上海大学半导体器件第二章P-N结

2-1-8
2．边界层
2-1-9
3．耗尽区
Nd Na
xpN d
0
Na N d
xn x
- Na
（a ）

x0
（c ）
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布 （b）电场
（c）电势图
图2—4单边突变结
在完全耗尽的区域，自由载流子浓度为零(n＝p＝0)，式(2-1-1)成为
，所以上面的方程式可改写为
2-1-16 2-1-17
对式(2-1-15) 再积分，可推导出电势分布为
这里取φ＝0作为在x＝xn处的边界条件。
2-1-18
利用同样的方法解方程(2-1-12) 可以求出-xpx 0区域内的电场和电势。 PN结的内建电势差则可由
求出。
若结的一边杂质浓度远高于结的另一边，如图2-4(a)所示的情形，则 此结称为单边突变结(one-sided abrupt junction)。单边突变结对于结深 很浅的扩散结是一个很好的近似。 若Na>>Nd，则xn>>xp，从而Wxn。这在物理上意味着在重掺杂一 边的空间电荷层的厚度可以忽略。 对于P区重掺杂的单边突变结(P+N结)，由于xp很小，根据电势连续性，
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶的晶片
P Si N+
SiO2 N Si
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
金属
P Si N+
SiO2
N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
P Si
2-1-3 2-1-4
2-1-5 在P型中性区采用同样的方法，得到P型中性区的电势为
2-1-6
因而，在N型一边与P型一边中性区之间的电位差为
2-1-7 从费米能级恒定的观点来看，热平衡PN结具有统一的费米能级。形成PN结之 前，N区费米能级比P区费米能级高。形成PN结之后，费米能级恒定要求N区 费米能级相对P区费米能级下降EFn-EFp。根据式(1-12-1)和式(1-12-—2)，得
（2-1-8）
10.解Poisson方程求得PN结空间电荷区内建电场、内建电势、内建电
势差和耗尽层宽度：


m 1

x xn

（2-1-16）
P+N单边突变结：
m


qNd
xn


qNd xn2 2
1
x xn
2
0

qNd xn2 2
（2-1-17） （2-1-18） （2-1-19）
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
N Si
N+
(a)在N+衬底上外延生长N 型层
紫外光
N+
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
光刻胶
SiO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 SiO2
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
光刻胶
SiO2 n Si
N+
SiO2
N Si N+
第二章 P-N结
形成PN结的最普遍方法是杂质扩散。图2-l所示为采用硅 平面工艺制备PN结的主要工艺过程和PN结结构，得到的 杂质分布与余误差函数或高斯函数相符。
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。
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。
小结
1.由两种不同材料（绝缘体除外）形成的冶金学接触叫做结或接触。半导 体结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义 地说，金属和半导体接触叫做金属－半导体接触或金属－半导体结 （MS结）。
2.根据杂质分布的情况，PN结又有突变结（P区和N区杂质过渡陡峭）、线 性缓变结（两区之间杂质过渡是渐变的）、单边突变结（一侧的杂质浓 度远远大于另一侧的质浓度的突变结）等区别。
n
Nd
n e( EFn Ei ) / KT i
p
Na
n e(Ei EEp )/ KT i
由此得到N区和P区的费米能级分别为：
EFn

Ei

KT
ln
Nd ni
EFp

Ei

KT
ln
Na ni
于是 即
q 0

EFn

EFp

KT
ln
Nd Na ni2
0
VT
ln
Nd Na ni2
2．1．1 PN结空间电荷区
（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2-3PN结示意图

p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
图2-3PN结示意图
2．1．2 电场分布与电势分布
2-1-1 2-1-1-a 2-1-1-b
1 中性区 对于N型中性区，
层宽度W’W
图2.5 单边突变结的电势分布
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
q0 VR
图2.5 单边突变结的电势分布
在反偏压的条件下
耗尽近似仍然成立，式(2-1-20)和式(2-1-23)仍然成立。 对于单边突变结，耗尽层宽度变为
令电场
，空穴连续性方程(1-15-5)变为
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；
d.除费米能级外，各个能级与真空能级平行。
小结
9.利用中性区电中性条件和费米能级恒定两种方法导出了空间电荷区内
建电势差公式：
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
方法一: 中性区电中性条件：（2-1-1）－（2-1-7）。
方法二: 费米能级恒定
形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：
对于线形缓变结为
2-2-1 2-2-2
2．2．2 少数载流子的注入与输运 扩散近似(diffusion approximation)
图2－6 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布
可以推断，在正偏压PN结中注入的少数载流子是决定的因素。多数裁流 子处于被动的地位。它们的功能只限于中和注入的少数载流子所引起的 电场。可以忽略多数载流子的影响，在注入载流子存在的区域，假设空 间电荷的电中性条件完全得到满足。于是，少数载流子将通过扩散运动 在电中性区中输运，这种近似称为扩散近似。
3. 根据热平衡系统费米能级恒定的原理也可以通过考虑载流子的扩散和漂 移说明PN结空间电荷区的形成。
4.耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以 忽略，这种近似称为耗尽近似。因此PN结空间电荷区也称为耗尽区 （或耗尽层）。
小结
5. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差 叫做内建电势差（用ψ0表示）。
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。 2．分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区 (SCR)的形成。 3．正确画出热平衡PN结的能带图(图2-3(a)、(b))。 4．导出空间电荷区内建电势差公式(2-1-7)。 5．解泊松方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和 耗尽层宽度，并记忆式(2-l-14)~式(2-l-18)。
金属
N+
SiO2
N Si
（j） P-N 结制作完成
突变结与线性缓变结
Na
-ax
NaNd
NaNd
xj 0
x
-Nd
xj
0 x
（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杂质扩散PN结的杂质分布示意图
2.1 热平衡PN结
教学要求： 1.掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边
于是空间电荷区两边的内建电势差为
即
2-1-19
P区重掺杂的单边突变结的空间电荷区内的电势分布 如图2-4所示。由式(2-1-19) 可以求出单边突变结的耗尽层宽度为
2-1-20
[例2-] 硅突变PN结二极管N侧与P侧的掺杂浓度分别为Nd＝1016cm-3和Na＝ 4×1018cm-3。计算在室温下零偏压时的内建电势差、耗尽层宽度和最大电场。 解 根据式(2—1—7)，