半导体器件物理2分解
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• 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）.
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）。
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。
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：
m 1
x xn
（2-14）
qNd xn2 2k 0
1
x xn
2
（2-16）
W
xn
2k 0
qNd
0
1
2
（2-18）
m
qNd xn k 0
0
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
✓ 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：
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
（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
（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
xpN d
0
Na N d
xn x
- Na
（a ）
x
（b ）
m
x
0 0
（c ）
图2-4 单边突变结
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
2.1 热平衡PN结
小结 ➢ 名词、术语和基本概念：
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
图2.5 单边突变结的电势分布
q0 VR
2.2 加偏压的 P-N 结
• 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分
布
pn
nn
qNd xn2 2k 0
（2-15） （2-17）
➢扩展知识：习题2.2 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
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
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
ຫໍສະໝຸດ BaiduEC
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
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，所有结型器件都有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。
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
SiO2
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+
P Si
N+
SiO2
金属
N+
（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：
0 x xj , N(x) Na xj x, N (x) Nd
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
q 0
qV
V
E Fn
（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
N Si
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 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
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
SiO2
N Si N+
(i)蒸发/溅射金属
金属
SiO2
P Si N Si
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:
• 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）。
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。
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：
m 1
x xn
（2-14）
qNd xn2 2k 0
1
x xn
2
（2-16）
W
xn
2k 0
qNd
0
1
2
（2-18）
m
qNd xn k 0
0
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
✓ 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：
0
n
p
VT
ln
Nd Na ni2
（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
（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
xpN d
0
Na N d
xn x
- Na
（a ）
x
（b ）
m
x
0 0
（c ）
图2-4 单边突变结
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布
（a）空间电荷分布
（b）电场
（c）电势图
2.1 热平衡PN结
小结 ➢ 名词、术语和基本概念：
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
W
能量
（E ）
IR
P
N
qVR
VR +
（c ）
（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
图2.5 单边突变结的电势分布
q0 VR
2.2 加偏压的 P-N 结
• 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分
布
pn
nn
qNd xn2 2k 0
（2-15） （2-17）
➢扩展知识：习题2.2 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
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
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
ຫໍສະໝຸດ BaiduEC
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
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，所有结型器件都有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。
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
SiO2
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+
P Si
N+
SiO2
金属
N+
（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：
0 x xj , N(x) Na xj x, N (x) Nd
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
q 0
qV
V
E Fn
（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
N Si
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 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
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
SiO2
N Si N+
(i)蒸发/溅射金属
金属
SiO2
P Si N Si
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: