电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5~107欧·米之间,温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化镓、磷化镓等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
本征半导体 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带(见能带理论),受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(图 1 )。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对,均能自由移动,即载流子,它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子 - 空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。
半导体中杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主,相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多(图2)。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时,杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子,因而存在一个空位,与此空位相应的能量状态就是杂质能级,通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位,使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子(图3)。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时,在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小,半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体,导电载流子主要是导带中的电子,属电子型导电,称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电,称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对,故N型半导体中可存在少量导电空穴,P型半导体中可存在少量导电电子,它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中,少数载流子常扮演重要角色。
PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时,其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散,造成正负电荷在 PN 结两侧的积累,形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时,P区和N区之间形成一定的电势差,称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合,而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合,这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层,故电偶极层也叫阻挡层,阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。
PN结具有单向导电性,半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势,称光生伏打效应,可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。
什么是半导体呢?
顾名思义:导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料,叫做半导体(semiconductor).
物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料,如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等,称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。
半导体fab全称为Fabrication,是一个工业用词,一般是将一些金属薄板通过手工或模具冲压使其产生塑性变形,形成所希望的形状和尺寸,并可进一步通过焊接或少量的机械加工形成更复杂的零件。在工厂里也有车间的意思。
Fabrication件可以通过冲压,弯曲,拉伸等手段来加工,相对应的是铸造件,锻压件,机械加工零件等,比如说汽车的外面的铁壳就是钣金件,不锈钢做的一些厨具也是钣金件。
半导体分类:
半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。
除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
半导体的分类,按照其制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。
此外还有以应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。
CBGA Ceramic Ball Grid Array 陶瓷焊球阵列
CCGA Ceramic Column Grid Array 陶瓷焊柱阵列
CLCC Ceramic Leaded Chip Carrier 带引脚的陶瓷片式载体
CML Current Mode Logic 电流开关逻辑
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 互补金属氧化物半导体
COB Chip on Board 板上芯片
COC Chip on Chip 叠层芯片
COG Chip on Glass 玻璃板上芯片
CSP Chip Size Package 芯片尺寸封装
CTE Coefficient of Thermal Expansion 热膨胀系数
CVD Chemical Vapor Depositon 化学汽相淀积
DCA Direct Chip Attach 芯片直接安装
DFP Dual Flat Package 双侧引脚扁平封装
DIP Double In-Line Package 双列直插式封装
DMS Direct Metallization System 直接金属化系统
DRAM Dynamic Random Access Memory 动态随机存取存贮器
DSO Dual Small Outline 双侧引脚小外形封装
DTCP Dual Tape Carrier Package 双载带封装
3D Three-Dimensional 三维
2D Two-Dimensional 二维
EB Electron Beam 电子束
ECL Emitter-Coupled Logic 射极耦合逻辑
FC Flip Chip 倒装片法
FCB Flip Chip Bonding 倒装焊
FCOB Flip Chip on Board 板上倒装片
FEM Finite Element Method 有限元法
FP Flat Package 扁平封装
FPBGA Fine Pitch Ball Grid Array 窄节距BGA
FPD Fine Pitch Device 窄节距器件
FPPQFP Fine Pitch Plastic QFP 窄节距塑料QFP
GQFP Guard-Ring Quad Flat Package 带保护环的QFP
HDI High Density Interconnect 高密度互连
HDMI High Density Multilayer Interconnect 高密度多层互连
HIC Hybird Integrated Circuit 混合集成电路
HTCC High Temperature Co-Fired Ceramic 高温共烧陶瓷
HTS High Temperature Storage 高温贮存
IC Integrated Circuit 集成电路
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极晶体管
ILB Inner-Lead Bond 内引脚焊接
I/O Input/Output 输入/输出
IVH Inner Via Hole 内部通孔
JLCC J-Leaded Chip Carrier J形引脚片式载体
KGD Known Good Die 优质芯片
LCC Leadless Chip Carrier 无引脚片式载体
LCCC Leadless Ceramic Chip Carrier 无引脚陶瓷片式载体
LCCP Lead Chip Carrier Package 有引脚片式载体封装
LCD Liquid Crystal Display 液晶显示器
LCVD Laser Chemical Vapor Deposition 激光化学汽相淀积
LDI Laser Direct Imaging 激光直接成像
LGA Land Grid Array 焊区阵列
LSI Large Scale Integrated Circuit 大规模集成电路
LOC Lead Over Chip 芯片上引线健合
LQFP Low Profile QFP 薄形QFP
LTCC Low Temperature Co-Fired Ceramic 低温共烧陶瓷
MBGA Metal BGA 金属基板BGA
MCA Multiple Channel Access 多通道存取
MCM Multichip Module 多芯片组件
MCM-C MCM with Ceramic Substrate 陶瓷基板多芯片组件
MCM-D MCM with Deposited Thin Film Inteconnect Substrate 淀积薄膜互连基板多芯片组件
MCM-L MCM with Laminated Substrate 叠层基板多芯片组件
MCP Multichip Package 多芯片封装
MELF Metal Electrode Face Bonding 金属电极表面健合
MEMS Microelectro Mechanical System 微电子机械系统
MFP Mini Flat Package 微型扁平封装
MLC Multi-Layer Ceramic Package 多层陶瓷封装
MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit 微波单片集成电路
MOSFET Metal-Oxide-Silicon Field-Effect Transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管
MPU Microprocessor Unit 微处理器
MQUAD Metal Quad 金属四列引脚
MSI Medium Scale Integration 中规模集成电路
OLB Outer Lead Bonding 外引脚焊接
PBGA Plastic BGA 塑封BGA
PC Personal Computer 个人计算机
PFP Plastic Flat Package 塑料扁平封装
PGA Pin Grid Array 针栅阵列
PI Polymide 聚酰亚胺
PIH Plug-In Hole 通孔插装
PTF Plastic Leaded Chip Carrier 塑料有引脚片式载体
PTF Polymer Thick Film 聚合物厚膜
PWB Printed Wiring Board 印刷电路板
PQFP Plastic QFP 塑料QFP
QFJ Quad Flat J-leaded Package 四边J形引脚扁平封装
QFP Quad Flat Package 四边引脚扁平封装
QIP Quad In-Line Package 四列直插式封装
RAM Random Access Memory 随机存取存贮器
SBB Stud-Bump Bonding 钉头凸点焊接
SBC Solder-Ball Connection 焊球连接
SCIM Single Chip Integrated Module 单芯片集成模块
SCM Single Chip Module 单芯片组件
SLIM Single Level Integrated Module 单级集成模块
SDIP Shrinkage Dual Inline Package 窄节距双列直插式封装
SEM Sweep Electron Microscope 电子扫描显微镜
SIP Single In-Line Package 单列直插式封装
SIP System In a Package 系统级封装
SMC Surface Mount Component 表面安装元件
SMD Surface Mount Device 表面安装器件
SMP Surface Mount Package 表面安装封装
SMT Surface Mount Technology 表面安装技术
SOC System On Chip 系统级芯片
SOIC Small Outline Integrated Circuit 小外形封装集成电路
SOJ Small Outline J-Lead Package 小外形J形引脚封装
SOP Small Outline Package 小外形封装
SOP System On a Package 系统级封装
SOT Small Outline Transistor 小外形晶体管
SSI Small Scale Integration 小规模集成电路
SSIP Small Outline Single-Line Plug Package 小外形单列直插式封装
SSOP Shrink Small Outline Package 窄节距小外形封装
SPLCC Shrinkage Plasitc Leadless Chip Carrier 窄节距塑料无引脚片式载体
STRAM Selftimed Random Access Memory 自定时随机存取存贮器
SVP Surface Vertical Package 立式表面安装型封装
TAB Tape Automated Bonding 载带自动焊
TBGA Tape BGA 载带BGA
TCM Thermal Conduction Module 热导组件
TCP Tape Carrier Package 带式载体封装
THT Through-Hole Technology 通孔安装技术
TO Transistor Outline 晶体管外壳
TPQFP Thin Plastic QFP 薄形塑料QFP
TQFP Tape QFP 载带QFP
TSOP Thin SOP 薄形SOP
TTL Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑
UBM Metalization Under Bump 凸点下金属化
UFPD Ultra Small Pitch Device 超窄节距器件
USOP Ultra SOP 超小SOP
USONF Ultra Small Outline Package Non Fin 无散热片的超小外形封装
UV Ultraviolet 紫外光
VHSIC Very High Speed Integrated Circuit 超高速集成电路
VLSI Very Large Scale Integrated Circuit 超大规模集成电路
WB Wire Bonding 引线健合
WLP Wafer Level Package 圆片级封装
WSI Wafer Scale Integration 圆片级规模集成
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