半导体芯片原理及制造过程:晶体管与光刻技术

  • 晶体管的工作原理

参考:https://www.bilibili.com/video/BV15x41147b7?share_source=copy_web

晶体管由半导体材料(如硅)制成。

由于硅的导电性较差,我们使用掺杂工艺(doping, injection of foreign material to enhance the performance)提升导电率。

doping分为两种:

  • 1. N-type doping

加入价电子为5的磷,多出的一个电子可以移动

2. P-type doping

加入价电子为3的硼,产生空穴(hole),电子可以移动到空穴中

(N & P即negative & positive)

二极管(diode)

将硅晶体的两端分别dope成N和P就可以得到一个二极管。

来源:水印

如图,左P右N

在中间二者相接的地方会形成一个PN结

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的,其接触界面称为冶金结界面。 
在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。
 
在P型半导体和N型半导体结合后,由于N型区内自由电子为多子,空穴几乎为零称为少子,而P型区内空穴为多子,自由电子为少子,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因,有一些电子从N型区向P型区扩散,也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴,留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子,留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动,因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近,形成了一个空间电荷区,空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。
在空间电荷区形成后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区形成了内电场,其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然,这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反,阻止扩散。
另一方面,这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移,使P区的少数载流子电子向N区漂移,漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴,从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子,这就使空间电荷减少,内电场减弱。因此,漂移运动的结果是使空间电荷区变窄,扩散运动加强。
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

 

晶体管(transistor)

小正向电路使得大量的电子移动至晶体管中间的P区域,其中的一部分电子被大电路的正极吸引,向右顺时针移动。

最终可以实现放大信号的效果。

同时,可以发现,只有当小电路的电压达到某一临界值后,电路才会变成通路。

此时我们可以将其看作一个开关,可以控制0和1的变化。

上图所示即为双极性晶体管(也称三极管,晶体管,bipolar junction transistor),下图为它实际的样子(图中有2个)

 

  • 半导体芯片的制造过程

参考:

详细光刻过程:https://www.bilibili.com/video/BV1664y1C7i7?share_source=copy_web

ted:https://www.bilibili.com/video/BV1tV41127Zr?share_source=copy_web

蔡司官方:https://www.bilibili.com/video/BV1a64y1h7Gf?share_source=copy_web

芯片制造全流程:https://www.bilibili.com/video/BV12i4y177y1?share_source=copy_web

单晶硅棒

自然中没有纯硅,要利用沙子(即二氧化硅),在加工后得到硅棒,其中的硅纯度高

硅圆

对硅棒进行切割得到

光刻

利用旋涂技术涂抹光刻胶

利用掩膜版在光刻胶上进行曝光(紫外线光),被曝光到的部分光刻胶会变得可溶解

使用专用的显影液去除曝光的光刻胶

 

posted @ 2022-07-06 19:57  月窀  阅读(3616)  评论(0编辑  收藏  举报