晶体管和集成电路是什么关系

本文介绍了半导体的起源、什么是半导体、半导体的分类。

一、半导体的起源

1946年1月，远在太平洋彼岸的美国BELL实验室正式成立了一个半导体研究小组，小组内有3名核心成员，分别是Schokley、Bardeen和Brattain，俗称“晶体管三剑客”。

三剑客有自己的研究优势，Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。

在三剑客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布莱登(Brattain)发明了点接触(point‒contact)晶体管。接着在1949年肖克莱(Shockley)发表了关于p‒n结和双极型晶体管的经典论文。有史以来的第一个晶体管中，在三角形石英晶体底部的两个点接触是由相隔50μm的金箔线压到半导体表面做成的，所用的半导体材料为锗；当一个接触正偏(forward biased，即对于第三个端点加正电压)，而另一个接触反偏(reverse biased)时，可以观察到把输入信号放大的晶体管行为(transistor action)。

双极型晶体管是一个关键的半导体器件，它把人类文明带进了现代电子时代，轰动世界的半导体革命开始了…

此时出现了一个新名称——晶体管。

我们还常听说一个词——集成电路【Integrated Circuit：IC】，晶体管和集成电路是什么关系呢？

集成电路是通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。

晶体管是集成电路的组成单元，它的发明加速了半导体行业的发展。

二、什么是半导体？

半导体的概念是从材料的导电性来描述的，自然界中一切物体，按导电性分为三类：导体、半导体、绝缘体。

生活中我们接触到的物体，要么导电、要么不导电、要么在特定条件下导电。

从电阻的角度来看，就是下面这张图：

绝缘体: 电导率很低，约介于20E-18S/cm-E-8S/cm，如熔融石英及玻璃；

导  体：电导率较高，介于10E4S/cm-10E6S/cm，如铝、银等金属；

半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。

为什么这种导电率不稳定的物质却受到了广泛的关注和应用呢？

因为半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响。

半导体材料在外界的刺激下，材料性能发生改变，正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。

三、半导体的分类

半导体按照材料的类型可分为：

(1) 元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)

硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。

20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料，主要原因为硅器件在室温下有较佳的特性，高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。

(2) 化合物半导体：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。

化合物半导体可以根据组成元素的多少进一步细分为：

(a) 二元化合物半导体：

由两种元素组成，比如常见的：

IV－IV族元素化合物半导体：碳化硅(SiC)；

III－V族元素化合物半导体：砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)等；

II－VI族元素化合物半导体：氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)等；

IV－VI族元素化合物半导体：硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)

(b) 三元化合物半导体，由三种元素组成，比如：

由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGa(1-x)As即是一种三元化合物半导体。

(c) 多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。

具有AxB(1-x)CyD(1-y)形式的四元化合物半导体可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，四元化合物GaxIn(1-x)AsyP(1-y)合金半导体是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)及砷化镓(GaAs)所组成。

半导体分类见下图：

四、为什么硅可作为半导体材料？

硅在元素周期表中排列第14位，最外层有14个电子，下图是硅晶体结构图以及电子排布情况。每个硅原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。

低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。

下图中是空穴移动的过程：

前面已经提到，元素硅最外层有4个电子，这4个电子还有一个细节要提一下，4个电子分布在2个轨道上，类似人造卫星绕地球运行，4个人造卫星在2个空间轨道上绕地球旋转。

我们知道半导体晶圆是硅元素组成的，硅原子按照晶体生产的方式长呈有序排列，从平面的角度来看硅原子的排列是这样的：

从立体的角度看硅原子的排列是这样的：

这种原子按照周期性排列的方式称为晶体结构，关于晶体的介绍，有兴趣可以看前面章节的介绍。

五、半导体相关知识点

(1)能级和能带

我们可以把原子想象成行星,围绕原子周围的电子想象成围绕行星旋转的卫星。

银河系中当两个行星的距离足够远时，可以认为这些行星有相同的能量。当两个行星逐渐接近时，由于行星之间的交互作用，包括其中任意两个行星间的吸引力与排斥力，将造成能级的移动。

有别于只有两个行星时能级只是一分为二，当银河系中有很多个行星相互靠近时，此时能级将分裂成N个分离但接近的能级。当N很大时，将形成连续的能带，此N个能级可延伸几个电子伏特，视行星的间距而定。

下图是描述行星（原子）相互之间的距离和能级的关系：

现在回到半导体晶圆硅片的原子排布关系，在平衡状态下的原子距离时，能带将再度分裂，使得每个原子在较低能带有4个量子态，而在较高能带也有4个量子态。

在绝对零度时，电子占据最低能态，因此在较低能带(即价带)的所有能态将被电子填满，而在较高能带(即导带)的所有能态将没有电子，导带的底部称为Ec，价带的顶部称为Ev。

导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔(forbidden energy gap)(Ec -Ev)称为禁带宽度Eg。

如下图所示，在物理意义上，Eg代表将半导体价带中的电子断键，变成自由电子，并将此自由电子送到导带，而在价带中留下一个空穴所需的能量。

自由电子的动能可表示为：

E=P2/2M

其中p为动量，m为自由电子质量。

画出E相对p的图，将得到如图所示的抛物线图。

对硅而言，其动量与能量曲线中价带顶部发生在p＝0时，但导带的最低处则发生在沿[100]方向的p＝pC。因此，当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换(≥Eg),也需要动量转换(≥pC)，见下图（a）。

这类半导体称为间接带隙半导体。

上图(b)为砷化镓的动量－能量关系曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。

这类半导体称为直接带隙半导体。

(2)导体、半导体、绝缘体

金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种差异可用它们的能带来作定性解释。人们发现，电子在最高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。

导体(金属)：金属导体的电阻很低，其导带不是部分填满[如铜(Cu)]就是与价带重叠[如锌(Zn)或铅(Pb)]，所以根本没有禁带存在，如图所示。

因此,部分填满的导带最高处的电子或价带顶部的电子在获得动能时(如从一外加电场)，可移动到下一个较高能级。对金属而言，因为接近占满电子的能态处尚有许多未被占据的能态，因此只要有一个小小的外加电场，电子就可自由移动，故金属导体可以轻易传导电流。

绝缘体：绝缘体如二氧化硅(SiO2)，其价带电子在邻近原子间形成很强的共价键。这些键很难打断，因此在室温或接近室温时，并无自由电子参与传导，如图所示。

绝缘体的特征是有很大的禁带宽度，在图中可以发现电子完全占满价带中的能级，而导带中的能级则是空的。热能或外加电场能量并不足以使价带顶端的电子激发到导带。因此，虽然绝缘体的导带有许多空的能态可以接受电子，但实际上几乎没有电子可以占据导带上的能态，对电导的贡献很小，造成很大的电阻，因此无法传导电流。

半导体：半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，且易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响，其禁带宽度较小(约为1eV)，如图所示。

在T＝0K时，所有电子都位于价带，而导带中并无电子，因此半导体在低温时是不良导体。在室温及正常气压下，硅的Eg值为1.12eV，而砷化镓为1.42eV。因此在室温下，热能kT占Eg的一定比例，有些电子可以从价带激发到导带。因为导带中有许多未被占据的能态，故只要小量的外加能量，就可以轻易移动这些电子，产生可观的电流。

(3)本征半导体(intrinsic semiconductor) ：

当半导体中杂质远小于由热产生的电子空穴时，此种半导体称本征半导体。

(4)非本征半导体(extrinsic semiconductor)：

当半导体被掺入杂质时，半导体变成非本征的(extrinsic)，而且引入杂质能级。

本征半导体可以理解为炒一盘大白菜，什么调料也不加，大白菜本身的味道是什么就是什么，称为本征。

非本征半导体可以理解为同样是炒大白菜，在里面加入不同的调料，做出来的菜呈现了不同的味道。

正是因为在加入不同调料有不同的味道时，人们对于半导体的掺杂应用就进一步广泛了。

(5)施主(donor)：

我们知道晶圆是硅原子组成的，硅最外层有4个电子，有人想到一个点子，如果把外层有5个电子的砷元素加入到晶圆中，一个硅原子被一个带有5个价电子的砷原子所取代(或替补)。此砷原子与4个邻近硅原子形成共价键，而其第5个电子有相当小的束缚能，能在适当温度下被电离成传导电子。

通常我们说此电子被施给了导带，砷原子因此被称为施主。由于带负电载流子增加，硅变成n型半导体(英文单词Negative首字母)，通过下图了解一下：

(6)受主(acceptor)：

同样的道理，在一片由硅原子生长的晶圆中，当一个带有3个价电子的硼原子取代硅原子时，需要接受一个额外的电子，以在硼原子四周形成4个共价键，也因而在价带中形成一个带正电的空穴(hole)。

此即为p型(Positive)半导体，而硼原子则被称为受主。

六、半导体中电子的运动

半导体导带中的传导电子并不与任何特殊晶格或施主位置结合，因此基本上它们是属于自由粒子。在热平衡下，一个传导电子存在热运动(速度vth)。在室温下，硅及砷化镓中的电子热运动速度约为10E7cm/s。

半导体中的电子会在所有的方向作快速移动，如下图所示。

当一个小电场E施加于半导体样品上时，每一个电子会从电场上受到一个qE的作用力，碰撞时，沿电场的反方向加速。因此，一个额外的速度成分将再加到热运动的电子上，此额外速度成分称为漂移速度(drift velocity)。

一个电子由于随机热运动及漂移成分两者所造成的位移如下图所示。

需要注意的是，电子的净位移与施加的电场方向相反（因为电子带负电荷）。

这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。

下图(a)为一n型半导体及其在热平衡状态下的能带图。图(b)为一电压施加在右端时所对应的能带图。

假设左端及右端的接触面均为欧姆接触，在外加电场的影响下，载流子的运输会产生电流，称为漂移电流(drift current)。

(7)霍耳效应

在一个半导体中，载流子的浓度可能不同于杂质的浓度，因为电离的杂质浓度与温度以及杂质能级有关。而直接测量载流子浓度最常用的方法为霍耳效应。霍耳测量也是能够展现出空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一，因为测量本身即可直接判别出载流子的型态。

测量方法：考虑对一个p型半导体样品施加沿x轴方向的电场及沿z轴方向的磁场，如图所示。

由于磁场作用产生的洛伦兹力qv×B(=qvxBz)将会对在x轴方向流动的空穴施以一个向上的力，这将造成空穴在样品上方堆积，并因而产生一个向下的电场Ey 。

一旦电场Ey变得与vxBz相等，空穴在x轴方向漂移时就不会受到一个沿y轴方向的净力。此电场的建立即为霍耳效应。上式中的电场称之为霍耳电场，两端电压VH=EyW称为霍耳电压。

(8)雪崩过程 (avalancheprocess)：

当半导体中的电场增加到超过某一定值时，载流子将得到足够的动能来通过雪崩过程产生电子–空穴对，如下图所示。

考虑一个在导带中的电子1，假设电场足够高，此电子可在晶格碰撞之前获得动能。当与晶格碰撞时，电子消耗大部分动能使化学键断裂，也就是将一个价电子从价带电离至导带，因而产生一个电子–空穴对2与2′。产生的电子–空穴对在电场中开始被加速并与晶格发生碰撞，它们将产生其他电子–空穴对，如3与3′和4与4′，依此类推，这个过程称为雪崩过程，亦称碰撞电离(impactionization)过程，它将导致p–n结的结击穿(junction breakdown)。

结击穿后，半导体导电性将发生改变，不再具有半导体相关特性，器件失效。