關(guān)于半導(dǎo)體芯片的那些事兒

半導(dǎo)體材料有著其獨(dú)特的電性能和物理性能，使得半導(dǎo)體器件和電路具有對(duì)應(yīng)的功能。半導(dǎo)體國產(chǎn)化的進(jìn)程進(jìn)度條正在持續(xù)加載，處于相關(guān)行業(yè)的我也在不斷地了解和積累相關(guān)知識(shí)，接下來的話題主要針對(duì)半導(dǎo)體芯片那些事兒，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(shù)不清的環(huán)節(jié)，也產(chǎn)生了不同的職業(yè)崗位，而不能了解全面可能是步入社會(huì)，成為“打工人”之后的無奈，希望接下來的話題內(nèi)容能夠讓大家了解到半導(dǎo)體的細(xì)枝末節(jié)。今天我們來聊聊半導(dǎo)體材料的幾個(gè)小知識(shí)。

原子結(jié)構(gòu)

任何事物都是由96種穩(wěn)定元素和12種不穩(wěn)定元素組成的，每個(gè)元素都有著不同的原子結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)也決定了元素不同的特性。再將原子細(xì)分下去，又包含了稱為亞原子粒子的三個(gè)部分：質(zhì)子、中子和電子，它們有著各自的特性，不同的組合和結(jié)構(gòu)決定了原子不同的特性。

最早把原子的基本結(jié)構(gòu)用于解釋不同元素獨(dú)特的物理、化學(xué)和電性能的是丹麥的物理學(xué)家Niels Bohr(尼爾斯·玻爾)：

玻爾原子模型中，帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子集中在原子核中，帶負(fù)電的電子圍繞原子核外圍的軌道運(yùn)動(dòng)，形成較穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，好比行星繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣。

而每個(gè)軌道所能容納的電子數(shù)量是有限的，在有些原子中，并不是每個(gè)位置都會(huì)被電子填滿，這樣結(jié)構(gòu)中就留下了一個(gè)空位置--空穴，當(dāng)一個(gè)軌道中電子軌道被填滿后，其余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(gè)重要特性是導(dǎo)電性，也就是支持電流的特性，而電流的本質(zhì)就是電子的流動(dòng)。如果元素或者材料中的質(zhì)子對(duì)外層電子的束縛相對(duì)較弱，電傳導(dǎo)就可以進(jìn)行，在這樣的材料中這些電子可以很容易的建立電流，這種情況存在于大多數(shù)的金屬中。

導(dǎo)電性我們一般以導(dǎo)電率表示，導(dǎo)電率越高，材料的導(dǎo)電性能越好，同時(shí)導(dǎo)電率的倒數(shù)我們稱為電阻率，電阻率越低相應(yīng)的導(dǎo)電性能越好。與導(dǎo)電性相對(duì)的是絕緣性，有些材料中表現(xiàn)出原子核對(duì)軌道電子的強(qiáng)大束縛，即對(duì)電子的移動(dòng)有著較強(qiáng)的阻礙，比如二氧化硅就被作為半導(dǎo)體中的絕緣材料。

將一層絕緣體夾在兩個(gè)導(dǎo)體之間的三明治結(jié)構(gòu)，就是我們知道的電容，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，存在著很多“三明治”結(jié)構(gòu)，及我們知道的很多寄生電容。電容在存儲(chǔ)器件中用于信息的存儲(chǔ)，消除在導(dǎo)體和硅表面壘集的不利電荷，并且形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的工作器件。半導(dǎo)體金屬傳導(dǎo)系統(tǒng)需要很高的導(dǎo)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(shù)的絕緣體，用于傳導(dǎo)層間隔離的絕緣層需要高電容或者高絕緣常數(shù)的絕緣體。

本征/摻雜半導(dǎo)體

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

“本征”這個(gè)術(shù)語指的是材料處于純凈狀態(tài)而不是摻雜了雜質(zhì)，本征半導(dǎo)體即不含任何雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。但是我們使用的半導(dǎo)體器件中并不是本征半導(dǎo)體，而是通過一種摻雜工藝產(chǎn)生的摻雜半導(dǎo)體，摻雜工藝可以將特定的元素引入到本征半導(dǎo)體中，這些元素可以提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，其表現(xiàn)出兩種特性：

①通過摻雜精確控制電阻率；

②電子和空穴導(dǎo)電。

摻雜能夠使半導(dǎo)體材料的電阻率達(dá)到一個(gè)有用的范圍，這種半導(dǎo)體材料分為多電子型和多空穴型，即我們所說的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。下圖是摻雜程度和硅電阻率之間的關(guān)系：

縱坐標(biāo)是載流子濃度，我們將電子和空穴稱為載流子。N型和P型的曲線不同是由于電子和空穴移動(dòng)所需要的能量不同，我們可以看出，要達(dá)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(dǎo)體達(dá)到有用的電阻范圍，也就是可以達(dá)到精確控制電阻率區(qū)域。

電子和空穴

金屬只能通過電子的移動(dòng)來導(dǎo)電，所以其永遠(yuǎn)是N型的。而半導(dǎo)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(dǎo)電。下面我們就來簡(jiǎn)單了解下N型和P型半導(dǎo)體：

①N型半導(dǎo)體

我們以砷(As)作為摻雜元素?fù)饺氲焦?Si)中，假定混合后每個(gè)砷原子被硅原子包圍，砷原子外層有5個(gè)電子，其中四個(gè)與硅中的電子配對(duì)，留下來一個(gè)作為傳導(dǎo)電子。當(dāng)然摻雜元素也可以是磷(P)和銻(Sb)。

②P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)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(gè)電子，在被硅原子包圍時(shí)，三個(gè)電子與硅的電子配對(duì)，而多出一個(gè)無電子的位置，也就是空穴。

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

原文標(biāo)題：半導(dǎo)體芯片那些事兒

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