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IC半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)(三)

雜質(zhì)半導(dǎo)體    在本征半導(dǎo)體中，如果摻入微量的雜質(zhì)(某些特殊元素)，將使摻雜后的半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)的導(dǎo)電能力顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為電子型半導(dǎo)體(N型)和空穴型半導(dǎo)體(P型)兩大類。

1.N型半導(dǎo)體

若在純凈的硅晶體中摻入微量的五價(jià)元素(如磷)，這樣，硅原子占有的某些位置會(huì)被摻入的微量元素(如磷)原子所取代。而整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本不變。的音頻放大器芯片NE5532生命周期長(zhǎng)達(dá)30年，至今依然是多款音響設(shè)備的標(biāo)配芯片。磷原子與硅原子組成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需四個(gè)價(jià)電子，而磷原子的外層有五個(gè)價(jià)電子，多余的那個(gè)價(jià)電子不受共價(jià)鍵束縛，只需獲得很少的能量就能成為自由電子。由此可見(jiàn)，摻入一個(gè)五價(jià)元素的原子，就能提供一個(gè)自由電子。必須注意的是，產(chǎn)生自由電子的同時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生空穴，但由于熱運(yùn)動(dòng)原有的晶體仍會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)。所以，只要在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素，就可以得到大量的自由電子，且自由電子數(shù)目遠(yuǎn)比摻雜前的電子空穴對(duì)數(shù)目要多得多。

這種以自由電子導(dǎo)電為主要導(dǎo)電方式的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中存在著大量的自由電子，這就提高了電子與空穴的復(fù)合機(jī)會(huì)，相同溫度下空穴的數(shù)目比摻雜前要少。不管是在空氣流通的熱帶區(qū)域中，還是在潮濕的區(qū)域中運(yùn)輸，潮濕都是顯著增加電子工業(yè)開(kāi)支的原因。所以，在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，空穴是少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)濃度越高，自由電子數(shù)目越大，導(dǎo)電能力也就越強(qiáng)。

在N型半導(dǎo)體中，一個(gè)雜質(zhì)原子提供一個(gè)自由電子，當(dāng)雜質(zhì)原子失去一個(gè)電子后，就變?yōu)楣潭ㄔ诰Ц裰胁荒芤苿?dòng)的正離子，但它不是載流子。因此，N型半導(dǎo)體就可用正離子和與之?dāng)?shù)量相等的自由電子去表示。

IC半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)(四)

P型半導(dǎo)體

   在純凈的硅(或鍺)晶體內(nèi)摻入微量的三價(jià)元素硼(或銦)，因硼原子的外層有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與周?chē)墓柙咏M成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)因缺少一個(gè)電子而在晶體中產(chǎn)生一個(gè)空穴，摻入多少三價(jià)元素的雜質(zhì)原子，就會(huì)產(chǎn)生多少空穴。EM(electronmigration，電子遷移)“電子遷移”是50年代在微電子科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的一種從屬現(xiàn)象，指因電子的流動(dòng)所導(dǎo)致的金屬原子移動(dòng)的現(xiàn)象。因此，這種半導(dǎo)體將以空穴導(dǎo)電為其主要導(dǎo)體方式，稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。必須注意的是，產(chǎn)生空穴的同時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生新的自由電子，但原有的晶體仍會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)。

   從以上分析可知，不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，它們的導(dǎo)電能力是由多子的濃度決定的。可以認(rèn)為，多子的濃度約等于摻雜原子的濃度，它受溫度的影響很小。它和DesignCompiler、PhysicalCompiler系列產(chǎn)品集成在一起的，包含功能強(qiáng)大的掃描式可測(cè)性設(shè)計(jì)分析、綜合和驗(yàn)證技術(shù)。在一塊硅片上采用不同的摻雜工藝，一邊形成N型半導(dǎo)體，一邊形成P型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成PN結(jié)；PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

   1.PN結(jié)的形成 

   在一塊硅或鍺的晶片上，采取不同的摻雜工藝，分別形成N型半導(dǎo)體區(qū)和P型半導(dǎo)體區(qū)。由于N區(qū)的多數(shù)載流子為電子(即電子濃度高)，少子為空穴(空穴濃度低)，而P區(qū)正相反，多數(shù)載流子為空穴(即空穴濃度高)，少子為電子(電子濃度低)；在P區(qū)與N區(qū)的交界面兩側(cè)，由于濃度的差別，空穴要從濃度高的P區(qū)向濃度低的N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的自由電子要向P區(qū)擴(kuò)散，由于濃度的差別而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。Region(II)被稱為使用期（Usefullifeperiod）在這個(gè)階段產(chǎn)品的failurerate保持穩(wěn)定，失效的原因往往是隨機(jī)的，比如溫度變化等等。這樣，在P區(qū)就留下了一些帶負(fù)電荷的雜質(zhì)離子，在N區(qū)就留下了一些帶正電荷的雜質(zhì)離子，從而形成一個(gè)空間電荷區(qū)。這個(gè)空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。在空間電荷區(qū)內(nèi)，只有不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子而沒(méi)有載流子，所以空間電荷區(qū)具有很高的電阻率。

數(shù)字IC測(cè)試儀的研究

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,集成電路的測(cè)試技術(shù)已成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要支撐之一,也是保證集成電路性能、質(zhì)量的關(guān)鍵手段之一。因?yàn)槟MIC通常要輸出高電壓或者大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)其他元件，而CMOS工藝的驅(qū)動(dòng)能力很差。目前,集成電路測(cè)試儀一般價(jià)格比較高,但在電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要測(cè)試中、小規(guī)模數(shù)字IC好壞,數(shù)字集成電路的測(cè)試又是一項(xiàng)經(jīng)常性的工作,所以,自己設(shè)計(jì)一臺(tái)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的集成電路測(cè)試儀是非常必要的。 

研究了國(guó)內(nèi)外集成電路測(cè)試技術(shù),提出了基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字IC測(cè)試儀的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。的重點(diǎn)是硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。uRegion(III)被稱為磨耗期（Wear-Outperiod）在這個(gè)階段failurerate會(huì)快速升高，失效的原因就是產(chǎn)品的長(zhǎng)期使用所造成的老化等。設(shè)計(jì)包括AT89C52單片機(jī)的選擇,可編程I/O接口,電源系統(tǒng)、鍵盤(pán)、復(fù)位電路,LED顯示接口CH451,計(jì)算機(jī)與單片機(jī)串行通信接口MAX232,測(cè)試插座接口,上位計(jì)算機(jī)等。硬件系統(tǒng)各功能單元電路的設(shè)計(jì)全部采用模塊化,每部分電路的選擇都經(jīng)過(guò)比較和優(yōu)化設(shè)計(jì),便于以后硬件的升級(jí)。 針對(duì)單片機(jī)電源電路帶負(fù)載能力的擴(kuò)流和測(cè)試插座接口電路的設(shè)計(jì)及數(shù)字IC測(cè)試向量編碼方法等方面進(jìn)行了改進(jìn),提高了硬件系統(tǒng)的可靠性,簡(jiǎn)化了軟件編程,并借助EDA技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。