第二章 P-N结
半导体器件物理
引言
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属-半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件-整流器。PN结含有丰富的物理知识,掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。
由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触)所形成的结构叫做PN结。
任何两种物质(绝缘体除外)的冶金学接触都称为结(junction),有时也叫做接触(contact).
引言
由同种物质构成的结叫做同质结(如硅),由不同种物质构成的结叫做异质结(如硅和锗)。由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结(如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗),由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结(如P-硅和N-硅、P-硅和N-锗)。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说,金属和半导体接触也是异质结,不过为了意义更明确,把它们叫做金属-半导体接触或金属-半导体结(M-S结)。
引言
70年代以来,制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术:
1950年美国人奥尔(R.Ohl)和肖克莱(Shockley)发明的离子注入工艺。
1956年美国人富勒(C.S.Fuller)发明的扩散工艺。
1960年卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。
1970年斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代,才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。
上述工艺和真空镀膜技术,氧化技术加上测试,封装工艺等构成了硅平面工艺的主体。
氧化工艺:
1957年人们发现硅
表
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面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。
在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条:
(1)对杂质扩散的掩蔽作用;
(2)作为MOS器件的绝缘栅材料;
(3)器件表面钝化作用;
(4)集成电路中的隔离介质和绝缘介质;
(5)集成电路中电容器元件的绝缘介质。
硅表面二氧化硅薄膜的生长方法:热氧化和化学气相沉积方法。
扩散工艺:由于热运动,任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动,使其趋于均匀的趋势,这种现象称为扩散。
常用扩散工艺:液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。
液态源扩散工艺:使保护气体(如氮气)通过含有扩散杂质的液态源,从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解,在硅片四周形成饱和蒸汽压,杂质原子通过硅片表面向内部扩散。
离子注入技术:
将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子,在强电
场下加速,获得较高的能量(1万-100万eV)后直接
轰击到半导体基片(靶片)中,再经过退火使杂质激
活,在半导体片中形成一定的杂质分布。
离子注入技术的特点:
(1)低温;
(2)可精确控制浓度和结深;
(3)可选出一种元素注入,避免混入其它杂质;
(4)可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层;
(5)控制离子束的扫描区域,可实现选择注入,不需掩膜技术;
(6)设备昂贵。
外延工艺:
外延是一种薄膜生长工艺,外延生长是在单晶衬
底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶
材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型,不同杂质浓度,杂质分布陡峭的外延层。
外延技术:汽相外延、液相外延、分子束外延
(MBE)、热壁外延(HWE)、原子层外延技术。
光刻工艺:
光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线,表面钝化
等工艺而使用的一种工艺技术。
光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物
(由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成)涂敷在半导体晶片表
面上。受特定波长光线的照射后,光刻胶的化学结构发生变化。
如果光刻胶受光照(曝光)的区域在显影时能够除去,称之为
正性胶;反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留,未曝
光的胶被除去称之为负性胶;
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
(a)抛光处理后的型硅晶片
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
(d)图形掩膜、曝光
(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片
(f)腐蚀SiO2后的晶片
引言
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散(或离子注入)形成 P-N结
(i)蒸发/溅射金属
(j) P-N 结制作完成
采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
引言
突变结与线性缓变结
(a)突变结近似(实线)的窄扩散结(虚线)
(b)线性缓变结近似(实线)的深扩散结(虚线)
图 2.2
引言
突变结:
线性缓变结:在线性区
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
(a)在接触前分开的P型和N型硅的能带图
(b)接触后的能带图
图2-3
2.1 热平衡PN结
(c) 与(b)相对应的空间电荷分布
图2-3
电场 定义为电势 的负梯度
电势与电子势能的关系为
可以把电场表示为(一维)
取
表示静电势。
与此类似,定义
为费米势。
于是
式中 称为热电势.
在热平衡情况下,费米势为常数,可以把它
取为零基准,于是
非均匀的杂质分布会在半导体中引起电场,称为自
建电场。在热平衡情况下,由
对于N型半导体,有
对于P型半导体,有
2.1 热平衡PN结
图2-4 单边突变结
(a)空间电荷分布
(b)电场
(c)电势图
单边突变结电荷分
布、电场分布、电
势分布
2.1 热平衡PN结
小结
名词、术语和基本概念:
PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、
耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。
分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区(SCR)的形成 。
介绍了热平衡PN 结的能带图(图2.3a、b)及其画法。
利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差
公式
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:
2.1热平衡PN结
小结
解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度:
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2.1加偏压的结的能带图
图2.5 单边突变结的电势分布
(a)热平衡,耗尽层宽
度为 W
(b)加正向电压,耗尽
层宽度W’W
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2.1加偏压的结的能带图
(c)加反向电压,耗尽层宽度W’>W
图2.5 单边突变结的电势分布
2.2 加偏压的 P-N 结
注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布
图
2
-
7
注入
N
P
-
+
结的
N
侧的空穴
及其所造成的电子分布
2.2 加偏压的 P-N 结
耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果
2.2 加偏压的 P-N 结
小结
名词、术语和基本概念:
正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区
介绍了加偏压PN结能带图及其画法
根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性:
正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高qV。在P型中性区 = 。在空间电荷区由于n、p<
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