半导体器件原理-第二章
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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。
同质结与异质结 同型结与异型结
1、金属--半导体界面 第一个被研究的半导体器件。可作为 整流接触--肖特基势垒，或用作欧姆接 触。也可以得到其他许多器件，如 MESFET.
2、pn结
具有整流特性，广泛用于电子电路的 整流、开关及其他工作中。若再加一 p 型半导体，两个p-n 结构成 p-n-p双极 晶体管。
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
(a)抛光处理后的 n型硅晶片
紫外光
N+
(b)采用干法或湿 法氧化工艺的晶片
氧化层制作
Si源自文库2
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+
(e)曝光后去掉扩 散窗口胶膜的晶片
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。
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
CCZU
第一章：pn结二极管
刘宪云 xyliu@cczu.edu.cn
从物理到器件
引言
能带理论 统计物理
pn结二极管
肖特基二极管
双 极 晶 体 管
JFET、 MESFET、 MOSFET、
HEMT
欧姆接触
半导体器件基础 半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图
理解和掌握pn结原理是学习半导体器件原理的关键。
14
本章学习要点：
1.pn结基本器件工艺； 2.掌握平衡状态下pn结的特性：内建电势、内建
电场及空间电荷区宽度等； 3.掌握pn结二极管的I-V特性； 4.了解pn结击穿。
第一章：pn结二极管
1.1 pn结的基本结构 1.2 pn结静态特性：平衡pn结 1.3 反偏 1.4 pn结电流 1.5 pn结的小信号模型 1.6 产生—复合电流 1.7 结击穿 1.8 隧道二极管
➢ 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。
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.
用于集成电路制造
工艺中。PN 结面
积可大可小，用于
高频整流和开关电
路中。
13
半导体器件的特性与工作过程均与pn结有密切联系； 稳压电路和开关电路利用pn结基本特性来工作。 通过对pn结器件的分析
建立在讨论其他半导体器件时经常用到的基本术语和 概念； 分析pn结的基本技巧也适用于研究其它半导体器件；
3、异质结界面
具有两种半导体各自的pn结都不 能达到的优良光电特性
适于制作高速开关器件、太阳能 电池及半导体激光器等。
4、金属-绝缘体-半导体结构
若用氧化物代替绝缘体，可视为 M-O-S界面。 ULSL中最重要的MOSFET器件的 基本结构。
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：
N Si
（j） P-N 结制作完成
pn结二极管
电路符号
PN结+引- -线+ ++管壳=封装形成+晶（体P）二极管 -（N）
P
- - ++ - - ++
N
- - ++
D
类型：
面接触型
点接触型
平面型
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
PN结面积小， 结电容小，用于 检波和变频等高 频电路。
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。
SiO2
N Si N+
（f)腐蚀SiO2后 的晶片
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶 的晶片
P Si N+
SiO2 N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
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
金属
N+
SiO2
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。
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。
同质结与异质结 同型结与异型结
1、金属--半导体界面 第一个被研究的半导体器件。可作为 整流接触--肖特基势垒，或用作欧姆接 触。也可以得到其他许多器件，如 MESFET.
2、pn结
具有整流特性，广泛用于电子电路的 整流、开关及其他工作中。若再加一 p 型半导体，两个p-n 结构成 p-n-p双极 晶体管。
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
(a)抛光处理后的 n型硅晶片
紫外光
N+
(b)采用干法或湿 法氧化工艺的晶片
氧化层制作
Si源自文库2
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+
(e)曝光后去掉扩 散窗口胶膜的晶片
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。
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
CCZU
第一章：pn结二极管
刘宪云 xyliu@cczu.edu.cn
从物理到器件
引言
能带理论 统计物理
pn结二极管
肖特基二极管
双 极 晶 体 管
JFET、 MESFET、 MOSFET、
HEMT
欧姆接触
半导体器件基础 半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图
理解和掌握pn结原理是学习半导体器件原理的关键。
14
本章学习要点：
1.pn结基本器件工艺； 2.掌握平衡状态下pn结的特性：内建电势、内建
电场及空间电荷区宽度等； 3.掌握pn结二极管的I-V特性； 4.了解pn结击穿。
第一章：pn结二极管
1.1 pn结的基本结构 1.2 pn结静态特性：平衡pn结 1.3 反偏 1.4 pn结电流 1.5 pn结的小信号模型 1.6 产生—复合电流 1.7 结击穿 1.8 隧道二极管
➢ 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。
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.
用于集成电路制造
工艺中。PN 结面
积可大可小，用于
高频整流和开关电
路中。
13
半导体器件的特性与工作过程均与pn结有密切联系； 稳压电路和开关电路利用pn结基本特性来工作。 通过对pn结器件的分析
建立在讨论其他半导体器件时经常用到的基本术语和 概念； 分析pn结的基本技巧也适用于研究其它半导体器件；
3、异质结界面
具有两种半导体各自的pn结都不 能达到的优良光电特性
适于制作高速开关器件、太阳能 电池及半导体激光器等。
4、金属-绝缘体-半导体结构
若用氧化物代替绝缘体，可视为 M-O-S界面。 ULSL中最重要的MOSFET器件的 基本结构。
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：
N Si
（j） P-N 结制作完成
pn结二极管
电路符号
PN结+引- -线+ ++管壳=封装形成+晶（体P）二极管 -（N）
P
- - ++ - - ++
N
- - ++
D
类型：
面接触型
点接触型
平面型
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
PN结面积小， 结电容小，用于 检波和变频等高 频电路。
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。
SiO2
N Si N+
（f)腐蚀SiO2后 的晶片
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶 的晶片
P Si N+
SiO2 N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
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
金属
N+
SiO2