關於半導體晶片的那些事兒

2020-11-26 電子發燒友

關於半導體晶片的那些事兒

功率半導體那些事 發表於 2020-11-19 15:04:04

半導體材料有著其獨特的電性能和物理性能，使得半導體器件和電路具有對應的功能。半導體國產化的進程進度條正在持續加載，處於相關行業的我也在不斷地了解和積累相關知識，接下來的話題主要針對半導體晶片那些事兒，希望大家能夠喜歡~

從材料到器件，再從器件到材料，包含了數不清的環節，也產生了不同的職業崗位，而不能了解全面可能是步入社會，成為「打工人」之後的無奈，希望接下來的話題內容能夠讓大家了解到半導體的細枝末節。今天我們來聊聊半導體材料的幾個小知識。

原子結構

任何事物都是由96種穩定元素和12種不穩定元素組成的，每個元素都有著不同的原子結構，不同的結構也決定了元素不同的特性。再將原子細分下去，又包含了稱為亞原子粒子的三個部分：質子、中子和電子，它們有著各自的特性，不同的組合和結構決定了原子不同的特性。

最早把原子的基本結構用於解釋不同元素獨特的物理、化學和電性能的是丹麥的物理學家Niels Bohr(尼爾斯·玻爾)：

玻爾原子模型中，帶正電的質子和不帶電的中子集中在原子核中，帶負電的電子圍繞原子核外圍的軌道運動，形成較穩定的原子結構，好比行星繞太陽旋轉一樣。

而每個軌道所能容納的電子數量是有限的，在有些原子中，並不是每個位置都會被電子填滿，這樣結構中就留下了一個空位置--空穴，當一個軌道中電子軌道被填滿後，其餘的電子就必須填充到下一層的軌道上。

電阻和電容

很多材料的一個重要特性是導電性，也就是支持電流的特性，而電流的本質就是電子的流動。如果元素或者材料中的質子對外層電子的束縛相對較弱，電傳導就可以進行，在這樣的材料中這些電子可以很容易的建立電流，這種情況存在於大多數的金屬中。

導電性我們一般以導電率表示，導電率越高，材料的導電性能越好，同時導電率的倒數我們稱為電阻率，電阻率越低相應的導電性能越好。與導電性相對的是絕緣性，有些材料中表現出原子核對軌道電子的強大束縛，即對電子的移動有著較強的阻礙，比如二氧化矽就被作為半導體中的絕緣材料。

將一層絕緣體夾在兩個導體之間的三明治結構，就是我們知道的電容，半導體結構中，存在著很多「三明治」結構，及我們知道的很多寄生電容。電容在存儲器件中用於信息的存儲，消除在導體和矽表面壘集的不利電荷，並且形成場效應電晶體中的工作器件。半導體金屬傳導系統需要很高的導電率，因而也就需要低電阻和低電容的材料，這些材料就是低絕緣常數的絕緣體，用於傳導層間隔離的絕緣層需要高電容或者高絕緣常數的絕緣體。

本徵/摻雜半導體

半導體材料，顧名思義即本身就有一些天然導電能力的材料，主要的兩種半導體材料--矽(Si)和鍺(Ge)，當然還有好幾十種化合物半導體材料，化合物是兩種或多元素化合的材料。

「本徵」這個術語指的是材料處於純淨狀態而不是摻雜了雜質，本徵半導體即不含任何雜質且無晶格缺陷的純淨半導體。但是我們使用的半導體器件中並不是本徵半導體，而是通過一種摻雜工藝產生的摻雜半導體，摻雜工藝可以將特定的元素引入到本徵半導體中，這些元素可以提高本徵半導體的導電性，其表現出兩種特性：

①通過摻雜精確控制電阻率；

②電子和空穴導電。

摻雜能夠使半導體材料的電阻率達到一個有用的範圍，這種半導體材料分為多電子型和多空穴型，即我們所說的N型半導體和P型半導體。下圖是摻雜程度和矽電阻率之間的關係：

縱坐標是載流子濃度，我們將電子和空穴稱為載流子。N型和P型的曲線不同是由於電子和空穴移動所需要的能量不同，我們可以看出，要達到指定的電阻率，N型所需要的摻雜濃度要比P型的小。

只需0.000001%到0.1%的摻雜便可以使半導體達到有用的電阻範圍，也就是可以達到精確控制電阻率區域。

電子和空穴

金屬只能通過電子的移動來導電，所以其永遠是N型的。而半導體材料通過摻雜特定的元素可以成為N型或者P型，即可以通過電子或者空穴來導電。下面我們就來簡單了解下N型和P型半導體：

①N型半導體

我們以砷(As)作為摻雜元素摻入到矽(Si)中，假定混合後每個砷原子被矽原子包圍，砷原子外層有5個電子，其中四個與矽中的電子配對，留下來一個作為傳導電子。當然摻雜元素也可以是磷(P)和銻(Sb)。

②P型半導體

P型半導體，是通過元素周期表中的Ⅲ族的硼(B)來摻雜的，硼的外層只有3個電子，在被矽原子包圍時，三個電子與矽的電子配對，而多出一個無電子的位置，也就是空穴。

在摻雜半導體中電子和空穴不停地形成，電子會被吸入為填充的空穴，從而留下一個未填充的位置--新的空穴。

原文標題：半導體晶片那些事兒

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責任編輯：haq

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