主要介绍以硅材料为主的半导体器件,以及由这些半导体器件及其他电子元器件所构成的当代集成电路不断按比例缩小所面临的挑战及可能的解决方案。

   半导体器件与集成电路经历了艰难曲折的发展历程。第二次世界大战结束后不久,美 J112RLRAG国贝尔实验室开始研制新一代的固体器件以取代可靠性差又非常笨重的真空电子器件,具体由肖克莱(William Shockley)负责。终于在1947年的圣诞节期间,肖克莱的两位同事――理论物理学家巴丁(John Bardeen)和出生于中国厦门的实验物理学家布拉坦(Waltcr Brattain),在一个三角形石英晶体底座上将金箔片压到一块锗半导体材料表面并形成两个点接触,当一个接触点为正向偏置(即本目对于第三点加正电压),而另一个接触点为反向偏置时,可以观察到将输人信号放大的晶体管行为。他们把这一发明称为“点接触晶体管放大器”,它可以传导、放大和开关电流。

1949年肖克莱发表了关于PN结理论及一种性能更好的双极型晶体管(Blp°larJunction Transist°r,BJT)的经典论文,通过控制中间一层很薄的基极上的电流,实现放大作用,并手次年制成具有PN结的锗晶体管。「l]由于双极型晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能,比当时的主流产品真空电子管性能可靠、耗电节省,更为突出的是体积小得多,因此在应用上受到广泛重视,它很快取代真空管作为电子信号放大组件,成为电子工业的强大引擎,由此引发了一场电子革命,将人类文明带入现代电子时代,被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。他们三人(肖克莱、巴丁、布拉坦)囚此分享了1956年度的诺贝尔物理奖。自第一个晶体管被发明以来,各式各样的新型半导体器件凭借更先进的技术、更新的材料和更深人的理论被发明。

    N型半导体和P型半导体

   单晶硅具有准金属的物理性质,有较弱的导电性,其电导率随温度的升高而增加,有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体,基本上不导电。在硅晶体中掺人微量的ⅤA族杂质原子(如磷、砷、锑等),可形成N型半导体,电子(带负电)是其导电的主要载流子。这是囚为这些杂质原子和硅原子形成共价键结构时,其外围五个电子中的四个会留下一个电子不受共价键束缚而成为自由电子,于是N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电。在硅晶体中掺入微量的ⅢA族杂质原子(如硼、铟等),将形成P型半导体,空穴(带正电)是其导电的主要载流子。这些杂质原子和硅原子形成共价键结构时,其外围只有三个电子,比硅原子少了一个电子而留下了一个空缺,即空穴。当空穴被其他邻近的电子补上时,那补位的电子原先的位置便又留下了一个新的空穴,这个空穴的转移可视为正电荷的运动,成为能够导电的载流子。