固體物理導論半導體物理

關于固體物理導論半導體物理第2頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共85頁，2024年2月25日，星期天1947年12月23日，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登，合作發(fā)明了晶體管晶體管是半導體做的固體電子元件第8頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共85頁，2024年2月25日，星期天中央處理器(CPU)是現(xiàn)代社會飛速運轉的動力源泉，在任何電子設備上都可以找到微芯片的身影處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝上市等諸多步驟，而且每一步里邊又包含更多細致的過程第12頁,共85頁，2024年2月25日，星期天沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導體制造產(chǎn)業(yè)的基礎第13頁,共85頁，2024年2月25日，星期天通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅，學名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)第14頁,共85頁，2024年2月25日，星期天晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導體企業(yè)那里直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工第15頁,共85頁，2024年2月25日，星期天光刻膠(PhotoResist)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平光刻：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。第16頁,共85頁，2024年2月25日，星期天蝕刻：使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。第17頁,共85頁，2024年2月25日，星期天光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。離子注入(IonImplantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導電性。經(jīng)過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時

清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。第18頁,共85頁，2024年2月25日，星期天晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層第19頁,共85頁，2024年2月25日，星期天拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層，具體布局取決于相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復雜的電路，放大之后可以看到極其復雜的電路網(wǎng)絡，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。第20頁,共85頁，2024年2月25日，星期天晶圓測試：內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準備進入下一步。第21頁,共85頁，2024年2月25日，星期天單個內(nèi)核：從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Corei7的核心.封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內(nèi)核散熱的了。處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Corei7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復雜的產(chǎn)品實際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關鍵步驟。第22頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共85頁，2024年2月25日，星期天晶格——晶體中原子排列的具體形式1.簡單立方晶格

——原子球在一個平面內(nèi)呈現(xiàn)為正方排列

——平面的原子層疊加起來得到簡單立方格子原子、原子間距不同，但有相同排列規(guī)則，這些原子構成的晶體具有相同的晶格____如Cu和Ag；Ge和Si等等第33頁,共85頁，2024年2月25日，星期天用圓點表示原子的位置——得到簡單立方晶格結構第34頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2.體心立方晶格

體心立方晶格結構

原子球排列形式

體心立方原子球排列方式表示為ABABAB……第35頁,共85頁，2024年2月25日，星期天體心立方晶格中，A層中原子球的距離等于A－A層之間的距離，A層原子球的間隙————原子球的半徑——體心立方晶格結構的金屬Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等第36頁,共85頁，2024年2月25日，星期天——全同小圓球平鋪在平面上，任一個球都與6個球相切。每三個相切的球的中心構成一等邊三角形每個球的周圍有6個空隙這樣構成一層——A層第二層是同樣的鋪排——B層第三層是同樣的鋪排——C層3六角密排第37頁,共85頁，2024年2月25日，星期天B層原子球排列A層原子球排列第38頁,共85頁，2024年2月25日，星期天C層原子球排列之一——六角密排晶格C層原子球排列第39頁,共85頁，2024年2月25日，星期天原子球排列為：ABABAB……六角密排晶格結構晶體Be、Mg、Zn、Cd第40頁,共85頁，2024年2月25日，星期天C層原子球排列之二——面心立方晶格4.面心立方晶格B層原子球排列C層原子球排列第41頁,共85頁，2024年2月25日，星期天原子球排列——ABCABCABC……——層的垂直方向是對稱性為3的軸，是立方體的空間對角線面心立方晶格結構晶體Cu、Ag、Au、Al第42頁,共85頁，2024年2月25日，星期天5.金剛石晶格結構

——碳原子構成的一個面心立方原胞內(nèi)還有四個原子，分別位于四個空間對角線的1／4處——金剛石結構的半導體晶體Ge、Si等——一個碳原子和其它四個碳原子構成一個正四面體第43頁,共85頁，2024年2月25日，星期天6.幾種化合物晶體的晶格

1)NaCl晶體的結構

氯化鈉由Na+和Cl－結合而成——一種典型的離子晶體Na+構成面心立方格子；Cl－也構成面心立方格子第44頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2)CsCl晶體的結構

CsCl結構——由兩個簡單立方子晶格彼此沿立方體空間對角線位移1／2的長度套構而成第45頁,共85頁，2024年2月25日，星期天3)ZnS晶體的結構——閃鋅礦結構立方系的硫化鋅——具有金剛石類似的結構化合物半導體——銻化銦、砷化鎵、磷化銦第46頁,共85頁，2024年2月25日，星期天4.晶格周期性的描述——布拉伐格子

第47頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共85頁，2024年2月25日，星期天§1.2晶格的周期性

1.晶格周期性的描述——原胞和基矢原胞——一個晶格中最小重復單元基矢——原胞的邊矢量——三維晶格的重復單元是平行六面體——重復單元的邊長矢量第51頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共85頁，2024年2月25日，星期天單胞——為了反映晶格的對稱性，常取最小重復單元的幾倍作為重復單元單胞的邊在晶軸方向，邊長等于該方向上的一個周期

——代表單胞三個邊的矢量稱為單胞的基矢單胞基矢一些情況下，單胞就是原胞一些情況下，單胞不是原胞簡單立方晶格—單胞是原胞面心立方晶格—單胞不是原胞第53頁,共85頁，2024年2月25日，星期天面心立方晶格原胞基矢原胞的體積單胞基矢單胞的體積第54頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共85頁，2024年2月25日，星期天1)簡單立方晶格

——原胞為簡單立方晶格的立方單元基矢原胞體積——原胞中只包含一個原子2.簡單晶格

——由完全等價的一種原子構成的晶格第56頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2)面心立方晶格

立方體的頂點到三個近鄰的面心引三個基矢——原胞中只包含一個原子基矢原胞體積第57頁,共85頁，2024年2月25日，星期天3)體心立方晶格由立方體的中心到三個頂點引三個基矢——原胞中只包含一個原子基矢原胞體積第58頁,共85頁，2024年2月25日，星期天3.復式晶格

——復式格子包含兩種或兩種以上的等價原子1)不同原子或離子構成的晶體NaCl、CsCl、ZnS等

第59頁,共85頁，2024年2月25日，星期天2)相同原子但幾何位置不等價的原子構成的晶體金剛石結構的C、Si、Ge六角密排結構Be、Mg、Zn第60頁,共85頁，2024年2月25日，星期天3)復式格子的特點：不同等價原子各自構成相同的簡單晶格（子晶格），復式格子由它們的子晶格相套而成NaCl晶格——Na+和Cl－各有一個相同的面心立方晶格

第61頁,共85頁，2024年2月25日，星期天——CsCl結構是由兩個簡立方的子晶格彼此沿立方體空間對角線位移1／2的長度套構而成CsCl的復式晶格第62頁,共85頁，2024年2月25日，星期天立方系的ZnS——S和Zn分別組成面心立方結構的子晶格沿空間對角線位移1／4的長度套構而成ZnS的復式晶格第63頁,共85頁，2024年2月25日，星期天復式晶格：任一原子A的位矢原胞中各種等價原子之間的相對位移——金剛石晶格對角線位移——碳1位置——碳2位置第64頁,共85頁，2024年2月25日，星期天可以用表示一個空間格子——一組l1，l2，l3的取值可以囊括所有的格點——布拉伐格子由確定的空間格子第65頁,共85頁，2024年2月25日，星期天簡單晶格——基元是一個原子復式晶格——基元是一個以上原子第66頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第67頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第68頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第69頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第70頁,共85頁，2024年2月25日，星期天第71頁,共85頁，2024年2月25日，星期天§1.3晶向晶面和它們的標志

布拉伐格子的特點——所有格點周圍的情況都是一樣的——在布拉伐格子中作一簇平行的直線，這些平行直線可以將所有的格點包括無遺——晶體的晶列平行直線——晶列第72頁,共85頁，2024年2月25日，星期天——在一個平面里，相鄰晶列之間的距離相等——每一簇晶列定義了一個方向——晶向第73頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

晶向的標志取某一原子為原點O，原胞的三個基矢——沿晶向到最近的一個格點的位矢——一組整數(shù)晶向指數(shù)——對于單胞，也有類似的晶向指數(shù)帶軸——一些特殊晶列第74頁,共85頁，2024年2月25日，星期天晶向指數(shù)晶向指數(shù)第75頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

簡單立方晶格的晶向標志

立方邊OA的晶向立方邊共有6個不同的晶向面對角線OB的晶向——面對角線晶向共有12個

第76頁,共85頁，2024年2月25日，星期天體對角線OC的晶向體對角線晶向共有8個——由于立方晶格的對稱性，以上3組晶向是等效的，表示為第77頁,共85頁，2024年2月25日，星期天

晶面的標志

晶體的晶面——在布拉伐格子中作一簇平行