第二章 PN结

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）。
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
102
101
1.0
10
VR ,V
(a)
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 （a） x j
pn 0 105
q p x
，
n 10 cm3 0 12
nn 0 1015
q n x
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
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
线性缓变结：在线性区
N ( x) ax
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
n
漂移
p
EC
n
E
扩散 q 0
EC EF EV
p
扩散 漂移
EF EV
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
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
小结 名词、术语和基本概念： PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、 耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形 成 。 介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。
利用中性区电中性条件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热平衡PN结
• 小结
解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
x m 1 x n
qNd x 2k 0
2 n 2
（2-14）
qNd xn m k 0
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。
1m 和（b） x j 10 m 10 20 / cm 3
假设为 erfc 分布且 N 0
2.2 加偏压的 P-N 结
• 小结
名词、术语和基本概念： 正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区
介绍了加偏压PN结能带图及其画法 根据能带图和修正欧姆定律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 E F= E EN ，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 E EN 和从 E FN 逐渐下降 到 E FP 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）。
qN d xn 2 0 2k 0
（2-15）
x 1 （2-16） x n
12
（2-17）
2k 0 0 W xn qN d
扩展知识：习题2.2
（2-18）
2.5
2.1热平衡PN结
• 教学要求
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。 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 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3
2.1 热平衡PN结
Nd Na
x pN d
0
xn x Na N d
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电
势分布
- Na
（a ）

（a）空间电荷分布
x
（b ）

m
（b）电场
x
0
（c ）
0
（c）电势图
图2-4 单边突变结
2.1 热平衡PN结
N Si N+
(i)蒸发/溅射金属
（j） P-N 结制作完成
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）的窄扩散结 （虚线）
图 2.2
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
引言
突变结：
0 x x j , N ( x) N a x j x, N ( x) N d
P P
2.2 加偏压的 P-N 结
• 小结
根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性：
正偏压使空间电荷区内建电势差由 0 下降到 0 -V打破了PN结的热平衡，使载 流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电 荷区内建电势差由 0 上升到 0 +V同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂 移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因 此电流是反向的且很小。 在反偏压下，耗尽层宽度为
引言
• 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： • 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.Castell ani)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。 • 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。
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。
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。
Nd Na 0 n p VT ln 2 ni
（2-7）
解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗 尽层宽度。并记忆公式（2-14）―（2-18） 作业题：2.2 、 2.4 、 2.5、2.7、2.10
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
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。
• 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
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
2.2 加偏压的 P-N 结
半导体器件物理
第二章 P-N结
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。正因为如此， PN结一章在半导体器件 物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四 分之一。 • 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）.