南一中高瞻計畫 半導體概論 演講人:許渭州 國立成功大學電機系教授兼系主任 國立成功大學微電子工程研究所教授 95.09.20 於成大電機系

一. 什麼是半導體（Semiconductor）？ 半導體是一種導電性介於導體與絕緣體之間的材料 單元素：Si，Ge 化合物： 二元（Binary）化合物 IV-IV族：SiC，SiGe….. III-V族：AlAs，InSb，GaAs，InP，GaP….. II-VI族：ZnSe，ZnS，CdSe，CdS….. IV-VI族：PbS，PbTe…..

（2）三元（Ternary）化合物 III-III-V族：AlxGa1-xSbx….. III-V-V 族：AlAs1-xSbx…. II-II-Vi 族：HgCdTe… II-VI-VI 族：ZnSSe…… II-IV-V 族：ZnGeAs2 （3）四元（Quaternary）化合物： InxGa1-xAsyP1-y，AlxGa1-xAsySb1-y…..

一般而言，導體與絕緣體之導電性不容易改變。 但是，半導體之導電性卻可以藉由外界力量， 例如：照光、加電壓、溫度、磁場、摻入雜質 而隨心所欲、快速的改變。

共價鍵 Si 純矽為四價 ,提供4個價電子與其他矽原子共享 ,形成共價鍵 . 0 K時 ,所有價電子均被束縛在共價鍵內 ,其導電係數為0 ,即電子濃度為0 . > 0 K時,價電子得到能量 ,脫離共價鍵形成自由電子 ,導電係數及電子濃度增加 . 室溫時 ,電子濃度可達 1.5 *1010 電子/cm3 ( 導電係數 σ= nqμ , μ = v / Ε : mobility )

古典物理 E=P2/2m

量子物理 Bandgap （能隙）

導電帶(Conduction Band) 與 價電子帶(Valence Band) Ec Ev 導電帶 價電子帶 Eg (能隙)

Ec Ev T = 0 K Ec Ev T > 0 K Eg T = 0 K時 ,所有電子均在價電子帶 , 為不自由電子 T > 0 K時 ,某些電子跑到導電帶 , 形成自由電子

電子( Electron ) 與 電洞( Hole ) 在價電子帶 , 由於電子跑到導電帶 , 留下空缺 , 在加上電場或能量後 ,可看到電子往左移 , 相當於空缺 往右移 . 因此空缺可看成是帶正電的”電洞” . before ε=0 after + ε -

電子在導電帶傳導 , 且能階較高 , 即 mobility 較大 . 電洞在價電子帶傳導 , 且能階較低 , 即 mobility 較小 . 因此 , 半導體元件有電子流(electron current)及 電洞流(hole current) .

由 Mass action law p‧n=ni2 若電子濃度 n 個/cm3 若電洞濃度 p 個/cm3 由 Mass action law p‧n=ni2 ni為純矽之電子濃度，在某溫度時為定值。 純矽(即未外加雜質前)時，p=n=ni，即n個電子跑到導電帶，亦會留下相同數量的空缺(即電洞)

摻入雜質(Impurity doping) 若將5價的雜質(例如磷)摻入矽中，且取代矽原子 ，則一個磷會釋放一個自由電子 Si P 因此，電子濃度增加，而電洞會減少 (∵pn=ni2) 形成n型半導體

相對的，若加入了3價雜質(例如硼)，則會使電洞增加，形成p型半導體 Si B

ε 二極體(Diode) 當p型與n型半導體接觸時， p型中的電洞會藉由擴散往n型移動，留下負離子 空乏區 (Depletion region) 當p型與n型半導體接觸時， p型中的電洞會藉由擴散往n型移動，留下負離子 n型中的電子會藉由擴散往p型移動，留下正離子 此種正負離子形成電場，阻止上述行為，而形成 空乏區，空乏區大小代表阻抗大小

當加入順向偏壓 (即p型端加”正”，n型端加”負” )， 空乏區變小，電場變小，阻抗變小，則產生電流。 當加入反向偏壓 (即p型端加”負”，n型端加”正” )， 空乏區變大，電場變大，阻抗變大,則無電流。 ∴產生開關的作用

當Drain與Source間加電壓時，可產生電流， 在Gate施加一小偏壓即可很容易控制S-D間之電流 場效電晶體(Field Effect Transistor，FET) Gate(G) Drain(D) Source(S) 半導體 當Drain與Source間加電壓時，可產生電流， 在Gate施加一小偏壓即可很容易控制S-D間之電流 若將Gate電壓視為輸入端 S-D電流視為輸出端則 >1 即所謂放大(Amplification)

Source:自來水廠送水站 Drain:下水道 Gate:用戶水龍頭 只要輕轉水龍頭，即可輕易控制水流量 Source 自來水廠送水站 因此，對用戶而言，即有放大作用

與Si比較，GaAs 具有下列優點 : 1.在低電場時，μGaAs = μSi 之5~7倍， μInGaAs 更大(與In含量有關) Vsat, GaAs =1.5* Vsat, Si Vsat, InGaAs =2* Vsat, Si 因此，化合物半導體適合朝向微波、毫米波高功率元件及發光元件之應用發展. 2. Eg,GaAs= 1.42 eV Eg,Si= 1.12 eV Eg,InP= 1.34 eV Eg,GaP= 2.27 eV ∵ ni 隨 Eg 增加而減少，因此化合物半導體較易獲得半絕緣性基板，漏電流較少，耐高壓，可製成MMIC(monolithic microwave integrated circuit)

由於Si之ni 較高，substrate 較易有漏電流，在製作IC時較不利，會有”Latch-up”現象產生，因此會有SOI基板之研發 3. 多數化合物半導體具有直接能隙(Direct Bandgap)結構(即導電帶能量最低點之電子和價電帶最高點之電洞可以不需改變晶格動量即可直接達成復合功能而發光)可製成發光元件或Optoelectronic Intergrated Circuit(OEIC) 4.化合物半導體具有抗輻射優點，可應用於外 太空 5.可設計成異質接面(很容易將電子或電洞侷限在某一區域而達成同質接面結構無法達成的目的)

二、高頻高功率Ⅲ–Ⅴ半導體元件之分類 元件類別 化合物半導體 場效電晶體 MESFET(金屬半導體場效電晶體)，HEMT(高電子移動度電晶體)，PHEMT(假晶高電子移動電晶體) 雙極電晶體 HBT(異質接面雙極電晶體) 表 1 三-五族化合物半導體元件分類

三.場效電晶體(Field-Effect Transistor , FET) (一)MESFET (Metal-Semiconductor FET)

原理：通道結構為- Schottky contact，以 其產生之空乏區控制由Source -> Drain 之載子。 特點：結構簡單，製程容易，成本低，但線性效果、放大率、mobility(速度)均不佳。

(二)HEMT( High Electron Mobility Transistor)

(二)HEMT( High Electron Mobility Transistor)

原理：1.通道使用異質接面( Heterojunction )，即一高 能隙與一低能隙之半導體接面。 2.將雜質摻雜於高能隙之半導體，載子利用高低能 隙間之導電帶能帶差(△Ec)進入未摻雜之低能隙 半導體。 3.造成High mobility的原因： (1)載子遠離 donor parents，scattering 效應大幅降 低(spacer與△Ec 阻隔) (2) channel為未摻雜 4.形成Two-Dimensional Electron Gas(2DEG)： 位於低能隙半導體且在導電帶上，其mobility及載 子密度均大幅優於MESFET。

(三) PHEMT( Pseudomophic HEMT)

原理：在HEMT 構造中，將2DEG通道層(即低能隙半導 體)之材料換成與高能隙半導體形成具有strain,但在 臨界厚度內仍有Lattice-match效果的材料 例如：AlxGa1-xAs/InxGa1-xAs 特點：1. 由於InxGa1-xAs比GaAs之Bandgap更小，且 在臨界厚度內仍具有與AlxGa1-xAs晶格匹配之 優點，其△Ec大，可增加n2DEG與mobility， 侷限載子效果佳，直流與高頻特性均大幅提升。 2. 但需特別注意strain問題。

(四) Metamorphic HEMT

原理：1.利用GaAs substrate 取代InP substrate。 2.在GaAs substrate 上長成一層Graded且厚的 Buffer，以釋放strain。 特點：1.GaAs substrate 較InP耐高電壓。 2.可成長較AlGaAs/InGaAs較高之In成分 (x=0.53)，mobility及n2DEG均可提高。 3.GaAs之尺寸較InP大，不易碎，較便宜。

四 、 射頻積體電路(Radio Frequency Integrated Circuit, RFIC) 一、射頻亦稱微波:300MHz~300GHz 之電磁訊號 具高頻信號之穿透性 處理與轉換高頻信號 目前以800MHz~5GHz之產品最普遍 包括 GSM 行動電話 (800~900MHz) GPS 全球定位系統 (1.5GHz) PCS/DCS 無線電話 (1.8~1.9GHz) 藍芽與802.11b 無線區域網路 (2.4~2.8GHz) 802.11a (5GHz)

微波通訊為透過射頻與中頻之結合，接收信號將射頻 中頻 基頻(20KHz以下) 發射信號將基頻 中頻 射頻

射/中頻半導體元件，在行動電話成本約佔20% 行動電話的半導體成本結構 射/中頻半導體元件，在行動電話成本約佔20%

射頻晶片製程包括GaAs、SiGe、Si GaAs RF晶片 − 功率放大器與光通訊產品 SiGe RF 晶片 − 手機、無線區域網路 Si RF 晶片 − 短距離、低頻帶

1998~2005年行動電話與相關PA元件市場規模

終端應用產品 IC設計 磊晶片 晶圓代 工 封 裝 測 試 шV GaAs 絡達 鎵葳 漢威光電 加達士 和茂 嘉矽 和康 凌翔 台達電 聯邦國際 大紘 津勤 聯發 Silicon 威盛 揚智 系統 瑞昱 偉詮 凌陽 民生 鈺創 華邦 旺宏 太欣 聯發 шV 博達 全新光電 巨鎵 聯詮 台灣高平 翔名 聯達 元砷光電 勝美 勝陽 IV 先進材料 穩懋 宏捷 尚達 中威 GCT 華森 漢磊 立生 漢揚 世環 台積電 聯電 環隆 國碁 鎵葳 同欣 麥瑟 華治 菱生 南岩 聯鈞 宇通全球 智森 京元 宏宇 宏測 全天時 無線區域網路 行動電話 正文 智捷 陽慶 環隆 友訊 智邦 訊州 訊康 明碁 大霸 華冠 廣達 英業達 仁寶 華碩 金 國碁 亞旭 合勤 明碁 宏傳 連展 致福 華寶 金寶 鴻海

五、高頻高功率之應用 （一）X-band（9.3~10.4GHz）超高功率放大器：可應用於新式雷達。 如：X-band phase array radar, 具有低干擾、高輸出功率、高效率及體積小之特色。 1. X-band phase array radar：利用二維相位陣列達到雷達功能，不需像傳統雷達一直轉動，但需相當多數量的放大器。

2. X-band Ground Based Radar: 架設於地面，以監控、追蹤、識別並攔截彈道飛彈。雷達束可達360°，平均功率170kW，偵測範圍達400km，有81,000個傳送與接收器。 3. X-band Doppler Weather Radar: 利用杜普勒效應偵測天氣。

（二）Ka – band (28.5~30.5GHz): 近年來新開發之高頻無線通訊頻帶，主要應用於衛星無線上網與聲影大量資料之無線傳遞（VSAT）與區域無線多頻道電視（LMDS）。

VSAT（Very Small Aperture Terminal）系統為一種隱密性高、經濟可靠之通訊網，輕薄短小易安裝，可取代龐大衛星站。VSAT需要高頻、高功率、高線性度。 （1）點對點雙向電話、傳真、數據、影像之傳 輸，傳輸速率由64 kbps~45 Mbps，，透過衛星鏈路直接與國外網際網路主幹連結，大幅提高傳輸效率與速度。

（2）LMDS（Local Multiple Distribution System） 由一個發射台和多個接收台組成，可載送50個數位電視頻道，其工作頻率為28GHz及31GHz bands(500MHz bandwidth at 28GHz and 300MHz bandwidth at 31GHz)。

五、結論: 1. 將來操作頻率在10GHz以上或功率在30dBm以上均為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體之天下，且以HEMT和PHEMT為主。 2. 材料以GaAs 和 InP為主。 3. 將來可將主動元件與被動元件合成高頻高功率之單晶微波積體電路（MMIC）。

敬請指教 謝 謝