实验报告3(PN结工艺制备)
大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用
大学物理实验报告 PN结的温度特性的研究及应用得分教师签名批改日期深圳大学实验报告课程名称: 大学物理实验(三)实验名称: pn结的温度特性的研究及应用学院:组号指导教师:报告人: 学号: 班级:实验地点实验时间:实验报告提交时间:1一、实验设计方案1、实验目的了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。
在工作电流恒定的情况下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN结材料的禁带宽度。
设计用PN结测温的方法。
2、实验原理2.1 、PN结正向压降和工作电流、及所处的温度的关系:PN 结正向压降和工作电流、及所处的温度的基本函数关系如下:,,KcKT, ----------(1) 0lnlnVVTTVV,,,,，，，，，,,FgLNLqIqF,,其中: 导带,19q,，1.610C，为电子的电荷。
禁带EeV,gF-23-1,K=1.38×10JK，为玻尔兹曼常数，价带T――绝对温度。
图1 半导体的能带结I――PN结中正向电流。
f构γ 是热学中的比热容比，是常数。
V(0)是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
(半导体材料的能带理论中，把未g排满电子的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，不能排列电子的能量区域叫禁带，如图1所示。
E叫禁带宽度.) g,,KTKc,,lnVT 其中，是线性项。
是非线性相。
0lnVVT,,，，，，NL,,LgqqIF,,非线性项较小，(常温下)可忽略其影响，在恒流供电条件下PN结的V对T的依赖关系F取决线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降。
2.2、PN结测温的方法如果PN结正向压降在某一温度区域和温度变化恒定电流I F成线性关系，就可以利用这一特性将它作为温度传感器的转换探头，原理如图2所示。
将PN结做成的温度探头放在待温度显示结电压V F测环境中，通以恒定电流，温度变化可以引起结电压变化，图2 PN结测温原理测量结电压，将它转换成温度显示，从而达到测量温度的目的。
pn结制备
pn结制备PN结是一种常见的半导体器件，广泛应用于电子技术领域。
PN结的制备是指在半导体材料中形成P型区和N型区，并在两个区域之间形成一个结。
本文将介绍PN结的制备过程和相关的制备方法。
PN结的制备过程通常包括以下几个步骤：1. 材料选择：PN结的制备通常使用硅(Si)或者锗(Ge)等半导体材料。
这些材料具有良好的半导体特性，适合制备PN结。
2. 清洗和表面处理：在制备过程中，半导体材料需要进行清洗和表面处理，以去除杂质和提高表面的质量。
常用的清洗方法包括酸洗、碱洗和溶剂洗等。
3. 掺杂：PN结的制备需要在半导体材料中引入杂质，以形成P型区和N型区。
掺杂通常使用离子注入或扩散等方法进行。
在掺杂过程中，根据需要选择不同的杂质，如三价元素(B、Al)用于掺杂P型区，五价元素(P、As)用于掺杂N型区。
4. 结构形成：在掺杂完成后，通过热处理或者光刻等方法，形成PN结的结构。
热处理可以通过高温退火或者快速热退火等方式进行，以使掺杂材料在晶体中扩散和重新排列。
光刻是一种通过掩膜和紫外光照射的方法，可以在半导体材料上形成所需的结构。
5. 金属化：在PN结制备的最后一步，需要对结构进行金属化处理。
金属化是通过热蒸发或者电镀等方法，在半导体材料上沉积金属薄膜，以形成电极。
金属化的目的是为了提供电流的输入和输出。
PN结的制备方法有多种，常见的有扩散法、离子注入法和外延法等。
扩散法是一种较为常用的PN结制备方法。
在扩散法中，通过在半导体材料上加热的方式，使掺杂材料在晶体中扩散和重新排列，形成P型区和N型区。
扩散法具有制备工艺简单、适用于大规模生产等优点。
离子注入法是一种将掺杂材料通过离子注入的方式引入半导体材料中，形成P型区和N型区的方法。
离子注入法可以精确控制掺杂材料的浓度和深度，具有制备精度高的优点。
外延法是一种通过在衬底上沉积半导体材料的方式，制备PN结的方法。
外延法通常使用化学气相沉积或者物理气相沉积等方法，在衬底上沉积出所需的半导体材料。
pn结正向特性实验报告
pn结正向特性实验报告PN结正向特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，具有广泛的应用。
本实验旨在通过实验验证PN结的正向特性，并探讨其相关理论。
一、实验目的：1. 验证PN结的正向电流-电压特性。
2. 探究PN结正向特性与温度的关系。
二、实验原理：PN结是由P型半导体和N型半导体材料组成的结构，其中P型半导体为电子亏损型材料，N型半导体为电子富余型材料。
在PN结中，P区域被称为阳极，N区域被称为阴极。
当PN结正向偏置时，即阳极接正电压，阴极接负电压，电子从N区域向P区域扩散，空穴从P区域向N区域扩散。
这种扩散过程导致PN结两侧电荷分布不均，形成电场。
电子和空穴在电场的作用下向相反方向运动，形成电流。
三、实验步骤：1. 准备实验所需材料：PN结二极管、电源、万用表等。
2. 搭建实验电路：将PN结二极管连接到电源的正极，将万用表连接到二极管的阳极和阴极。
3. 调节电源电压，记录不同电压下的电流值。
4. 将实验温度逐渐升高，重复步骤3。
四、实验结果与分析：实验数据如下表所示：电压（V）电流（mA）0.2 0.010.4 0.030.6 0.050.8 0.071.0 0.10从实验数据可以看出，当电压增大时，电流也随之增大。
这符合PN结正向特性的基本规律。
根据理论知识，当PN结正向偏置时，电流与电压之间存在指数关系。
即电流随电压呈指数增长。
这是因为随着电压的增大，电子和空穴的扩散速度增加，导致电流增大。
此外，实验还发现PN结的正向特性与温度密切相关。
随着温度的升高，PN结的电流-电压特性曲线整体上会右移。
这是因为温度升高会增加载流子的热运动，使得电子和空穴更容易穿过PN结，从而导致电流增大。
五、实验结论：通过本实验，我们验证了PN结的正向电流-电压特性，并探究了其与温度的关系。
实验结果表明，PN结的电流随电压呈指数增长，且随着温度的升高，整体上会右移。
六、实验总结：本实验通过实际测量验证了PN结的正向特性，并深入探讨了其与温度的关系。
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结二极管工艺仿真实验报告
pn结二极管工艺仿真实验报告一、单位基本境况：公司简介：八方物流品牌创立于20xx年，公司致力于物流业的建设与发展，立足于传统快递业务，全面进入电子商务领域，以专业的服务和严格的质量来要求自身，多年来，经过几代八方人的努力，八方已经在全国范围内形成了完善。
流畅的自营快递网络。
如今，在新一届的八方管理团队的带领下，八方将继续秉承着“限时稳达，货运天下”的服务宗旨，加大投入，规范管理，为社会提供更加优质安全、便捷的快递服务。
二、个人工作情况总结：作为一家公司的物流总监。
我的职责主要是对公司物流运输管理负全面责任，在工作中，积极主动做好本职工作，最开始制定出一个包括对于各种仓库租用、物流等需求与费用的表格，以便于接下来每个月的物流费用的计算与记录。
与有业务往来的制造商的相关人员沟通交流，签订每个月本公司与其的产品合同，然后进行预算，制定合理的运输路线，安排运输人员，与管委会签订租赁合同，组织运输、租借事宜，根据各家客户的情况安排仓库租赁，与供应商、制造商、经销商就仓储费与物流费签订合同，时刻关注公司动态。
在工作中，我积极主动与公司内部人员沟通交流，存有很强的责任心和团结一致意识，大家团结一致经营公司；也是外部人员交流过程中，充分发挥了自身的人际交往能力、沟通交流能力、表达能力和主动性，也懂与各位展开轮转思索，获得双方的共赢。
在总体工作中还整体表现出来了较好的自控能力，对于自身工作整体表现，则表示展现出了较好的素质和较低的工作效率；但是也存有一些缺乏的地方，比如说刚开始有些订货方面的疏失，须要更加慎重细心、瞻前顾后，必须与各个环节搞好沟通交流工作。
作为物流总监，对着其他组员想知道自己的想法和意见，给出自己的专业看法，当然不能因为意见不被采纳就灰心丧气。
作为物流总监，我要学会和其他专业的老师、同学打交道，不能因为谈订单一次失败，然后就不敢前进。
应该胆子大一点，脸皮再厚一点，然后硬着头皮上，多碰几次钉子，不是挫折而是锻炼，对我们心理素质的提升。
pn结实验报告
pn结实验报告
PN结实验报告
实验目的：
1. 了解PN结的基本原理；
2. 学习PN结的零偏和正偏；
3. 研究PN结的特性曲线和反向击穿电压。
实验仪器和材料：
1. PN结二极管；
2. 多用途电路实验箱；
3. 直流电压源；
4. 直流电流表；
5. 直流电压表。
实验步骤：
1. 将PN结二极管连接到多用途电路实验箱中，其中P端连接到正极，N端连接到负极。
2. 调节电压源和电流表的数值，使得PN结二极管处于零偏状态。
记录此时的电压和电流值。
3. 将电压源的正负极调整，使得PN结二极管处于正偏状态。
记录此时的电压和电流值。
4. 改变电压源的数值，记录PN结二极管在不同正偏电压下的电流值。
5. 将电压源连接到反向方向，逐渐增加电压值，记录PN结二极管的反向击穿电压。
实验结果：
零偏状态下，PN结的电流非常小，几乎可以忽略不计，电压为零。
正偏状态下，PN结的电流明显增加，电压也有所增加。
当正偏电压增加时，PN结的电流也随之增加。
当电压源连接到反向方向时，PN结的电流依然很小，呈指数增长。
反向击穿电压约为-5V。
结论：
1. PN结在零偏状态下，电流非常小，电压为零；
2. PN结在正偏状态下，电流明显增加，电压也有所增加；
3. PN结的正偏电流与正偏电压呈正相关关系；
4. PN结在反向电压下的电流很小，呈指数增长；
5. PN结的反向击穿电压约为-5V。
通过本次实验，我们对PN结的基本原理和特性曲线有了更深入的了解。
pn结的制备
pn结的制备一、扩散法的原理扩散法是一种制备pn结的常用方法，它利用不同材料的扩散性差异来形成pn结。
在扩散过程中，通过控制温度和时间，将掺杂物从高浓度区域扩散到低浓度区域，形成p型和n型半导体层，从而形成pn结。
二、扩散法的步骤1. 准备材料我们需要准备两块半导体材料，一块是p型半导体，另一块是n型半导体。
常见的p型半导体材料有硼化硅（BPSG）等，而常见的n 型半导体材料有磷化硅（LPCVD）等。
2. 清洗材料将两块半导体材料进行清洗，去除表面的污染物和氧化层，以保证扩散过程的质量。
3. 涂覆掺杂物在p型半导体材料的一侧涂覆n型掺杂物，例如磷（P），而在n型半导体材料的一侧涂覆p型掺杂物，例如硼（B）。
这样就形成了一侧富含p型掺杂物，另一侧富含n型掺杂物的材料。
4. 恒温扩散将涂覆了掺杂物的半导体材料放入恒温炉中，控制温度和时间，使掺杂物从高浓度区域逐渐扩散到低浓度区域。
在扩散过程中，掺杂物的原子会与半导体晶格原子发生取代或插入反应，从而形成p型和n型半导体层，并在两者交界处形成pn结。
5. 加工和封装经过扩散后，我们可以对制备好的pn结进行加工和封装。
加工包括刻蚀、沉积、光刻等步骤，以形成器件的结构。
封装则是将器件封装在外壳中，保护器件并方便连接外部电路。
三、扩散法的优缺点1. 优点：（1）制备过程简单，成本较低；（2）制备的pn结质量较高，可靠性好；（3）适用于大规模生产。
2. 缺点：（1）由于扩散过程中材料的掺杂浓度不易控制，可能导致掺杂不均匀，影响器件性能；（2）制备过程中使用的高温可能对材料造成损伤。
四、总结扩散法是一种常用的制备pn结的方法，通过控制掺杂物的扩散过程，形成p型和n型半导体层，并在交界处形成pn结。
这种方法制备的pn结质量较高，适用于大规模生产，但需要注意掺杂浓度的均匀性和高温对材料的影响。
通过不断改进和优化，扩散法在半导体器件制备中仍然具有重要的地位。
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。
pn结物理特性实验报告
pn结物理特性实验报告PN结物理特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体通过扩散形成。
PN结具有很多重要的物理特性，如整流、发光、放大等。
本实验旨在通过实际操作和测量，深入了解PN结的物理特性。
一、实验目的：1. 理解PN结的基本结构和形成原理；2. 掌握PN结的整流特性；3. 研究PN结的发光特性；4. 了解PN结的放大特性。
二、实验仪器和材料：1. PN结二极管；2. 直流电源；3. 示波器；4. 光敏二极管；5. 放大器。
三、实验步骤和结果：1. 整流特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，通过改变电压的正负极性，记录电流和电压之间的关系。
实验结果显示，当正向偏置时，电流呈指数增长；当反向偏置时，电流几乎为零，符合PN结的整流特性。
2. 发光特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，逐渐增加正向偏置电压，观察并记录发光现象。
实验结果表明，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线，这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。
3. 放大特性实验：将PN结二极管连接到放大器电路中，通过输入信号的变化，观察输出信号的变化。
实验结果表明，当输入信号的幅度较小时，输出信号经过放大后与输入信号相似；当输入信号的幅度较大时，输出信号会出现失真现象，这是由于PN 结的非线性特性导致的。
四、实验分析和讨论：1. 整流特性分析：PN结的整流特性使其在电子学中广泛应用于整流电路。
通过实验可以发现，当PN结处于正向偏置时，电流可以流动，符合正向导通的特点；而当PN结处于反向偏置时，电流几乎为零，符合反向截止的特点。
这种特性使得PN结二极管可以用于电源的整流。
2. 发光特性分析：PN结二极管的发光特性使其成为现代光电器件的重要组成部分。
通过实验可以发现，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线。
这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。
大学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告（完整）
⼤学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告（完整）PN 结正向压降与温度特性的研究⼀、实验⽬的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
2．在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
3．学习⽤PN 结测温的⽅法。
⼆、实验原理理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系)exp(kTqV Is I FF = （1）其中q 为电⼦电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流，它是⼀个和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明])0(ex p[kTqV CT Is g r -= （2）（注：（1），（2）式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第⼆节）其中C 是与结⾯积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
将（2）式代⼊（1）式，两边取对数可得11)0(n r F g F V V InT q kT T IcIn q k V V +=--= （3）其中()rn F g InT qKTV T Ic In q k V V -=???? ?-=11)0(这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本⽅程。
令I F =常数，则正向压降只随温度⽽变化，但是在⽅程（3）中，除线性项V 1外还包含⾮线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V---=1111)0()0( （4）按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -??+=理想（5） TV F ??1等于T 1温度时的T V F ??值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=??111)0( （6）所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=----+=理想（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相⽐较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(11+--=-=?理想（8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV ，⽽相应的V F 的改变量约20mV ，相⽐之下误差甚⼩。
实验三：PN结工艺制备
1、代码翻译、单步仿真、画结构图# (c) Silvaco Inc., 2013go athena#line x loc=0.00 spac=0.2line x loc=1 spac=0.1line x loc=1.1 spac=0.02line x loc=2 spac=0.25#line y loc=0.00 spac=0.02line y loc=0.2 spac=0.1line y loc=0.4 spac=0.02line y loc=2 spac=0.5#init silicon c.phos=5.0e18 orientation=100 two.d#第1次单步仿真#deposit oxide thick=0.50 divisions=5#第2次单步仿真#etch oxide left p1.x=1#第3次单步仿真implant boron dose=1.0e15 energy=50 pearson tilt=7 rotation=0 amorph# 第4次单步仿真，结构图+杂质分布图method fermi compressdiffus time=30 temp=1000 nitro press=1.00#第5次单步仿真，结构图+杂质分布图extract name="xj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0 junc.occno=1#extract name="rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0 region.occno=1etch oxide all#第6次单步仿真deposit alum thickness=0.2 div=3#第7次单步仿真etch alum right p1.x=1.0#第8次单步仿真electrode name=anode x=0.0electrode name=cathode backsidestructure outf=diodeex05_0.strtonyplot diodeex05_0.str -set diodeex05_0.setgo atlasmodels bipolar bbt.std printimpact selbmethod newton trap maxtrap=10 climit=1e-4solve initlog outf=diodeex05.logsolve vanode=-0.25 vstep=-0.25 vfinal=-10 name=anodetonyplot diodeex05.log -set diodeex05_log.setextract init infile="diodeex05.log"extract name="bv" min(v."anode")extract name="leakage" x.val from curve(v."anode",abs(i."anode")) where y.val=1e-10 Quit2、对比仿真diffus time=30 temp=1000 nitro press=1.00 960℃、1000℃、1100℃20min、30min、40minimplant boron dose=1.0e15 energy=50 pearson tilt=7 rotation=0 amorph（3）注入离子浓度、离子能、注入离子束和仿真面的角度不变，设定注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变注入离子束与晶圆法线的角度：2，7，10（4）注入离子浓度、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变离子能量：30keV，50keV，60keV（5）注入离子能量、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变离子浓度：2.0e15，1.0e15，0.5e15init silicon c.phos=5.0e18 orientation=100 two.d#（6）初始化Si衬底，晶向不变，改变衬底含磷浓度：3.0e18，5.0e18，7.0e18。
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。
光伏电池pn结制备实验心得
光伏电池pn结制备实验心得一、技术迭代推动降本增效，N 型电池技术发展提速晶硅电池技术是以硅片为衬底，根据硅片的差异区分为 P 型电池和 N 型电池。
其中 P 型电池主要是 BSF 电池和 PERC 电池，N 型电池目前投入比较多的主流技术为 HJT 电池和 TOPCon 电池。
1）P 型电池，传统单晶和多晶电池主要技术路线为铝背场技术（Al-BSF），目前主流的 P 型单晶电池技术为 PERC 电池技术，该技术制造工艺简单、成本低，叠加 SE（选择性发射技术）提升电池转换效率；2）N 型电池，随着 P 型电池逐渐接近其转换效率极限，N 型将成为下一代电池技术的发展方向。
N 型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点，主要制备技术包括 PERT/PERL、 TOPCon、IBC、异质结（HJT）等。
技术迭代推动提效降本，PERC 电池产能占 86%过去五年，PERC 代替 Al-BSF 成为目前主流电池技术。
P 型电池技术主要经历了 Al-BSF（传统铝背场）到单面 PERC 再到双面PERC 技术的发展路线。
根据 CPIA 数据， 2015 年之前，铝背场电池是主流的电池技术，市占率一度超过 90%，2015 年开始随时 PERC 电池技术的推广，BSF 电池市占率开始下降并在 2020 年市占率降至8.8%。
PERC 电池技术的推广主要得益于单晶硅片的大规模推广，设备国产化率快速提升等因素。
根据 CPIA数据，2020 年新建量产产线仍以 PERC 电池为主，PERC 电池市场占比达到 86.4%。
1） Al-BSF 电池技术。
为改善太阳能电池效率，在 P-N 结制备完成后，在硅片的背光面沉积一层铝膜，制备 P+层，称为铝背场电池。
铝背层主要进行表面钝化，降低背表面复合速率，增加光程，提升效率。
但红外辐射光只有 60-70%能被反射，产生较多的光电损失，在转换效率方面有明显的局限。
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结制备
pn结制备PN结是一种常见的电子元件，广泛应用于电子技术领域。
本文将介绍PN结的制备过程以及其在电子设备中的应用。
PN结是由P型半导体和N型半导体通过特定的工艺制备而成。
P型半导体具有多余的空穴，而N型半导体具有多余的电子。
当P型半导体和N型半导体相接触时，由于电子的扩散作用，会发生电子从N区域向P区域的扩散，同时空穴从P区域向N区域的扩散。
这种扩散现象会导致P区域和N区域的电荷分布发生变化，形成一个电势差，即PN结。
PN结具有单向导电性，即只有在外加正向电压的情况下，才会有电流通过。
PN结的制备主要包括以下几个步骤。
首先，选择适当的半导体材料，如硅或者锗。
然后，在硅或锗的基底上进行杂质掺入，使得其成为P型或N型半导体。
掺入P型或N型杂质的方法主要有扩散法、离子注入法等。
掺入P型杂质的半导体称为P型半导体，掺入N型杂质的半导体称为N型半导体。
接下来，将P型半导体和N型半导体相接触，形成PN结。
最后，对PN结进行封装，制成具有特定功能的电子元件。
PN结在电子设备中有广泛的应用。
首先，PN结可以用于制造二极管。
二极管是一种基本的电子元件，具有单向导电性。
当施加正向电压时，PN结导通，电流可以通过；当施加反向电压时，PN结截止，电流无法通过。
二极管广泛应用于电源、通信、显示等领域。
其次，PN结可以用于制造光电二极管。
光电二极管可以将光信号转化为电信号，常用于光通信、光电传感器等领域。
此外，PN结还可以用于制造太阳能电池。
太阳能电池通过吸收光能将其转化为电能，具有环保、可再生等优点，被广泛应用于太阳能发电系统中。
除了以上应用外，PN结还可以用于制造晶体管、场效应管等电子元件。
晶体管是一种三极管，具有放大和开关功能，广泛应用于放大器、计算机、电视机等设备中。
场效应管是一种电压控制的电子元件，具有高输入阻抗和低输出阻抗，常用于放大、开关等电路。
PN 结还可以用于制造整流器、稳压器等电路，用于电力系统中的整流和稳压。
PN结原理及制备工艺
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
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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。 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。 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。
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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。
图一器件结构2、代码翻译、单步仿真、画结构图# (c) Silvaco Inc., 2013go athena# 调用ATHENA仿真器并生成网格信息#定义x方向网格信息line x loc=0.00 spac=0.2line x loc=1 spac=0.1line x loc=1.1 spac=0.02line x loc=2 spac=0.25#定义y方向网格信息line y loc=0.00 spac=0.02line y loc=0.2 spac=0.1line y loc=0.4 spac=0.02line y loc=2 spac=0.5# 对网格进行初始化，并设定衬底材料参数为硅，生成了均匀分布的杂质，浓度为 5e18每立方厘米init silicon c.phos=5.0e18 orientation=100 two.d#第1次单步仿真# 淀积氧化层厚度为0.50um，将新淀积层分成5条网格线。
运行结果为在硅片表面生成一层氧化物薄膜deposit oxide thick=0.50 divisions=5#第2次单步仿真# 将x=1um左边的二氧化硅全部刻蚀掉etch oxide left p1.x=1#第3次单步仿真#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。
implant boron dose=1.0e15 energy=50 pearson tilt=7 rotation=0 amorph# 第4次单步仿真，结构图+杂质分布图#选择compress氧化模型以及fermi扩散模型，扩散时间 30min，温度1000℃，气体氛围为氮气，分压为1atmmethod fermi compressdiffus time=30 temp=1000 nitro press=1.00#第5次单步仿真，结构图+杂质分布图extract name="xj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0 junc.occno=1#提取器件结构参数（结深，方块电阻）extract name="rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0 region.occno=1 #刻蚀全部氧化层etch oxide all#第6次单步仿真#沉积铝厚度为0.2um，将新淀积层分成3条网格线deposit alum thickness=0.2 div=3#第7次单步仿真#刻蚀掉x=1um右边的全部铝（形成铝接触）etch alum right p1.x=1.0#第8次单步仿真960℃1000℃1100℃表3-2改变扩散温度提取参数条件结深xj/(um) Rho方块电阻击穿电压反向饱和电流960℃0.37941 151.718 4.75431 1.63140e-0131000℃0.37199 171.053 5.66388 2.37395e-0131100℃0.618853 353.949 7.79683 2.50368e-013实验结论：由两表可知，在扩散时间、气体氛围类型和气体分压不变，当扩散温度逐渐增大，掺杂扩散就会越多导致表面浓度下降得越多，从IV曲线中的变化可以看出。
从提取参数来看，结深在增大，方块电阻越来越大，击穿电压逐渐增强，而反响饱和电流同时也得到增强。
（2）扩散温度、气体氛围类型和气体分压不变，改变扩散时间表3-3改变扩散时间所得的器件结构及曲线条件器件剖面图IV特性曲线20min30 min35 min表3-4改变扩散时间提取参数条件结深xj/(um) Rho方块电阻击穿电压反向饱和电流20 min 0.406894 158.174 5.11734 3.06276e-01330 min 0.437119 171.053 5.66388 2.37395e-01335 min 0.449222 177.115 5.36376 2.16505e-013实验结论：由两表可知，在扩散温度、气体氛围类型和气体分压不变，当扩散时间逐渐增大，掺杂扩散就会越多导致表面浓度下降得越多，从IV曲线中的变化可以看出。
从提取参数来看，结深在逐渐增大，方块电阻在逐渐增大，击穿电压在30min处最大，而反响饱和电流在逐渐减小。
（3）注入离子浓度、离子能、注入离子束和仿真面的角度不变，设定注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变注入离子束与晶圆法线的角度表3-5改变注入离子束与晶圆法线的角度所得的器件结构及曲线条件器件剖面图IV特性曲线2710表3-6改变注入离子束与晶圆法线的角度提取参数条件结深方块电阻击穿电压反向饱和电流2 0.439392 169.419 5.52751 2.05877e-0137 0.437119 171.053 5.66388 2.37395e-01310 0.434838 172.944 5.59179 2.09520e-013实验结论：由两表可知，在注入离子浓度、离子能、注入离子束和仿真面的角度不变，设定注入步骤众硅晶格结构为amorph，注入离子束与晶圆法线的角度越大，IV曲线中向左移动。
从提取参数来看，结深在逐渐减小，方块电阻在逐渐增大，击穿电压在条件7处最大，而反响饱和电流也在条件7处最大。
（4）注入离子浓度、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变离子能量表3-7改变离子能量所得的器件结构及曲线条件器件剖面图IV特性曲线30 keV60 keV表3-8改变离子能量提取参数条件结深方块电阻击穿电压反向饱和电流30 keV0.375971 181.640 5.14308 1.92561e-01350 keV0.437119 171.053 5.66388 2.37395e-01360 keV0.473407 168.074 5.50804 1.86383e-013实验结论：由两表可知，在注入离子浓度、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，当离子能量逐渐增大，IV曲线中的点在中间处越集中。
从提取参数来看，结深在逐渐增大，方块电阻在逐渐减小，击穿电压在50 keV处最大，而反响饱和电流也在50 keV处最大。
（5）注入离子能量、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，改变离子浓度表3-9改变离子浓度所得的器件结构及曲线条件器件剖面图IV特性曲线1.5e150.5e15表3-10改变离子浓度提取参数条件结深方块电阻击穿电压反向饱和电流1.5e15 0.483738 108.878 4.60806 7.13748e-0131.0e15 0.437119 171.053 5.663882.37395e-0130.5e15 0.362049 399.874 6.01650 2.29465e-013实验结论：由两表可知，在注入离子能量、注入离子束与晶圆法线的角度和注入离子束和仿真面的角度不变，注入步骤众硅晶格结构为amorph，当离子浓度逐渐减小，IV曲线中的点在中间处越集中。
从提取参数来看，结深在逐渐减小，方块电阻在逐渐增大，击穿电压在逐渐最大，而反响饱和电流在逐渐减小。
（6）初始化Si衬底，晶向不变，改变衬底含磷浓度表3-11改变衬底含磷浓度所得的器件结构及曲线条件器件剖面图IV特性曲线3.0e185.0e18表3-12改变衬底含磷浓度提取参数条件结深方块电阻击穿电压反向饱和电流3.0e18 0.458651 151.456 6.25057 1.44196e-0135.0e18 0.437119 171.053 5.66388 2.37395e-0137.0e18 0.419542 193.835 5.37205 2.81437e-013实验结论：由两表可知，在初始化Si衬底，晶向不变，当衬底含磷浓度逐渐增大，IV曲线中的点在中间处越集中并向右移。
从提取参数来看，结深在逐渐减小，方块电阻在逐渐增大，击穿电压在逐渐减小，而反响饱和电流在逐渐增大。