关于半导体芯片的那些事儿

半导体材料有着其独特的电性能和物理性能，使得半导体器件和电路具有对应的功能。半导体国产化的进程进度条正在持续加载，处于相关行业的我也在不断地了解和积累相关知识，接下来的话题主要针对半导体芯片那些事儿，希望大家能够喜欢~
从材料到器件，再从器件到材料，包含了数不清的环节，也产生了不同的职业岗位，而不能了解全面可能是步入社会，成为“打工人”之后的无奈，希望接下来的话题内容能够让大家了解到半导体的细枝末节。今天我们来聊聊半导体材料的几个小知识。
原子结构
任何事物都是由96种稳定元素和12种不稳定元素组成的，每个元素都有着不同的原子结构，不同的结构也决定了元素不同的特性。再将原子细分下去，又包含了称为亚原子粒子的三个部分：质子、中子和电子，它们有着各自的特性，不同的组合和结构决定了原子不同的特性。
最早把原子的基本结构用于解释不同元素独特的物理、化学和电性能的是丹麦的物理学家Niels Bohr(尼尔斯·玻尔)：
玻尔原子模型中，带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核外围的轨道运动，形成较稳定的原子结构，好比行星绕太阳旋转一样。

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【关于半导体芯片的那些事儿】 而每个轨道所能容纳的电子数量是有限的，在有些原子中，并不是每个位置都会被电子填满，这样结构中就留下了一个空位置--空穴，当一个轨道中电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一层的轨道上。
电阻和电容
很多材料的一个重要特性是导电性，也就是支持电流的特性，而电流的本质就是电子的流动。如果元素或者材料中的质子对外层电子的束缚相对较弱，电传导就可以进行，在这样的材料中这些电子可以很容易的建立电流，这种情况存在于大多数的金属中。
导电性我们一般以导电率表示，导电率越高，材料的导电性能越好，同时导电率的倒数我们称为电阻率，电阻率越低相应的导电性能越好。与导电性相对的是绝缘性，有些材料中表现出原子核对轨道电子的强大束缚，即对电子的移动有着较强的阻碍，比如二氧化硅就被作为半导体中的绝缘材料。
将一层绝缘体夹在两个导体之间的三明治结构，就是我们知道的电容，半导体结构中，存在着很多“三明治”结构，及我们知道的很多寄生电容。电容在存储器件中用于信息的存储，消除在导体和硅表面垒集的不利电荷，并且形成场效应晶体管中的工作器件。半导体金属传导系统需要很高的导电率，因而也就需要低电阻和低电容的材料，这些材料就是低绝缘常数的绝缘体，用于传导层间隔离的绝缘层需要高电容或者高绝缘常数的绝缘体。
本征/掺杂半导体
半导体材料，顾名思义即本身就有一些天然导电能力的材料，主要的两种半导体材料--硅(Si)和锗(Ge)，当然还有好几十种化合物半导体材料，化合物是两种或多元素化合的材料。
“本征”这个术语指的是材料处于纯净状态而不是掺杂了杂质，本征半导体即不含任何杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。但是我们使用的半导体器件中并不是本征半导体，而是通过一种掺杂工艺产生的掺杂半导体，掺杂工艺可以将特定的元素引入到本征半导体中，这些元素可以提高本征半导体的导电性，其表现出两种特性：
①通过掺杂精确控制电阻率；
②电子和空穴导电。
掺杂能够使半导体材料的电阻率达到一个有用的范围，这种半导体材料分为多电子型和多空穴型，即我们所说的N型半导体和P型半导体。下图是掺杂程度和硅电阻率之间的关系：

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纵坐标是载流子浓度，我们将电子和空穴称为载流子。N型和P型的曲线不同是由于电子和空穴移动所需要的能量不同，我们可以看出，要达到指定的电阻率，N型所需要的掺杂浓度要比P型的小。
只需0.000001%到0.1%的掺杂便可以使半导体达到有用的电阻范围，也就是可以达到精确控制电阻率区域。
电子和空穴
金属只能通过电子的移动来导电，所以其永远是N型的。而半导体材料通过掺杂特定的元素可以成为N型或者P型，即可以通过电子或者空穴来导电。下面我们就来简单了解下N型和P型半导体：
①N型半导体

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我们以砷(As)作为掺杂元素掺入到硅(Si)中，假定混合后每个砷原子被硅原子包围，砷原子外层有5个电子，其中四个与硅中的电子配对，留下来一个作为传导电子。当然掺杂元素也可以是磷(P)和锑(Sb) 。
②P型半导体

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P型半导体，是通过元素周期表中的Ⅲ族的硼(B)来掺杂的，硼的外层只有3个电子，在被硅原子包围时，三个电子与硅的电子配对，而多出一个无电子的位置，也就是空穴。
在掺杂半导体中电子和空穴不停地形成，电子会被吸入为填充的空穴，从而留下一个未填充的位置--新的空穴。
原文标题：半导体芯片那些事儿
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责任编辑：haq
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