IntroductiontoMicroelectronicsThirdEdition《微電子概論》（第3版）郝躍賈新章史江一引言：構成集成電路的核心是半導體器件，包括pn結二極管、雙極型晶體管（BJT）、金屬－氧化物－半導體場效應晶體管（MOSFET）和結型場效應晶體管（JFET）等。特別是半導體不同于一般導電材料的三個特點是半導體器件工作的物理基礎：半導體材料中具有電子和空穴兩種載流子；電子和空穴這兩種載流子均存在漂移和擴散兩種電流；半導體中存在非平衡載流子及其相關的載流子產生、復合兩種效應。為了理解半導體器件工作原理，首先必須了解半導體材料的重要物理性質。2.1.1節主要內容：基于普通物理概念理解半導體材料的特性。目錄1.半導體材料2.1.1半導體及其共價鍵結構2.集成電路中常用元素的原子結構4.單晶和多晶3.硅晶體中的共價鍵5.半導體中的兩種載流子1.半導體材料

(1)“半導體”材料的基本特點是導電性介于導體和絕緣體之間。普通物理中按照“電阻率”的大小劃分導體、絕緣體和半導體。材料導體半導體絕緣體電阻率ρ（Ω?cm）＜10-410-4~109＞109典型實例鋁、銅、金硅、鍺、砷化鎵陶瓷、二氧化硅1.半導體材料

(2)半導體導電性的突出特點不僅僅是“半”導體

(a)摻雜性：在半導體中加入微量的其他元素原子（稱為“摻進雜質”，簡稱為“摻雜”），可以在很大范圍內改變半導體的導電能力。即使硅中雜質原子比例只有10-7，導電能力增大20多萬倍。例如：這正是制作各種半導體器件和集成電路的物理基礎。集成電路制造工藝中離子注入、擴散工藝是實現摻雜的重要方法。1.半導體材料

(b)熱敏性：隨著溫度增高，半導體導電能力急劇增強。半導體材料硅在200℃的電阻率比室溫下電阻率減小幾千倍。例如：可制作溫度敏感元件，如熱敏電阻。注意：金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大

(c)光敏性：在外界光照作用下，半導體導電能力會發生很大變化。可制作各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。

(2)半導體導電性的突出特點不僅僅是“半”導體1.半導體材料

(3)半導體材料的類型按照元素組成情況，半導體材料分為元素半導體與化合物半導體材料兩類。常見的元素半導體主要包括硅(Si)、鍺(Ge)等。常見的化合物半導體包括砷化鎵(GaAs)、碳化硅（SiC）、氮化鉀（KN）、氧化鋁(AlGaO)等。為了描述半導體材料在半導體器件中的應用情況和特點，目前將不同半導體材料分為“四代”。1.半導體材料

(3)半導體材料的類型

(a)第一代半導體材料：指晶體管發明早期到1956年平面工藝發明前廣泛采用的“鍺(Ge)”、以及1956年至今在半導體器件與集成電路中仍然廣泛采用的“硅(Si)”。

(b)第二代半導體材料：指1980年代開始用于制造在移動通信、衛星通信中使用的射頻功率器件的化合物半導體材料“砷化鎵（GaAs）”。

(c)第三代半導體材料：指1990年代開始用于制造在軌道交通、電網、微波通信、照明燈領域中大功率器件、微波功率器件、以及LED的“碳化硅(SiC)”和“氮化鎵(GaN)”。1.半導體材料

(3)半導體材料的類型

(d)第四代半導體材料：指“氧化鎵(Ga2O3)”和“銻化物”材料。采用這類材料制造的光電器件以及電力電子器件，性能更強，并且可以工作在苛刻的環境條件中。目前已成為國內外廣泛關注的熱點，尚未達到實用化程度。1.半導體材料

(3)半導體材料的類型上述四代材料劃分主要反映在半導體器件和集成電路中開始使用的時間早晚以及適用的不同領域，并不像通常理解的那樣，前一代材料將會完全被隨后幾代替代。注意：目前集成電路已經發展到3納米技術時代，但是采用的還是第一代半導體材料Si。例如第二代和第三代半導體材料也與第一代材料一樣，仍然在廣泛采用，只是應用領域互不相同。2.集成電路中常用元素的原子結構

(1)半導體材料硅的原子結構復習：化學元素周期表上第幾族原子，表示其最外層就有幾個電子。制造集成電路的材料硅是四族元素原子，最外層有四個電子。集成電路制造中常用的三族元素硼，最外層有三個電子。五族元素磷、砷，最外層有五個電子。Si+142.集成電路中常用元素的原子結構

(2)常用元素原子結構簡單示意圖原子相互作用時，主要是最外層電子起作用，為了分析問題方便起見，通常只描繪其最外層電子。3.硅晶體中的共價鍵晶體中使得原子組成晶體的作用有幾種不同形式。以硅為代表的晶體中原子以共價鍵方式組成晶體。兩個原子之間靠兩個共有價電子構成的共有電子對而連接。硅原子最外層有四個價電子，和四個鄰近的硅原子組成四對共有電子對。硅晶體特點共有電子對稱為“共價鍵”。這種晶體稱為共價晶體。4.單晶和多晶

(a)非晶體：原子無規則排列所組成的材料。

(b)晶體：由原子規則排列所組成的材料。

(c)單晶：在整個晶體內原子都是周期性的規則排列。

(d)多晶：由許多取向不同的小單晶體(又稱為晶粒)組成的材料。半導體硅集成電路的原始材料為單晶體硅，通常稱為單晶硅。在MOS集成電路生產中通常采用多晶硅作為柵電極、互連材料。5.半導體中的兩種載流子導體中導電的載流子只是電子。而半導體導電的特點之一是存在電子和空穴兩種載流子。

(1)熱激發與“空位”純凈的半導體硅，在不受外界作用時實際上與絕緣體類似，價電子幾乎都受到共價鍵束縛，內部自由電子很少，導電價電子沖破共價鍵束縛所需要的最小能量稱為“激活能”。與絕緣體的差別是，半導體中的激活能比絕緣體小得多。室溫下，共價鍵中有少量價電子具有較高熱運動能量，能夠沖破共價鍵的束縛，成為一個“自由電子”。同時在該共價鍵上留下了一個電子“空位”。5.半導體中的兩種載流子

(2)“空穴”的概念-共價鍵中“空位”的等效表示熱激發使共價鍵上一個電子被激發成為自由電子，離開了共價鍵，使共價鍵少了一個單位負電荷(-q)，等效為空位帶一個正電荷(+q)。相鄰共價鍵上的電子出現在這個空位上，在鄰近的價鍵上就形成了一個新的空位。其效果相當于空位移動到了其附近的價鍵。在有外加電場作用時，其他價鍵中價電子將逆著電場方向來依次填補空位，其效果相當于帶單位正電荷(+q)的空位沿著電場方向運動。這種運動是定向運動，就能形成電流，對導電有所貢獻。結論：從效果考慮，空位運動相當于一個帶單位正電荷(+q)的“粒子”的運動，這個“粒子”就稱為“空穴（Hole）”5.半導體中的兩種載流子

(3)半導體中的載流子（Carrier）