半导体基础知识

半导体基础知识,硅材料事业部,第1頁,物质的结构导体和绝缘体半导体杂质半导体二极管和三极管集成电路硅片衬底,硅材料事业部,第2頁,物质的结构,硅材料事业部,第3頁,原子是组成物质的基本单元单质，化合物,H2ONaClO2,水盐氧,物质的结构,硅材料事业部,第4頁,原子由质子、中子和电子组成质子和中子的半径是0.81015m原子核的大小大约是1015至14m,%(物质的结构,硅材料事业部,第5頁,原子由质子、中子和电子组成质子和中子形成原子核物质的性质由质子的数量决定,质子,中子,氢原子核,碳原子核,物质的结构,硅材料事业部,第6頁,电子围绕原子核旋转,问题：氢原子核的半径是0.81015m，核外电子的轨道半径是0.531010m，如果把原子核放大到0.1mm（尘粒），则电子离原子核多远？,物质的结构,硅材料事业部,第7頁,核外电子分层排布内层电子比较稳定最外层电子决定物质的导电性能,1,2,8,4,2,8,5,2,3,氢（H）硅（Si)硼（B）磷（P）,导体与绝缘体,硅材料事业部,第8頁,物质的导电性带电粒子在电场作用下定向流动电子导电离子导电,铜导线,电子,盐水,电极,Cl-,Na+,+,-,导体与绝缘体,硅材料事业部,第9頁,电阻率的定义电阻R=,面积,导线,长度,长度L,面积S,导体与绝缘体,硅材料事业部,第10頁,各种物质的电阻率(单位）银(Ag)1.610-8铜(Cu)1.710-8铝(Al)2.910-8半导体1010电木10101014橡胶10131016,导体与绝缘体,硅材料事业部,第11頁,外层电子数量对导电性能的影响第一层饱和电子数是最外层饱和电子数是,g,Si,Cu,Ar,银铜硅氩,导体与绝缘体,硅材料事业部,第12頁,金属原子的外层电子易脱离原子而成为自由电子，这是金属易于导电的原因。,金属导电示意,金属原子,自由电子,导体与绝缘体,硅材料事业部,第13頁,非金属原子的外层电子不易脱离原子而成为自由电子，这是非金属不易于导电的原因。,束缚电子,半导体元素,硅材料事业部,第14頁,原子的外层电子数为,2,8,4,2,8,4,1,硅锗,半导体元素,硅材料事业部,第15頁,原子的外层电子数为纯净的半导体是不导电的一个硅原子分别与个其它的硅原子组合外层电子共用，形成共价健纯净的半导体中没有自由电子,半导体元素,硅材料事业部,第16頁,纯净硅的结构,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,杂质半导体,硅材料事业部,第17頁,在纯净硅中有意识地掺入杂质磷,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,电子,杂质磷原子,电子导电型,杂质半导体,硅材料事业部,第18頁,在纯净硅中有意识地掺入杂质硼,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,空穴,杂质硼原子,空穴导电型,杂质半导体,硅材料事业部,第19頁,杂质是有意识地地掺入的不是所有的元素都可以作为杂质掺入掺入的杂质的数量是经过精确计算的,杂质半导体,硅材料事业部,第20頁,掺入的杂质的数量是非常少的，极少的杂质会极大地影响半导体的导电性能,纯净硅不含杂质纯度99.99999999999%1B/50000000Si电阻率10cm1B/7143Si电阻率0.01cm,杂质半导体,硅材料事业部,第21頁,警告！要杜绝其它杂质的进入要杜绝各种可能的污染,极少量的杂质能极大地改变半导体的导电性能,半导体生产的超浄要求,硅材料事业部,第22頁,生产中采取的各种措施：各道工序加工后都进行清洗使用超纯水进行清洗（17M以上）使用超纯气体（99.999%以上）使用电子纯的化学试剂在净空厂房内生产超净包装,半导体生产的超浄要求,硅材料事业部,第23頁,生产中对作业人员的限制：不能用手接触产品进入净空厂房要穿着超净服不能化妆不能穿戴金银饰品不要穿毛衣要保持良好的卫生习惯,半导体二极管,硅材料事业部,第24頁,空穴导电电子导电型半导体型半导体,半导体二极管,硅材料事业部,第25頁,型半导体和型半导体在一起型成结,型半导体,N型半导体,N区电子向P区扩散P区空穴向N区扩散形成PN结,半导体二极管,硅材料事业部,第26頁,结的单向导电性,PN结内电场,外电场,电流导通,半导体二极管,硅材料事业部,第27頁,结的单向导电性,PN结内电场,外电场,电流不导通,半导体三极管,硅材料事业部,第28頁,三极管的结构（型）,发射极,集电极,基极,结,半导体三极管,硅材料事业部,第29頁,三极管的结构（型）,发射极,集电极,基极,结,集成电路,硅材料事业部,第30頁,集成电路1947年发明第一个锗晶体管1958年诞生第一块集成电路1969年在米粒大小的面积上可以集成1000多个晶体管1999年奔腾4芯片的集成度达到在一个指甲大小的面积上集成了4000多万个晶体管,上海申和热磁电子有限公司硅材料事业部,硅片加工项目,生产规模：400000片/月开工日期：2002年6月投产日期：磨片产品9月抛光片产品10月,申和公司硅片出口加工项目,合作方：日本东芝公司日本三井物产技术来源：日本东芝公司产品销售：全部出品,硅片加工项目,产品种类：主要轻掺杂硅片掺杂剂：硼，磷新增产品：掺砷硅片,重掺硅材料,掺杂剂电阻率缺点磷0.00080.018爆炸，自掺杂锑0.00180.018原子大,挥发性砷0.00150.004有毒性,硅材料中的砷,硅材料事业部,第37頁,在纯净硅中有意识地掺入杂质砷,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,电子,杂质磷原子,电子导电型,As,主要工艺流程,第38頁,多晶制造单晶拉制切片倒角磨片化学腐蚀热处理背损伤CVD边缘抛光粗抛光精抛光清洗检验洁净包装,关于砷,砷是地壳中广泛分布的一种元素元素砷是银灰色，象金属一样的材料少量的砷元素对健康是有益的。砷的化合物是剧毒的物质As2O3（砒霜）这种化合物是致命的。,关于砷,如果吞下砷，砷会很快进入人的身体如果通过呼吸吸进空气中的粉尘，砷的颗粒会通过肺部的血管进入身体至于皮肤接触，不会有大量的砷进入身体，所以不应该有什么问题。,关于砷,人每天通过饮水，食物和空气中的灰尘，会有.05mg的砷进入人的身体其中0.0035mg是无机砷有机砷和无机砷都会以尿的形式排出体外大部分的砷会在几天内排出体外，少量的砷会在体内停留几个月或更长。,掺砷材料生产废物,固体废物在硅工艺中使用的砷是单质状态并且在硅工艺过程中保持单质状态。在硅棒和硅片的工艺中有几种固态砷废弃物来源。埚底料加工废料氧化物,掺砷材料生产废物,当加工掺砷硅晶体时，将晶体切断取样。然后是滚磨，切片和研磨。所有这些工艺将会产生硅粉。这些掺砷硅晶体在通常情况下与工艺水混合在一起。）一些掺砷硅在腐蚀过程中溶解于腐蚀溶液中。这些小量废水可以和其他废水在PH值调整之后混合，作为工业废水排放。,掺砷材料生产废物,气态废弃物一个是单晶炉生长工艺排气另外一个来源是腐蚀液排气,含砷废物的处理,固体废物在特定的工业掩埋场掩埋或者焚化在授权的废弃物处理工厂。上海市在嘉定投资两亿元建设掩埋场处理费2000元/吨左右,含砷废物的处理,废液先去除滚磨和切片的固态粒子，然后与来自腐蚀，抛光和清洗的废水混合。混合后的废水中砷的浓度通常小于0.25ppm，在0.49ppm排放限定内，因此可以作为工业废水排放。也可按酸硷废水作常规处理进一步降低浓度,含砷废物的处理,废气水环真空泵真空扫除系统废气淋洗装置,关于含砷废水的计算,假定：年产40,000公斤4”掺砷晶棒。电阻率平均0.003欧姆-厘米，原生外径108毫米。晶体收率是55%，但是熔体的85%凝固装料40公斤，每炉250克砷总炉数=40.000/40/55%=1818炉/年使用72720公斤多晶/年,关于含砷废物的计算,总的掺杂砷量=2501818=454.5公斤/年大约38,508公斤硅