PN结原理及制备工艺
实验报告3(PN结工艺制备)
学生实验报告（5）运行数据结果保存语句（log），输出结构结果保存语句log 是用来将程序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以log为扩展名结尾的文件中的一个语句。
从solve 语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。
log outf=diodeex05.log（6）solve 语句,以一定的方式给PN 结外加偏压，将阳极电压从-0.25 提升至-10，间隔为-0.25。
solve vanode=-0.25 vstep=-0.25 vfinal=-10 name=anode（7）保存和绘画IV 曲线图。
tonyplot diodeex05.log -set diodeex05_log.set（8）参数提取语句（extract）,根据log 文件获得器件电学参数。
extract init infile="diodeex05.log"extract name="bv" x.val from curve(v."anode",abs(i."anode")) wherey.val=1e-10extract name="leakage" y.val from curve(v."anode",abs(i."anode")) wherex.val=-24.改变器件工艺条件参数（扩散温度﹑热退火时间﹑离子注入角﹑离子注入能量﹑离子注入浓度等），分析工艺参数变化对器件结构及电学特性影响。
四、实验结果（一）器件设计1、器件结构设计如图所示，定义PN结的网络信息x为2.0，y为2.0，该区域块沉积铝厚度为0.2um，刻蚀掉x=1um右边的全部铝（形成铝接触），均匀p掺杂浓度为5e18每立方厘米，对表面进行硼离子注入，pearson分布，浓度为1.0×e15cm-2，离子能为50KeV，注入离子束与晶圆法线的角度为7，注入离子束和仿真面的角度0，硅晶格结构为amorph，从而形成了该结构，包括Al+区域，P+区域，N区域。
第六章pn结
qV(x) Ecp -xp o x xn
-qVD
x Ecn EF Evn
Evp
p
n 平衡pn结中电势能
3. pn结的接触电势差 假设：P区：Ec=Ecp Ev=Evp no=npo po=ppo N区：Ec=Ecn Ev=Evn no=nno po=pno
n po N c e
Nce Nc
P － N ＋
势垒区 漂移>扩散
Ε内
qVD q(VD － V)
V<0
反向偏压时pn结势垒的变化
势垒区变宽 漂移流大于扩散流 由漂移作用形成的反向电流很小
（p区电子和n区空穴少）
通过pn结的总反向 J： J=Jp扩（n区边界少子）+ Jn扩（ p区边界少子）
J Js e
qVD ( EF ) n ( EF ) p
势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差， 使平衡pn结的费米能级处处相等。
V(x)
VD 取p区电势为零
-xp
0 x
xn
x
对电子： P区电势能比n区电 势能高
平衡pn结中电势
qV ( x p ) [qV ( xn )] 0 qVD qVD
通过耗尽层的电子和空穴电流为常量
－不考虑耗尽层中载流子的产生和复合作用
玻耳兹曼边界条件
－在耗尽层两端，载流子分布满足玻氏分布
7. pn结电流电压特性偏离理想方程的因素
表面效应 势垒区中的产生及复合
大注入条件
串联电阻效应
J/Js
实际pn结的电流电压特性
势垒区的产生电流
热平衡时 载流子的产生率＝复合率 反向偏压 载流子的产生率 > 复合率 净产生率 总反向电流密度
实验报告3(PN结工艺制备)
学生实验报告（5）运行数据结果保存语句（log），输出结构结果保存语句log 是用来将程序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以log为扩展名结尾的文件中的一个语句。
从solve 语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。
log outf=diodeex05.log（6）solve 语句,以一定的方式给PN 结外加偏压，将阳极电压从-0.25 提升至-10，间隔为-0.25。
solve vanode=-0.25 vstep=-0.25 vfinal=-10 name=anode（7）保存和绘画IV 曲线图。
tonyplot diodeex05.log -set diodeex05_log.set（8）参数提取语句（extract）,根据log 文件获得器件电学参数。
extract init infile="diodeex05.log"extract name="bv" x.val from curve(v."anode",abs(i."anode")) wherey.val=1e-10extract name="leakage" y.val from curve(v."anode",abs(i."anode")) wherex.val=-24.改变器件工艺条件参数（扩散温度﹑热退火时间﹑离子注入角﹑离子注入能量﹑离子注入浓度等），分析工艺参数变化对器件结构及电学特性影响。
四、实验结果（一）器件设计1、器件结构设计如图所示，定义PN结的网络信息x为2.0，y为2.0，该区域块沉积铝厚度为0.2um，刻蚀掉x=1um右边的全部铝（形成铝接触），均匀p掺杂浓度为5e18每立方厘米，对表面进行硼离子注入，pearson分布，浓度为1.0×e15cm-2，离子能为50KeV，注入离子束与晶圆法线的角度为7，注入离子束和仿真面的角度0，硅晶格结构为amorph，从而形成了该结构，包括Al+区域，P+区域，N区域。
PN结
图2-3 PN结空间电荷区的形成
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区 边界层 边界层 n 型电中性区 耗尽区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3 PN结空间电荷区的形成
2.1 热平衡PN结
Nd Na
单边突变结 电荷分布 电场分布 电势分布
x pN d
0
Na N d
xn x
引言
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。
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。
引言
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） 。 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-硅、P-硅和P-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）。
引言
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
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+
PN结的工作原理
PN结的工作原理PN结是一种常见的电子器件，它具有广泛的应用。
了解PN结的工作原理对于我们理解电子器件的功能和特性至关重要。
本文将简要介绍PN结的工作原理。
PN结由两种材料——P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体是通过在纯硅中掺杂少量的三价元素（如铝或硼）形成的，掺杂的三价元素会在硅晶格中留下空位，使得材料具有多余的正电荷。
N型半导体则是通过在纯硅中掺杂少量的五价元素（如磷或砷）形成的，掺杂的五价元素会提供额外的电子，形成了多余的负电荷。
当P型半导体和N型半导体相结合时，形成了PN结。
在PN结的过渡区域，P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子会相互扩散。
这种扩散会形成一个电场，阻止更多的载流子（电子或空穴）通过过渡区域。
当没有外部电压作用于PN结时，我们称之为静态工作状态。
在静态工作状态下，PN结处于平衡。
此时，由于扩散和漂移电流的平衡，没有净电流通过PN结。
然而，当给PN结施加外部电压时，我们将其称为动态工作状态。
根据外部电压的极性，PN结可能处于正向偏置或反向偏置状态。
首先，让我们看看正向偏置这种情况。
在正向偏置下，将P端连接到正电极，将N端连接到负电极。
这种配置会使P端的正电荷和N端的负电荷吸引彼此。
由于这种吸引力，电子会从N端向P端移动，而空穴会从P端向N端移动。
结果，电流从P端进入PN结，从N端流出。
这种现象称为正向电流。
另一方面，反向偏置是指将P端连接到负电极，将N端连接到正电极。
这种配置导致P端的正电荷和N端的负电荷之间的进一步分离。
电场会吸引少数载流子穿过过渡区域。
然而，由于掺杂的原因，本身过渡区域的宽度较大，电场的强度也相对较低。
因此，在反向偏置下，只有非常少量的电流通过PN结。
这种现象称为反向电流。
根据正向偏置和反向偏置时的电流特性，可以将PN结用作诸如整流器、变阻器、发光二极管（LED）、太阳能电池等应用中的关键组件。
在整流器中，PN结被用来将交流信号转换成直流信号。
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型两种半导体材料组成。
通过合理的掺杂工艺，P型材料中掺入三价掺杂剂，N型材料中掺入五价掺杂剂，使得PN结具有独特的电学特性和器件功能。
而本次实验旨在研究PN结的特性，并通过实验数据验证PN结的一些基本特性。
实验步骤如下：1. 准备实验器材与元件：我们需要准备的实验器材包括电流源、电压源、台式电压表、数字万用表和示波器等。
而元件方面，可选择硅（Si）或锗（Ge）为半导体材料，并分别制备P型和N型材料单晶体。
2. 制备PN结：首先，将P型和N型材料片分别放入刻有浅浩深度的腐蚀液中进行腐蚀，以去除表面的氧化层。
然后，分别用净化液进行洗涤，使片面维持清洁无杂质状态。
接下来，将两片材料通过高温扩散或涂覆方式粘接在一起，形成PN结结构。
3. 测量I-V特性曲线：使用电流源和电压源连接到PN结，依次改变电流和电压的大小，测量不同电压下的电流值。
将实验得到的I-V数据记录下来，并绘制出I-V特性曲线。
4. 测量C-V特性曲线：切换到电容模式，依然使用电压源和电流源连接到PN结，逐渐增加电压的大小，并测量得到不同电压下的电容值。
将实验得到的C-V数据记录下来，并绘制出C-V特性曲线。
实验结果与数据分析：从实验数据可以得知，PN结的I-V特性曲线通常呈现出非线性的特点。
在低于开启电压的情况下，PN结的电流非常微弱，近似于零电流。
一旦开启电压达到一定阈值，PN结将出现快速增加的电流。
而在反向电压下，PN结的电流保持较小的值。
通过对I-V曲线的分析，我们可以得知PN结的整流特性。
具体来说，当PN结正向偏置时，导通电流会迅速增加，这意味着PN结可以作为半导体整流器件使用。
而反向偏置时，可以发现PN结具有一定的阻断能力，可作为保护电路使用。
同时，C-V曲线也能提供有关PN结的一些信息。
当电压的振幅增加时，PN结的电容值将增大。
这是因为在高反向电压下，空穴和电子会被强烈地吸引到PN结中，从而增加了电容。
P-N结原理及制备
优点：操作简单； 局限性：结的位置难以控制。
扩散法
概念：
使用气体、液体或固体作为杂质 扩散源，并将单结晶基板（晶圆） 放入扩散炉中加热（约1000℃）， 杂质就因扩散而掺入到硅结晶中。 P 型掺杂物使用硼；而N型掺杂 物为磷、砷等单结晶中的掺杂物 浓度或浓度分布可由增减温度、 时间、气体流量来加以控制。
and references there in.
MBE系统
基本构成：分子束源、样品台、在线分析系统等
分子束外延法(MBE)
Fig. 2. SEM micrograph of the MBE Si layers grown on 4H-SiC: (i) n–p 500 oC, (ii) n–n 900 oC and (iii) n–p 900 oC.
Typical I–V curves of the MBE Si layers grown on 4H-SiC.
A.Pe´rez-Toma´s et al., Microelectronics Journal 38: 1233–1237 (2007)
MBE
AFM image for the polycrystalline GaN
在超高真空条件下108pa将组成化合物的各种元素如gaas和掺杂剂元素分别放入不同的喷射炉内加热使它们的原子或分子以一定的热运动速度和比例喷射到加热的衬底表面上与表面进行相互作用并进行晶体薄膜的外延生长
Seminar I
P-N结原理及制备
研究生： 王俊英 导师： 李 灿
研究员
2008,05,27
背景
PN结的形成
PN结的定义： 在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是 P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。
PN结原理及制备工艺
PN结原理及制备工艺PN结是一种半导体器件，由p型和n型半导体材料构成，两种半导体材料通过特定的工艺结合在一起形成结。
PN结的原理是基于半导体材料中的电子和空穴，以及特定的能带结构。
半导体材料中的电子和空穴是导电的两种载流子。
在p型半导体中，材料内部的导电主要是由自由电子导电，而在n型半导体中，导电主要由空穴导电。
当p型和n型材料结合在一起形成PN结时，p区和n区之间会发生电子和空穴的扩散。
在p区中，自由电子会向n区扩散，而在n区中，空穴会向p区扩散。
这种扩散使得p区和n区表面形成一个带电层，即空间电荷区或耗尽层。
在PN结的制备工艺中，一种常见的方法是熔融法。
该方法首先需要将对应的p型和n型半导体材料准备好，然后将它们放在高温炉中熔化。
当两种材料熔化后，将它们以特定的方式混合在一起，形成一个混合液体。
混合液体中的p区和n区会相互扩散，形成PN结。
在混合液体冷却过程中，PN结会固化，形成一个结构稳定的PN结体。
最后，通过切割、研磨、抛光等工艺将PN结体加工成所需要的形状和尺寸。
除了熔融法，还有其他一些制备工艺可以制备PN结，如扩散法、外延法和离子注入法等。
这些工艺的基本原理都是通过控制半导体材料中的杂质掺杂或外源溶质的扩散来形成PN结。
PN结的制备工艺需要严格控制各种参数，如温度、时间、材料浓度等，以确保PN结的性能和稳定性。
制备工艺的优化可以改善PN结的性能，提高器件的可靠性和效率。
总之，PN结作为半导体器件的基础结构，其原理是基于半导体材料中电子和空穴的自由扩散。
制备工艺是通过控制半导体材料的特定条件和参数，将p型和n型材料结合在一起，形成PN结。
PN结在电子器件中有广泛的应用，如二极管、晶体管、光电二极管等。
pn结综述
四、PN结接触电势差
2、平衡pn结的载流子分布
取p区电势为零，则势垒区中某点x的电势V（x）为正值。越接近n区 的点电势越高，到势垒区边界xn处的n区电势最高为VD，如图所示。 图中xn和-xp分别为n区和p区势垒 区的边界。对电子而言，相应的p 区的电势能比n区的电势能 E(xn)=Ecn=-qVD要高qVD。势垒区 内点x处的电势能为E(x)=-qV(x)， 比n区高qVD-qV(x)
二、p-n结的电荷分布
4.平衡pn结的形成
P
中性区
﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢
空间电荷区 空穴漂移流 空穴扩散流 电子漂移流
N
中性区
电子扩散流
无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡 空间电荷区不再扩展，维持一定的宽度
三、p-n结的能带图
1、能带示意图及说明
电子从费米能级 高的n区流向费 米能级低的p区， 空穴则从p区流 向n区，因此EFn 不断下移，EFp 不断上移，直至 两者相等
合金法制得pn结的杂质分布特点：
n型区中施主杂质浓度为ND，p型区 中受主杂质浓度为NA，且均为均匀 分布。而在交界面处，杂质浓度由 NA（p型）突变为ND（n型）。 具有这种杂质分布的pn结称为突变 结。
突变结的杂质分布
一、p-n结的形成和杂质分布
2.扩散法 下图为扩散法制备pn结的过程。它在n型单晶硅片 上，通过氧化、光刻、扩散等工艺制备得到pn结。
一、p-n结的形成和杂质分布 扩散结的杂质分布由扩散过程和杂质补偿决 定。杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的， 通常称为缓变结。
ND-NA=aj(x-xj)
aj是x=xj处切线的斜率，称为杂质浓度梯度，它决定于扩散杂质的实际分布
PN结原理及制备工艺
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
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。
Exceltek Electronics (HK) Ltd Confidential
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。
•
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
- ----
+ + + + + N区
建立内电场
扩散运动和 漂移运动达到
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
Exceltek Electronics (HK) Ltd Confidential
PN结原理及制备工艺
• 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。
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。
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。
+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
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
+4
+4
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 形成的杂质半导体。 正离子
半导体二极管的伏安特性
IF
反 向 电 击 穿 区
IR
0
U
R
UF
0
(1) 正向特性
(2) 反向特性
工艺流程图
PN结
三、pn结在前面几结中我们了解了本征半导体和杂质半导体，根据对导电性的影响，杂质半导体又分为n型半导体和p型半导体。
如果把一块n型半导体和p型半导体结合在一起，在两者的交界面就形成了所谓的pn结，在这一结我们就是要了解pn结的一些性质。
1、pn结的形成和杂质分布在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。
P型N型结合金法制备pn结下图表示用合金法制造pn结的过程，把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n 型硅衬底的交界面处即为pn结。
2、空间电荷区考虑两块半导体，一块是n型，一块是p型。
在n型半导体中电子很多而空穴很少，在p型半导体中空穴很多而电子很少。
左图是n型和p型半导体的能带图。
当这两块半导体结合形成pn结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n区，电子从n区到p区的扩散运动。
对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，因此，在p-n结附近p区一侧出现了一个负电区域。
同理，在p-n结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在p-n结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。
它们所存在的区域称为空间电荷区。
空间电荷区空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p 区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。
在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。
显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。
因此，内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。
随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。
pn结形成原理
pn结形成原理
PN结是一种由P型材料和N型材料构成的二极管结构。
在
PN结的形成过程中，P型材料和N型材料之间发生杂质掺入，形成了P区和N区。
P型材料中掺入的杂质通常具有三价阳离子，如硼；N型材料中掺入的杂质通常具有五价阴离子，如磷。
当P型材料和N型材料接触在一起时，两种材料之间的电子
会发生扩散运动。
在P区中，由于有多余的三价离子，形成
了正空穴浓度；在N区中，由于有多余的五价离子，形成了
负电子浓度。
这种扩散运动直到N区的电子与P区的空穴相
遇并复合，形成电荷中性的晶体。
在PN结中，P区和N区的电子浓度不同，形成了电势差。
这
个电势差导致了电子和空穴的自由扩散运动。
当外加电压施加在PN结上时，可以改变PN结中的电场分布，进而改变电子
和空穴的扩散运动方向和速度。
当施加的外加电压为正向偏置时，即P区为正极，N区为负极，电子从N区流向P区，空穴从P区流向N区，形成了电流。
此时，PN结的导电性能较好，称为正向导通状态。
当施加的外加电压为反向偏置时，即P区为负极，N区为正极，电子从P区向N区运动，空穴从N区向P区运动，形成了电
子和空穴的聚集现象，称为压倒电流。
此时，PN结的导电性
能较差，称为反向截止状态。
PN结的形成原理基于杂质掺入和扩散运动的基本物理规律，
通过控制外加电场的方向和大小，可以实现二极管的导通与截止状态的切换，从而实现电子器件的正常工作。
pn结形成原理
pn结形成原理PN结形成原理。
PN结是半导体器件中常见的一种结构，它由P型半导体和N型半导体组成。
PN结具有正向导通和反向截止的特性，广泛应用于二极管、场效应管、光电器件等领域。
那么，PN结是如何形成的呢？接下来，我们将深入探讨PN结的形成原理。
首先，我们来了解一下P型半导体和N型半导体的特性。
P型半导体是指在晶格中掺杂了三价元素（如硼），形成了大量空穴的半导体材料；而N型半导体则是在晶格中掺杂了五价元素（如磷），形成了大量自由电子的半导体材料。
当P型半导体和N型半导体通过特定工艺结合在一起时，就形成了PN结。
PN结的形成主要依赖于扩散和漂移两种物理现象。
在P型半导体和N型半导体的结合区域，由于浓度差异，掺杂的杂质原子会发生扩散运动，使得P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子向结合区域扩散。
当空穴和自由电子相遇时，它们会发生复合，形成正负离子，从而在结合区域形成一层带电离子区域，这就是PN结的形成过程中的扩散现象。
除了扩散现象，漂移现象也在PN结的形成中起着重要作用。
当P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子向结合区域扩散后，由于电场的作用，它们会发生漂移运动，最终在结合区域形成一个内电场。
这个内电场会阻碍进一步的扩散，使得P型半导体和N型半导体的空穴和自由电子达到动态平衡，形成空间电荷区，从而形成PN结。
PN结的形成不仅依赖于扩散和漂移现象，还与P型半导体和N型半导体的材料特性密切相关。
例如，P型半导体和N型半导体的掺杂浓度、载流子迁移率等参数都会影响PN结的形成和性能。
因此，在制备PN结器件时，需要精确控制材料的性质和工艺参数，以确保PN结的质量和稳定性。
总结一下，PN结的形成主要依赖于扩散和漂移两种物理现象，通过P型半导体和N型半导体的结合，在结合区域形成内电场，从而形成PN结。
PN结的形成过程受到材料特性和工艺参数的影响，需要精确控制以确保器件的性能和稳定性。
通过深入了解PN结的形成原理，我们可以更好地理解PN结器件的工作原理和应用。
合金法 pn结
合金法 pn结1. 引言合金法 pn结是一种常用的半导体器件制备方法，通过合金化处理将p型和n型半导体材料连接在一起，形成一个具有正向电流传输特性的pn结。
本文将介绍合金法 pn结的原理、制备方法以及应用领域。
2. 原理pn结是由p型半导体和n型半导体材料相接形成的界面，它具有独特的电子能级分布和电荷分布特性。
在正向偏置下，p区域中的空穴向n区域扩散，而n区域中的自由电子向p区域扩散。
这种扩散过程会产生正向电流，使得pn结具有整流作用。
合金法 pn结是通过将p型半导体和n型半导体材料加热至高温，并且在高温下使其接触形成合金化层。
这种合金化层可以减小pn结的接触电阻，并且提高器件性能。
3. 制备方法合金法 pn结的制备方法如下：3.1 材料选择选择适当的p型半导体和n型半导体材料，常见的选择包括硅(Si)和砷化镓(GaAs)等。
3.2 清洗处理将p型和n型半导体材料进行清洗处理，去除表面的杂质和氧化物。
3.3 接触形成将清洗后的p型半导体和n型半导体材料放置在高温炉中，加热至合金温度。
在高温下，两种材料接触处会发生化学反应，形成合金化层。
3.4 结构形成通过光刻、蚀刻等工艺步骤，在合金化层上形成所需的结构，如电极、导线等。
3.5 包封封装将制备好的器件进行包封封装，保护器件并提高其可靠性和稳定性。
4. 应用领域合金法 pn结广泛应用于各种半导体器件中，例如：•整流器：由于pn结具有整流作用，在电源供电系统中常用于变换交流电为直流电。
•发光二极管(LED)：pn结在正向偏置下可以发光，因此被广泛应用于LED器件。
•太阳能电池：太阳能电池利用pn结的光生电流效应将太阳能转化为电能。
•晶体管：晶体管是一种基于pn结的放大器，被广泛应用于电子设备中。
5. 总结合金法 pn结是一种常用的半导体器件制备方法，通过合金化处理将p型和n型半导体材料连接在一起，形成具有正向电流传输特性的pn结。
本文介绍了合金法 pn 结的原理、制备方法以及应用领域。
pn结隔离工艺
pn结隔离工艺pn结隔离工艺是一种常用的半导体制造工艺，用于制备各种电子器件。
该工艺的基本原理是通过建立pn结，将电子器件中的不同区域隔离开来，以提高器件的性能和可靠性。
本文将从工艺流程、优点和应用等方面进行介绍，以便读者对该工艺有更深入的了解。
一、工艺流程pn结隔离工艺的主要步骤包括掺杂、扩散、蚀刻和清洗等。
首先，通过掺杂步骤在半导体材料中引入杂质原子，形成p型和n型区域。
然后，通过扩散步骤使杂质原子在材料中扩散，形成p区和n区。
接下来，通过蚀刻步骤将不需要的区域去除，从而形成pn结隔离。
最后，通过清洗步骤去除杂质和污染物，得到干净的器件。
二、优点pn结隔离工艺具有以下几个优点：1. 高度集成：通过隔离不同区域，可以在同一芯片上集成多个器件，提高芯片的集成度。
2. 降低串扰：不同区域之间的隔离可以有效地降低电子器件之间的串扰，提高信号的传输质量。
3. 提高器件性能：通过隔离不同区域，可以减少电子器件之间的互相影响，提高器件的性能和可靠性。
4. 节约材料和成本：通过隔离不同区域，可以减少材料的使用量，降低制造成本。
三、应用pn结隔离工艺广泛应用于各种电子器件的制备中，包括晶体管、二极管、集成电路等。
在晶体管中，pn结隔离可以有效地隔离源极和漏极，提高晶体管的开关速度和工作稳定性。
在二极管中，pn结隔离可以实现正向和反向电流的隔离，提高二极管的整流效果。
在集成电路中，pn结隔离可以隔离不同功能单元，提高集成电路的性能和可靠性。
总结起来，pn结隔离工艺是一种重要的半导体制造工艺，通过建立pn结，将电子器件中的不同区域隔离开来，提高器件的性能和可靠性。
该工艺具有高度集成、降低串扰、提高器件性能和节约材料和成本等优点，广泛应用于晶体管、二极管和集成电路等器件的制备中。
通过了解和掌握pn结隔离工艺，可以更好地理解和应用半导体器件，推动电子技术的发展和进步。
pn结形成的过程
pn结形成的过程PN结是半导体器件中最为基础且重要的一种，它在电子学、光电子学、能源等领域中都有广泛应用。
它是基于两种掺杂度不同的半导体材料在相邻区域形成的结构，中间的空间被称为PN结。
该结构具有单向导电性，是制造各类半导体器件的基础元件之一。
PN结的形成过程很重要，可以通过引入别的材料改变其导电性态。
在深入了解PN结之前，我们需要先了解什么是半导体和P型、N型材料。
1. 半导体和P型、N型材料半导体是指导电性介于金属和非金属之间的物质。
半导体材料在纯净的情况下电子几乎不存在，只有束缚在原子中的价电子。
导电需要给半导体添加一些杂质元素，这个过程被称为掺杂。
P型半导体的掺杂元素为三价元素，如硼、铝等，它们将杂质原子引入半导体晶格中，替换原有的晶格原子，同时因为它们自身的原因，也能够提供一个空位，形成电子空穴。
在P型半导体中，空穴虽然更多，但是整体的导电性较差。
N型半导体的掺杂元素为五价元素，如磷、锑等，它们将杂质原子引入半导体晶格中，同时因为它们自身的原因，也能够向半导体中释放一个自由电子。
在N型半导体中，自由电子虽然更多，但是导电性也仍然较差。
2. PN结的形成过程PN结是由两个掺杂不同的半导体材料组成的结构，其中，一个是P型材料，另一个是N型材料。
PN结的形成过程可以被简短地总结为以下三个步骤：（1）材料的制备首先需要制备P型半导体材料和N型半导体材料。
P 型半导体通过掺杂三价元素，如硼、铝等，N型半导体通过掺杂五价元素，如磷、锑等。
（2）PN结的形成在制备好的两种材料中，使用工艺技术将它们在一起结合，形成PN结构。
具体步骤如下：在两个表面形成金属电极，通过电压把两个电极通电，使P型半导体中空穴和N型半导体中的自由电子朝两极运动。
在两个区域中相遇时，电子与空穴相结合，发生复合现象。
复合时，自由电子和空穴的能量被释放出来，形成一个能量坑，其中的能量让其他的自由电子和空穴可以渡过，形成电子漂移。
这个区域被称为耗尽层，其中不再存在自由的载流子。
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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
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。
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、电子和空穴的复们在扩散过程中要产生复合（中和），结果使P
• 【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。
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。
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。
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
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。
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）
❖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。
• 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。
本征半导体（Intrinsic Semiconductor)
➢完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
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。
• 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。
Mask的剖面图