半导体器件物理-课件-第二章

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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）。 3
12
（2-1-19）
2k 0 0 W xn qN d
（2-1-20）
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2.2 加偏压的 P-N 结
20
2.2 加偏压的 P-N 结

2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N W W
（a ） 能量 （E ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
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引言

采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
SiO 2
N Si
N
+
N Si
N+
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
(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
掩模板
光刻胶
光刻胶 SiO2
SiO 2
N Si N+
SiO 2
N Si
N
+
n Si
N+
（d)图形掩膜、曝光
pn nn
12 3 p 010 cm
，
pn 0 105
q p x
12 3 n 010 cm
x
nn 0 1015
q n x
x
图 2- 7 注入 P

N
结的 N 侧的空穴
及其所造成的电子分布
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2.2 加偏压的 P-N 结
根据能带图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 EF ＝ EFP 。在空间电荷区由于 n 、 p<<ni ，可以认为费米能级不变即等 于 EFP 。在N型中性区 EF ＝ EFN 。同样，在空间电荷区，于是从空间电荷区两 侧开始分别有一个费米能级从EFP 逐渐升高到 EFN 和从 EFN 逐渐下降到 EFP 的区 域。这就是P侧的电子扩散区和 N侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的 根据）。

在反偏压下，耗尽层宽度为
2k 0 0 VR 2 W qN d
1
（2-2-1）
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2.2 加偏压的 P-N 结

内建电势差
0 n p VT ln
Nd Na ni2
给出了结边缘的少数载流子浓度： 和

n p n p0 eV VT
pn pn0 eV VT
第二章 P-N结
1
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）。
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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；
SiO2
N Si N+
(i)蒸发/溅射金属
（j） P-N 结制作完成
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引言
突变结与线性缓变结
Na
Na Nd
Na Nd
-ax
xj
xj 0 x -Nd
0
x
（a）突变结近似（实线）的窄 （b）线性缓变结近似（实 扩散结（虚线） 线）的深扩散结（虚线）
图 2.2
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引言
0 x x j , N ( x) N a x j x, N ( x) N d
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2.2 加偏压的 P-N 结
在 电 子 扩 散 区 和 空 穴 扩 散 区 ，E F 不 等 于 常 数 ， 必 有 电 流 产 生 ， 由 于 EF 0，电流沿x轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注入 x 的 非 平 衡 少 子 浓 度 很 大 ， 因 此 在 空 间 电 荷 区 边 界 电 流 密 度 也 很 大 (J P ( x) p( x)q ) 离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡 ＝ ( x) x 少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。 反偏 压 -VR 使得 PN 结 N 型中性 区 的 费 米能 级 相 对 于 P 型中性 区 的降低 qVR 。 扩 散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽 取作用，在扩散区载流子很少， P ( x) p( x)q 很 小 ， 因 此 虽 然 有 很 大 的 费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。

外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意
味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。

均匀掺杂。 空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。 小注入，即
pn pn0eV VT nn 0 和 n p n p0eV VT PP 0
半导体非简并
（2-2-11） （2-2-12）
在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于 是稳态载流子输运满足扩散方程
。
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2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
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2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性

理想的P-N结的基本假设及其意义
0
（c）电势图
图2-4 单边突变结
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2.1 热平衡PN结
泊松方程
d 2 q ( p n Nd Na ) dx 2
（2-1-6）
中性区 内建电势差
0 n p VT ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
边界区 宽度＝3×特征长度（非本征德拜长度）
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2.1热平衡PN结
突变结：
线性缓变结：在线性区
N ( x) Na Nd ax
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2.1 热平衡PN结
14
2.1 热平衡PN结
p
p
EC
n
E
扩散 q 0
n
漂移
EC EF EV
EF EV
p
扩散 漂移
n
EC EF Ei EV
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
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2.1 热平衡PN结
5
•
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。
EFn
P
+
N V

（b ）
EFp
q 0 V qV EFn
（b）加正向电压，耗尽
层宽度W’W
图2.5 单边突变结的电势分布
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2.2 加偏压的 P-N 结

2.2.1加偏压的结的能带图
W
P
VR +
（c ） 能量 （E ）
N
IRq 0 VRqVR（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
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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
102 102
N bc 1014 cm 3
10 10
N bc 1014 cm 3
W m
1.0 101
10
16
1.0 101
1016
10 10
2
18
1018 102 103 102 102 101 1.0 10 102 103
4
氧化工艺：
1957年人们发现硅表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。
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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。