第2章 集成电路基础

2.1 半导体基础物理

2.1.1 半导体特性

半导体具有许多独特的物理性质，这与半导体中电子的状态及其运动特点有密切关系。为了研究和利用半导体的这些物理性质，必须要了解半导体单晶材料中的电子状态及其运动规律。

1.半导体的结构及导电特性

重要的半导体材料硅、锗等元素的原子的最外层都具有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合。这种结构的特点是：每个原子周围都有四个最近邻的原子组成一个如图2-1所示的正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度，通过它们对原子的引力把两个原子结合在一起，这就是共价键。这样，每个原子和周围四个原子组成四个共价键。

在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。

半导体电阻率介于导体和绝缘体之间，并具有以下特性：

（1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有着广泛的应用价值。

（2）杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14 ×107 Ω·m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻率就会降至20Ω·m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。

（3）光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。由于半导体的这种性质，因此成为自动控制中的一个重要元件。

（4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。

2.掺杂半导体的导电性

半导体的导电性可以通过掺入微量的杂质（简称“掺杂”）来控制，这是半导体能够制成各种器件，从而获得广泛应用的一个重要原因。因此，了解掺杂半导体的导电性就成为学习和应用半导体的首要问题。

目前主要的半导体材料大部分是共价键晶体。硅、锗等半导体就是最典型的共价键晶体。以硅为例，在硅原子中有14个电子围绕原子核运动，每个电子带电 -q，原子核带正电+14q，整个原子呈电中性。在14个电子中，有四个电子处于最外层，如图2-2所示。

最外层电子决定硅的物理化学性质，被称为价电子。在硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。图2-3所示形象地说明了硅原子靠共价键结合成晶体的平面示意图。

如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子。这时在原来的共价键上就留下了一个缺位，因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个缺位，从而使缺位转移到邻键上去，所以，缺位也是可以移动的。这种可以自由移动的缺位被称为空穴。半导体就是靠电子和空穴的移动来导电的。因此，电子和空穴被称为载流子。

常温下硅的导电性能主要由杂质决定。例如，硅中掺有V族元素杂质（磷P，砷As，锑Sb，铋Bi），这些V族杂质替代了一部分硅原子的位置，如图2-4所示，因为它们外层有5个价电子，其中4个与周围硅原子形成共价键，多余的一个电子就成了可以导电的自由电子。所以一个V族杂质原子，可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质叫施主杂质，当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。

另外一种情况是硅中掺有Ⅲ族元素杂质（硼B、铝Al，镓Ga、铟In），这些Ⅲ族杂质原子在晶体中也是替代一部分硅原子的位置，如图2-5所示，但是因为它们外层仅有3个价电子，在与周围硅原子形成共价键时，产生一个缺位，这个缺位就要接受一个电子而向晶体提供一个空穴。所以，一个Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供1个空穴，而本身接受了一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质叫受主杂质，当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种主要靠空穴导电的半导体称为P型半导体。

事实上，一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质。当施主杂质数量超过受主杂质时，半导体就是N型的；反之，受主杂质数量超过施主杂质，则是P型的。

2.1.2 PN结

在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。PN结是很多半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析这些器件的基础。

PN结具有单向导电性，这是PN结最基本的性质之一。所谓单向导电性就是当PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，PN结能通过较大电流，并且电流随着电压的增加很快的增加，称PN结处于正向，反之，如果P区接电源负极，N区接正极，则电流很小，而且电压增加时电流趋于“饱和”，称PN结处于反向，也就是说，PN结正向导电性能很好（正向电阻小）；反向导电性能差（反向电阻大），这就是PN结单向导电性的含义。这种单向导电性可以用PN结的电流-电压关系表示，如图2-6所示（I代表电流，V代表电压）。

1.平衡PN结

在分析PN结导电性能时，我们必须牢牢抓住载流子漂移运动和扩散运动这一对矛盾，正是因为在不同条件下载流子漂移运动和扩散运动的相互转化，才形成PN结导电性能的一系列特点。由于N型半导体中电子是多子、空穴是少子，而在P型半导体中空六是多子、电子是少子，因此在N型和P型半导体的交界面处存在有电子和空穴浓度梯度。N区中的电子要向P区扩散；P区中的空穴要向N区扩散，N区中的电子向P区扩散，在N区就剩下带正电的电离施主，形成一个带正电荷的区域，同样，由于P区空穴向N区扩散，P区剩下带负电的电离受主，形成一个带负电荷的区域。这样，在N区和P区交界面的两侧形成了带正、负电荷的区域，叫做空间电荷区，又叫势垒区，如图2-7所示。空间电荷区中的正负电荷间形成电场，电场方向由N区指向P区，这个电场称为自建电场。自建电场一方面推动带负电的电子沿电场的相反方向做漂移运动，即由P区向N区运动，另一方面又推动带正电的空穴沿电场方向做漂移运动，即由N区向P区运动。由此可以看到，在空间电荷区内，自建电场引起电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向正好相反。随着扩散的进行，空间电荷数量不断增加，自建电场越来越强，直到载流子的漂移运动和扩散起动相抵时，即大小相等、方向相反，才达到动态平衡，这就是平衡PN结。

2.PN结的正向注入

平衡PN结中，载流子的扩散运动和漂移运动处于相对平衡状态，空间电荷区存在自建电场。当PN结加有正向偏压时，如图2-8所示，外加电压的方向与自建场的方向相反，使空间电荷区中的电场减弱，这样就打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，使载流子的扩散运动超过漂移运动，扩散运动成为矛盾的主要方面。在这种情况下，将源源不断地有电子从N区扩散到P区，有空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子，这种现象常称为PN结的正向注入。

势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的P区和N区中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加正向偏压基本降落在势垒区。正向偏压在势垒区中产生了与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明空间电荷相应减少，故势垒区的宽度也减小。

3.PN结的反向抽取

当PN结外加反向偏压时，如图2-9所示，外电场的方向与自建场的方向相同，增强了空间电荷区中的电场，载流子的漂移运动超过了扩散运动，漂移运动成为了矛盾的主要方面。这时N区中的空穴一旦到达空间电荷区边界，就要被电场拉向P区，P区中的电子一旦到达空间电荷区的边界，也要被电场拉向N区，我们常称这种现象为反向抽取。它们构成了PN结的反向电流，方向是由N区流向P区。

反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区也变宽，空间电荷数量变多。

根据上面分析我们可以看出，PN结的单向导电性是由于正向注入和反向抽取各自的矛盾的特殊性决定的。正向注入可以使边界少数载流子浓度增加，从而形成大的浓度梯度和大的扩散电流，而且注入少数载流子浓度随正向偏压增加而增长。反向抽取使边界少数载流子浓度减小，随反向偏压增加很快趋向于零。这即是PN结正向电流随电压很快增长而反向电流很快趋于饱和的物理原因。

2.1.3 晶体管的基本结构

晶体管由两个相邻很近的PN结组成。目前制造晶体管的典型办法是采用“平面工艺技术”。以平面外延NPN晶体管为例，在高掺杂的N+型衬底上，外延生长一层低掺杂的N型外延层，然后氧化硅片表面、光刻氧化层、开出窗口，通过窗口扩散掺入受主杂质（例如硼），形成P型层和一个PN结。再经过氧化、光刻开出较小的窗口，通过窗口扩散掺入施主杂质（例如磷），形成N型层和第二个PN结。引出电极，就得到如图2-10所示的晶体管结构的纵剖面图。为了简便，我们往往简化成理想的一维模型，如图2-11所示。

上面讲的是NPN晶体管，它的基本结构是两个N型层中间夹着一个很薄的P型层，这个P型层叫基区，两个N型层分别叫做发射区和收集区。隔在它们之间的两个PN结，第一个叫发射结，第二个叫收集结。三个区域引出三根电极引线，分别叫发射极、基极和收集极，分别用字母e、b、c表示。PNP晶体管的结构是完全类似的，只是N区和P区的位置相互颠倒而已。