半导体器件物理第二章

图2-3
电场定义为电势 的负梯度
电势与电子势能的关系为
Eq
可以把电场表示为（一维）
取
Ei
表示静电势。
q
1 dEi d
q dx dx
与此类似，定义 为费米势。
EF q
于是 nnieVT
pnieVT
式中
VT
KT q
称为热电势.
在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它
取为零基准，于是
n nie VT
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。
• 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。
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
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。
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。
引言
• 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
S iO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 S iO2
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
光刻胶
SiO2 n Si
N+
S iO2
N Si N+
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。
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E
扩 散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（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
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
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；
p nieVT
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
引言
•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
金属
P Si N+
SiO2
N Si
(i)蒸发/溅射金属
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+
S iO2
N Si
（j） P-N 结制作完成
引言
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na
xj 0
x -Nd
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线） 图 2.2
-ax
xj 0
x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
引言
突变结：
0xxj, N(x)Na xj x, N(x)Nd
线性缓变结：在线性区 N(x)ax
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。 • 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。
• 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）.
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）。