型半导体接触形成

的结称为p-n结！我们在掺杂完成以后，需要想办法将这个半导体的性能引出，于是将这个半导

体表面金属化，欧姆接触(ohmiccontact)和连线(interconnect)在接着的金属化步骤完成，金属薄

膜可以用PVD或CVD来形成。随着金属化的完成，p-n结就可以工作了！

??.那么，我们常常听的P-N结到底是何方神圣？

??.1.PN结的原理

下面左图是一个P型半导体和一个N型半导体，它们独立存在时对外不显电性。

O^-©

厂二

将它俩拼接在一起，你看看我，我看看你，P家的空穴想去N家串串门，N家的电子也想去P

家看看。

它们分别往对方的阵地走，走着走着它们猛然发现，电子可以掉进空穴里，空穴可以完全接

纳电子，在它们碰到的地方既没有了空穴，也没有了电子(因为复合了)，这个区域称为耗尽区。

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既然中间有了耗尽区，电子也跑不动了，空穴也跑不动了。

我们给这些电子加把力，把它往前推一下会怎么样呢？

怎么推？那就给这个P-N结外加一个电场，有电场就有了电子的流动。

当人们把P型半导体接入正极，N型半导体接入负极时，如下图这样:

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外加电压使P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏;

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。

有人又提出想法，如果把正负极反过来接在PN结上会怎样?

将外加电压使P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏;

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P接负.N接正

变宽

U©G@!®

；Q|30：@；

N

P.：GP@㊉L

!©G®!@!

^-----内电场

1i«o◄----外电场

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。

通过对P-N结施加不同方向的电压，得到：

(1)PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。

(2)PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

因此，PN结的电流电压曲线就像下面这样:

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I(mA)

Figure3.1

OJohnWiley&Sons,Inc.Allrightsreserved.

??.2.二极管的原理

在科学家发明了PN结，并找到PN结的特性以后，就要开始进入实用化阶段了。

在PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。

二极管的构造如下图：

(a)点接触型(b)面接