PN结原理及制备工艺

本征半导体（Intrinsic Semiconductor)
➢完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
本征半导体的共价键结构
+4
+4 +4
+4
+4 +4
+4
+4 +4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
束缚电子
• 【p型半导体】“p”表示正电的意思。在这种半导体中，参与导电的主要是带正 电的空穴，这些空穴来自于半导体中的“受主”杂质。所谓受主杂质就是掺 入杂质能够接受半导体中的价电子，产生同数量的空穴，从而改变了半导体 的导电性能。例如，半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主。 如果某一半导体的杂质总量中，受主杂质的数量占多数，则这半导体是p型半 导体。如果在单晶硅上掺入三价硼原子，则硼原子与硅原子组成共价键。由 于硼原子数目比硅原子要少很多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位 置上的硅原子被硼原子所代替。硼是三价元素，外层只有三个价电子，所以 当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质 的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大 增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要 kao空穴导电，所以叫做空穴半 导体，简称p型半导体。
做为扩散的掩蔽膜。 4、氧化层的厚度需要大于设计的厚度，为什么？
(2) 涂胶
photoresist
问题： 1、涂胶.avi过程 2、光刻胶分类，作用，常用的光刻胶？
聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶 3、涂胶后，曝光前，有一个对光刻胶加固的过程叫做？？
烘烤
Mask 1
Mask 黑色部分都是不透光的，中间的白色部分是做扩散的位置。
• 当加上正向电压（正偏）且大于0.5V时，在外电场的作用下，多子向 PN结运动，负电荷得到空穴中和，正电荷得到电子中和，因而PN结变窄， 扩散运动较之前又会变强。同时，因为电源不断补充电子和空穴，使得多 子的运动得以持续形成电流。
• 当加上反向电压（反偏）时，与内部电场方向一致，多子向PN结反方 向移动使PN结变宽，只有少子的漂移运动，因为数目很少，所以形成的 反向电流近乎于0，可认为阻断。要注意的是，若反向电压过大，则会导 致击穿。原因是电场强制性地将电子拉出变成自由电子；而且当反向电流 很大时发热也会很厉害，而半导体受温度影响很大，当温度升高时导电性 会急剧增加。
二、PN结反向偏置 PN结外加反向电压（P区接电源的负极，N区接
电源的正极，或P区的电位低于N区电位），称为反 向偏置，简称反偏。
在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空 间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利 于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂 移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。 因少子浓 度很低，反向电流远小于正向电流。
PN结的单向导电性
一、PN结正向偏置 PN结外加正向电压（P区接电源的正极，N区
接电源的负极，或P区的电位高于N区电位），称 为正向偏置，简称正偏。
在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结 果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多 子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要 作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向 Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区， 这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。
场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导
体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴
的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。
• 首先是空穴的产生。当半导体内掺入硼原子后，相当于占据了一个硅原子 （锗原子）的位置，因为硼原子最外层只有3个电子，当这些电子与周围 硅原子（锗原子）形成共价键的时候，自然就空出一个位置。因此，周围 的硅原子（锗原子）的电子很容易就可以跑到空出的位置上，从而形成空 穴。所谓空穴的移动，其实是这些电子在移动，方向相反，我觉得这一点 和导体内电流方向与自由电子移动相反差不多。
2、硅片表面的化学清洗
涉及到知识：去除硅片表面杂质的方法及化学原理 （有机物、吸附的金属离子和金属原子的化学清洗）
晶体生长，晶圆切、磨、抛
(1) 氧化
SiO2
p-Si
问题： 1、二氧化硅薄膜作用及制备的方法有哪些？ 涉及到知识：薄膜生长
2、此处的二氧化硅薄膜的作用是？ 涉及到知识：薄膜生长
3、为什么要双面氧化？ 为后续的磷扩散做准备。热生长一层氧化层
Mask的剖面图
（3）曝光
问题： 1、光刻的作用？ 在氧化层上刻出扩散窗口，这个窗口最终将成为pn结 二极管的位置。 2、图中使用的是正胶，如果用负胶如何修改工艺？
（4）显影
问题： 1、什么是显影工艺？ 用显影液除去曝光后硅片上应去掉的那部分光致蚀剂
的过程 2、显影后有一步烘烤的工艺叫什么，作用是？ 坚膜，除去光刻胶 3、显影液选择的注意事项。
区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留
下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，
它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的
PN结。
•
3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动
•
在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电
❖当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随 外加电压而变化，故称为 反向饱和电流 。
PN结正偏时呈导通 状态，正向电阻很小， 正向电流很大；
PN结反偏时呈截止 状态，反向电阻很大， 反向电流很小。 —— PN结的单向导电 性
半导体二极管的结构和类型
在一个PN结的两端，各引一根电极引线，并用外壳封装起来就 构成了半导体二极管，（或称晶体二极管，简称二极管。
动态平衡，
交界面形成稳定的 空间电荷区，即
ＰＮ结
内电场对载 流子的作用
pn结的形成-形成PN结的原理
• PN结 及其形成过程
•
在杂质半导体 中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中
性。
•
1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动
•
在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度
• 【p－n结】在一块半导体中，掺入施主杂质，使其中一部分成为n型半导体。 其余部分掺入受主杂质而成为p型半导体，当p型半导体和n型半导体这两个 区域共处一体时，这两个区域之间的交界层就是p-n结。p-n结很薄，结中电 子和和空穴都很少，但在kao近n型一边有带正电荷的离子，kao近p型一边有 带负电荷的离子。这是因为，在p型区中空穴的浓度大，在n型区中电子的浓 度大，所以把它们结合在一起时，在它们交界的地方便要发生电子和空穴的 扩散运动。由于p区有大量可以移动的空穴，n区几乎没有空穴，空穴就要由 p区向n区扩散。同样n区有大量的自由电子，p区几乎没有电子，所以电子就 要由n区向p 区扩散。随着扩散的进行，p区空穴减少，出现了一层带负电的 粒子区；n区电子减少，出现了一层带正电的粒子区。结果在p－n结的边界 附近形成了一个空间电荷区，p型区一边带负电荷的离子，n型区一边带正电 荷的离子，因而在结中形成了很强的局部电场，方向由n区指向p区。当结上 加正向电压（即p区加电源正极，n区加电源负极）时，这电场减弱，n区中 的电子和p区中的空穴都容易通过，因而电流较大；当外加电压相反时，则 这电场增强，只有原n区中的少数空穴和 p区中的少数电子能够通过，因而电 流很小。因此p－n结具有整流作用。当具有p－n结的半导体受到光照时，其 中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p区的电子移到n区，n 区的空穴移到p区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。这现象称 为p－n结的光生伏特效应。由于这些特性，用p－n结可制成半导体二极管和 光电池等器件。如果在p－n结上加以反向电压（n区加在电源正极，p区加在 电源负极），电压在一定范围内，p－n结几乎不通过电流，但当加在p－n结 上的反向电压越过某一数值时，发生电流突然增大的现象。这时p-n结被击 穿。p－n结被击穿后便失去其单向导电的性能，但结并不一定损坏，此时将 反向电压降低，它的性能还可以恢复。根据其内在的物理过程，p－n结击穿 可分为雪崩击穿和隧道击穿两种。由于p－n结具有这种特性，一方面可以用 它制造半导体二极管，使之工作在一定电压范围之内作整流器等；另方面因 击穿后并不损坏而可用来制造稳压管或开关管等器件。
• 综上所述，PN结中存在着两种载流子的运 动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运 动；另一种是少子在内电场的作用下产生 的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂 移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽 度和内建电场才能相对稳定。由于两种运 动产生的电流方向相反，因而在无外电场 或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。
形成的杂质半导体。 正离子
杂质元素：磷，砷
多子：自由电子 少子：空穴
+ ++++ + ++++
+ ++++
多数载流子
少数载流子
杂质半导体
P型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量三价元素后
形成的杂质半导体。
负离子
杂质元素：硼，铟
多子：空穴 少子：自由电子
- ---- ---- ----
多数载流子
• 其次是PN结正负电荷的产生。先要说明扩散运动和漂移运动的区别。 扩散运动指的是由于浓度的差异而引起的运动；而漂移运动则是指在电场 作用下载流子的运动。当在P型半导体部分区域掺入磷原子或在N型半导 体部分区域掺入硼原子之后，由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合， 磷原子失去电子变成正电荷，硼原子得到电子变成负电荷，形成内部电场 阻止多子的扩散。
PN结原理及其 制备工艺
在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分为 导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
si
硅原子
GGee
+44
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
• 【n型半导体】“n”表示负电的意思，在这类半导体中，参与导电的主要是带负 电的电子，这些电子来自半导体中的“施主”杂质。所谓施主杂质就是掺入 杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的 五价元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质。如果在某一半导体的杂质总量中， 施主杂质的数量占多数，则这种半导体就是n型半导体。如果在硅单晶中掺入 五价元素砷、磷。则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后，磷外层的五个 电子中，四个电子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很 容易成为自由电子。所以这种半导体中，电子载流子的数目很多，主要kao电 子导电，叫做电子半导体，简称 n型半导体。
+4
+4 +4
+4
空穴
+4 +4
自由电子
+4
+4 +4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由 电子。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
杂质半导体
N型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量五价元素后
由P区引出的电极称为阳极（正极） 由N区引出的电极称为阴极（负极）
半导体二极管的伏安特性
IF
IR
0
反
U
向
电
R
击
穿
区
UF 0
(1) 正向特性
(2) 反向特性
工艺流程图
平面工艺
晶片准备 封装测试
（0）准备
p-Si
准备： 1、制备单晶硅片（平整、无缺陷）
涉及到知识：单晶晶生长、晶圆切、磨、抛。 （ 在形成单晶的过程中已经进行了均匀的硼掺杂）
少数载流子
说明
❖杂质半导体呈电中性，任一空间的正负电荷数相等 N型半导体：电子+正离子
P型半导体：空穴+负离子 ❖多子主要由掺杂形成,少子本征激发形成
PN结的形成
载流子的扩散运动
★PN结：
P区
- ---- ---- ----
+ ++++ + ++++
+ + + + + N区
建立内电场
扩散运动和 漂移运动达到
差，N型区内的电子很多而空穴很少，P型区内的空穴而电子很少，这样电子和空穴
很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从N型区向P型区
扩散， 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。
•
2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区
•
电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P