晶體管和集成電路是什么關系？

本文介紹了半導體的起源、什么是半導體、半導體的分類。

一、半導體的起源

1946年1月，遠在太平洋彼岸的美國BELL實驗室正式成立了一個半導體研究小組，小組內有3名核心成員，分別是Schokley、Bardeen和Brattain，俗稱“晶體管三劍客”。

三劍客有自己的研究優勢，Bardeen提出了表面態理論，Schokley給出了實現放大器的基本設想，Brattain設計了實驗。

在三劍客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布萊登(Brattain)發明了點接觸(point?contact)晶體管。接著在1949年肖克萊(Shockley)發表了關于p?n結和雙極型晶體管的經典論文。有史以來的第一個晶體管中，在三角形石英晶體底部的兩個點接觸是由相隔50μm的金箔線壓到半導體表面做成的，所用的半導體材料為鍺；當一個接觸正偏(forward biased，即對于第三個端點加正電壓)，而另一個接觸反偏(reverse biased)時，可以觀察到把輸入信號放大的晶體管行為(transistor action)。

雙極型晶體管是一個關鍵的半導體器件，它把人類文明帶進了現代電子時代，轟動世界的半導體革命開始了…

此時出現了一個新名稱——晶體管。

我們還常聽說一個詞——集成電路【Integrated Circuit：IC】，晶體管和集成電路是什么關系呢？

集成電路是通過一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連關系，“集成”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內，能執行特定的功能復雜電子系統。

晶體管是集成電路的組成單元，它的發明加速了半導體行業的發展。

二、什么是半導體？

半導體的概念是從材料的導電性來描述的，自然界中一切物體，按導電性分為三類：導體、半導體、絕緣體。

生活中我們接觸到的物體，要么導電、要么不導電、要么在特定條件下導電。

從電阻的角度來看，就是下面這張圖：

絕緣體: 電導率很低，約介于20E-18S/cm-E-8S/cm，如熔融石英及玻璃；

導? 體：電導率較高，介于10E4S/cm-10E6S/cm，如鋁、銀等金屬；

半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。

為什么這種導電率不穩定的物質卻受到了廣泛的關注和應用呢？

因為半導體易受溫度、光照、磁場及微量雜質原子的影響。

半導體材料在外界的刺激下，材料性能發生改變，正是半導體的這種對電導率的高靈敏度特性使半導體成為各種電子應用中最重要的材料之一。

三、半導體的分類

半導體按照材料的類型可分為：

(1) 元素半導體：硅(Si)、鍺(Ge)

硅、鍺都是由單一原子所組成的元素半導體，均為周期表第IV族元素。

20世紀50年代初期，鍺曾是最主要的半導體材料；60年代初期以后，硅已取代鍺成為半導體制造的主要材料，主要原因為硅器件在室溫下有較佳的特性，高品質的硅氧化層可由熱生長的方式產生，成本低；硅含量占地表的25%，僅次于氧，儲量豐富。

(2) 化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。

化合物半導體可以根據組成元素的多少進一步細分為：

(a) 二元化合物半導體：

由兩種元素組成，比如常見的：

IV－IV族元素化合物半導體：碳化硅(SiC)；?

III－V族元素化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)等；

II－VI族元素化合物半導體：氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)等；

IV－VI族元素化合物半導體：硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)

(b) 三元化合物半導體，由三種元素組成，比如：

由III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)及V族元素砷(As)所組成的合金半導體AlxGa(1-x)As即是一種三元化合物半導體。

(c) 多元化合物半導體：由三種及以上元素組成。

具有AxB(1-x)CyD(1-y)形式的四元化合物半導體可由許多二元及三元化合物半導體組成。例如，四元化合物GaxIn(1-x)AsyP(1-y)合金半導體是由磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)及砷化鎵(GaAs)所組成。

半導體分類見下圖：

四、為什么硅可作為半導體材料？

硅在元素周期表中排列第14位，最外層有14個電子，下圖是硅晶體結構圖以及電子排布情況。每個硅原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結構稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。

低溫時，電子分別被束縛在四面體晶格中，因此無法作電的傳導。但在高溫時，熱振動可以打斷共價鍵。當一些鍵被打斷時，所產生的自由電子可以參與電的傳導。而一個自由電子產生時，會在原處產生一個空缺。此空缺可由鄰近的一個電子填滿，從而產生空缺位置的移動，并可被看作與電子運動方向相反的正電荷，稱為空穴(hole)。半導體中可移動的電子與空穴統稱為載流子。

下圖中是空穴移動的過程：

前面已經提到，元素硅最外層有4個電子，這4個電子還有一個細節要提一下，4個電子分布在2個軌道上，類似人造衛星繞地球運行，4個人造衛星在2個空間軌道上繞地球旋轉。

我們知道半導體晶圓是硅元素組成的，硅原子按照晶體生產的方式長呈有序排列，從平面的角度來看硅原子的排列是這樣的：

從立體的角度看硅原子的排列是這樣的：

這種原子按照周期性排列的方式稱為晶體結構，關于晶體的介紹，有興趣可以看前面章節的介紹。

五、半導體相關知識點

(1)能級和能帶

我們可以把原子想象成行星,圍繞原子周圍的電子想象成圍繞行星旋轉的衛星。

銀河系中當兩個行星的距離足夠遠時，可以認為這些行星有相同的能量。當兩個行星逐漸接近時，由于行星之間的交互作用，包括其中任意兩個行星間的吸引力與排斥力，將造成能級的移動。

有別于只有兩個行星時能級只是一分為二，當銀河系中有很多個行星相互靠近時，此時能級將分裂成N個分離但接近的能級。當N很大時，將形成連續的能帶，此N個能級可延伸幾個電子伏特，視行星的間距而定。

下圖是描述行星（原子）相互之間的距離和能級的關系：

現在回到半導體晶圓硅片的原子排布關系，在平衡狀態下的原子距離時，能帶將再度分裂，使得每個原子在較低能帶有4個量子態，而在較高能帶也有4個量子態。

在絕對零度時，電子占據最低能態，因此在較低能帶(即價帶)的所有能態將被電子填滿，而在較高能帶(即導帶)的所有能態將沒有電子，導帶的底部稱為Ec，價帶的頂部稱為Ev。

導帶底部與價帶頂部間的禁止能量間隔(forbidden energy gap)(Ec -Ev)稱為禁帶寬度Eg。

如下圖所示，在物理意義上，Eg代表將半導體價帶中的電子斷鍵，變成自由電子，并將此自由電子送到導帶，而在價帶中留下一個空穴所需的能量。

自由電子的動能可表示為：

E=P2/2M

其中p為動量，m為自由電子質量。

畫出E相對p的圖，將得到如圖所示的拋物線圖。

對硅而言，其動量與能量曲線中價帶頂部發生在p＝0時，但導帶的最低處則發生在沿[100]方向的p＝pC。因此，當電子從硅的價帶頂部轉換到導帶最低點時，不僅需要能量轉換(≥Eg),也需要動量轉換(≥pC)，見下圖（a）。

這類半導體稱為間接帶隙半導體。

上圖(b)為砷化鎵的動量－能量關系曲線，其價帶頂部與導帶最低處發生在相同動量處(p＝0)。因此，當電子從價帶轉換到導帶時，不需要動量轉換。

這類半導體稱為直接帶隙半導體。

(2)導體、半導體、絕緣體

金屬、半導體及絕緣體的電導率存在巨大差異，這種差異可用它們的能帶來作定性解釋。人們發現，電子在最高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導電性。

導體(金屬)：金屬導體的電阻很低，其導帶不是部分填滿[如銅(Cu)]就是與價帶重疊[如鋅(Zn)或鉛(Pb)]，所以根本沒有禁帶存在，如圖所示。

因此,部分填滿的導帶最高處的電子或價帶頂部的電子在獲得動能時(如從一外加電場)，可移動到下一個較高能級。對金屬而言，因為接近占滿電子的能態處尚有許多未被占據的能態，因此只要有一個小小的外加電場，電子就可自由移動，故金屬導體可以輕易傳導電流。

絕緣體：絕緣體如二氧化硅(SiO2)，其價帶電子在鄰近原子間形成很強的共價鍵。這些鍵很難打斷，因此在室溫或接近室溫時，并無自由電子參與傳導，如圖所示。

絕緣體的特征是有很大的禁帶寬度，在圖中可以發現電子完全占滿價帶中的能級，而導帶中的能級則是空的。熱能或外加電場能量并不足以使價帶頂端的電子激發到導帶。因此，雖然絕緣體的導帶有許多空的能態可以接受電子，但實際上幾乎沒有電子可以占據導帶上的能態，對電導的貢獻很小，造成很大的電阻，因此無法傳導電流。

半導體：半導體材料的電導率介于導體和絕緣體之間，且易受溫度、光照、磁場及微量雜質原子的影響，其禁帶寬度較小(約為1eV)，如圖所示。

在T＝0K時，所有電子都位于價帶，而導帶中并無電子，因此半導體在低溫時是不良導體。在室溫及正常氣壓下，硅的Eg值為1.12eV，而砷化鎵為1.42eV。因此在室溫下，熱能kT占Eg的一定比例，有些電子可以從價帶激發到導帶。因為導帶中有許多未被占據的能態，故只要小量的外加能量，就可以輕易移動這些電子，產生可觀的電流。

(3)本征半導體(intrinsic semiconductor) ：

當半導體中雜質遠小于由熱產生的電子空穴時，此種半導體稱本征半導體。

(4)非本征半導體(extrinsic semiconductor)：

當半導體被摻入雜質時，半導體變成非本征的(extrinsic)，而且引入雜質能級。

本征半導體可以理解為炒一盤大白菜，什么調料也不加，大白菜本身的味道是什么就是什么，稱為本征。

非本征半導體可以理解為同樣是炒大白菜，在里面加入不同的調料，做出來的菜呈現了不同的味道。

正是因為在加入不同調料有不同的味道時，人們對于半導體的摻雜應用就進一步廣泛了。

(5)施主(donor)：

我們知道晶圓是硅原子組成的，硅最外層有4個電子，有人想到一個點子，如果把外層有5個電子的砷元素加入到晶圓中，一個硅原子被一個帶有5個價電子的砷原子所取代(或替補)。此砷原子與4個鄰近硅原子形成共價鍵，而其第5個電子有相當小的束縛能，能在適當溫度下被電離成傳導電子。

通常我們說此電子被施給了導帶，砷原子因此被稱為施主。由于帶負電載流子增加，硅變成n型半導體(英文單詞Negative首字母)，通過下圖了解一下：

(6)受主(acceptor)：

同樣的道理，在一片由硅原子生長的晶圓中，當一個帶有3個價電子的硼原子取代硅原子時，需要接受一個額外的電子，以在硼原子四周形成4個共價鍵，也因而在價帶中形成一個帶正電的空穴(hole)。

此即為p型(Positive)半導體，而硼原子則被稱為受主。

六、半導體中電子的運動

半導體導帶中的傳導電子并不與任何特殊晶格或施主位置結合，因此基本上它們是屬于自由粒子。在熱平衡下，一個傳導電子存在熱運動(速度vth)。在室溫下，硅及砷化鎵中的電子熱運動速度約為10E7cm/s。

半導體中的電子會在所有的方向作快速移動，如下圖所示。

當一個小電場E施加于半導體樣品上時，每一個電子會從電場上受到一個qE的作用力，碰撞時，沿電場的反方向加速。因此，一個額外的速度成分將再加到熱運動的電子上，此額外速度成分稱為漂移速度(drift velocity)。

一個電子由于隨機熱運動及漂移成分兩者所造成的位移如下圖所示。

需要注意的是，電子的凈位移與施加的電場方向相反（因為電子帶負電荷）。

這種在外電場作用下載流子的定向運動稱為漂移運動。

下圖(a)為一n型半導體及其在熱平衡狀態下的能帶圖。圖(b)為一電壓施加在右端時所對應的能帶圖。

假設左端及右端的接觸面均為歐姆接觸，在外加電場的影響下，載流子的運輸會產生電流，稱為漂移電流(drift current)。

(7)霍耳效應

在一個半導體中，載流子的濃度可能不同于雜質的濃度，因為電離的雜質濃度與溫度以及雜質能級有關。而直接測量載流子濃度最常用的方法為霍耳效應?；舳鷾y量也是能夠展現出空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一，因為測量本身即可直接判別出載流子的型態。

測量方法：考慮對一個p型半導體樣品施加沿x軸方向的電場及沿z軸方向的磁場，如圖所示。

由于磁場作用產生的洛倫茲力qv×B(=qvxBz)將會對在x軸方向流動的空穴施以一個向上的力，這將造成空穴在樣品上方堆積，并因而產生一個向下的電場Ey 。

一旦電場Ey變得與vxBz相等，空穴在x軸方向漂移時就不會受到一個沿y軸方向的凈力。此電場的建立即為霍耳效應。上式中的電場稱之為霍耳電場，兩端電壓VH=EyW稱為霍耳電壓。

(8)雪崩過程 (avalancheprocess)：

當半導體中的電場增加到超過某一定值時，載流子將得到足夠的動能來通過雪崩過程產生電子–空穴對，如下圖所示。

考慮一個在導帶中的電子1，假設電場足夠高，此電子可在晶格碰撞之前獲得動能。當與晶格碰撞時，電子消耗大部分動能使化學鍵斷裂，也就是將一個價電子從價帶電離至導帶，因而產生一個電子–空穴對2與2′。產生的電子–空穴對在電場中開始被加速并與晶格發生碰撞，它們將產生其他電子–空穴對，如3與3′和4與4′，依此類推，這個過程稱為雪崩過程，亦稱碰撞電離(impactionization)過程，它將導致p–n結的結擊穿(junction breakdown)。

結擊穿后，半導體導電性將發生改變，不再具有半導體相關特性，器件失效。

審核編輯：黃飛