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医学影像学精-PN结ppt课件
.
PN结单向导电性引言：
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反 之是高阻性，电流小。
如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向 电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向 电压，简称反偏。
.
2、PN结的单向导电性
1）PN结加正向电压时：P区接电源正端，N区接
UB
.
4、PN结的击穿 当反向电压超过一定值时,PN结会出现击穿,此时 反向电流剧增，反向电流开始剧增的电压称为
反向击穿电压. 1)齐纳击穿: 内电场的强作用下,束缚电子被直接从 共价键中拉出来,形成电子空穴对,而产生大量的载 流子,加强了漂移运动,出现击穿.本质是场致激发.<5 2)雪崩击穿: 内电场的强作用下,在结内作漂移运动的少
外电路形成极小 反向电流反向饱
和电流 I
反偏总结：外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内 电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩 散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场 作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略 扩散电流，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度
电源负端
动画演示
PN结正偏
P
耗尽层
N 内电场 减弱
耗尽层 变窄
扩散运动 加强
漂移运动 减弱
外电场
内电场
结平衡 破坏
.
2、 PN 结 的 单 向 导 电 性
.
2）PN结加反向电压时：P区接电源负端，N区接
电源正端 动画演示
耗尽层
PN结反偏
内电场 外电场
.
内电场 耗尽层 扩散运动
PN结单向导电性引言：
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反 之是高阻性，电流小。
如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向 电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向 电压，简称反偏。
.
2、PN结的单向导电性
1）PN结加正向电压时：P区接电源正端，N区接
UB
.
4、PN结的击穿 当反向电压超过一定值时,PN结会出现击穿,此时 反向电流剧增，反向电流开始剧增的电压称为
反向击穿电压. 1)齐纳击穿: 内电场的强作用下,束缚电子被直接从 共价键中拉出来,形成电子空穴对,而产生大量的载 流子,加强了漂移运动,出现击穿.本质是场致激发.<5 2)雪崩击穿: 内电场的强作用下,在结内作漂移运动的少
外电路形成极小 反向电流反向饱
和电流 I
反偏总结：外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内 电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩 散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场 作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略 扩散电流，PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度
电源负端
动画演示
PN结正偏
P
耗尽层
N 内电场 减弱
耗尽层 变窄
扩散运动 加强
漂移运动 减弱
外电场
内电场
结平衡 破坏
.
2、 PN 结 的 单 向 导 电 性
.
2）PN结加反向电压时：P区接电源负端，N区接
电源正端 动画演示
耗尽层
PN结反偏
内电场 外电场
.
内电场 耗尽层 扩散运动
第6章pn结ppt课件-PPT精选文档
的 ， 电 区 带
E(x) dx = Em W / 2
-xP -xP 0 xn x
第6章 pn结
• •
热平衡态下的p-n结
p-n结空间电荷层、势垒层、内建电场
非平衡态下的p-n结
p-n结的直流伏安特性(整流)
•
pn结电容
势垒电容 扩散电容
p型、n型半导体
•
•
掺杂
掺入(doping)V族元素，P或 As(施主，Donor)形成 n型 (negative)半导体
Si
Si
Si
•
Si
两边的载流子分别往对方扩散 → 电离杂质中心形成空间电荷 → 产生电场 内建电场： n区指向p区，从正 电荷指向负电荷的电场，引起 载流子的漂移运动
p
n
漂移
扩散 导带电子的运动
电场阻挡载流子的扩散 空间电荷层又称为势垒层
空间电荷区
单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两种半导体结合形成PN结时， 将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
称为 约化浓度。
4、pn结接触电势差
最大电场Em在结界面处 p-n结的内建电势VD也就是p型半 导体和n型半导体之间的接触电 势差。
VD = -
p
－ －
＋ ＋
n
电 场 E
∫
xn
由 于 从 n 区 指 向 p 区 内 建 电 场 的 不 断 增 强 空 间 电 荷 区 内 电 子 Em 势 能 - q V ( x ) 由 n 区 向 p 不 断 升 高 ， 导 致 能 上下移动
s
s
由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 及 总的耗尽区宽度，
第六章 pn结 ppt课件
电势能增大，即引起能带的整体上下移动。
载流子扩散的结果是使杂质电离，形成内建电场，其大小就是载流 子电势能的改变量。
电离中心 内建电场
n eeee 扩散
++++ ----
扩散 h
h h
p
h
浓度梯度形成的电场
第六章
pn 结
—— pn结能带图
流过pn结的总电流密度为漂移电流和扩散电流密度之和：
费米能级的改变=电势能的改变
p
EFp
n
EFn
Ecp
E
电子扩散区
p
e
Lp
q(VD+V)
EFp Evp
Ecn
h
EFn
Ln
n
空穴扩散区
Evn
第六章
理想pn结模型
pn 结
—— pn结电压特性
小注入：注入的少数载流子浓度比平衡多子浓度小得多；
突变耗尽层：外加电压直接降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由 电离中心的电荷组成，耗尽层外的半导体呈电中性；
不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用，即通过耗尽层的电子和 空穴的电流是常数；
满足玻尔兹曼分布。
第六章
pn 结
理想pn结的电流电压方程 计算的基本步骤： 计算势垒边界的非平衡载流子浓度；
—— pn结电压特性
由扩散连续性方程得到扩散区中非平衡载流子的分布；
由扩散方程算出少子的电流密度；
得到电流电压方程。
外加正向电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动
pn结加正向电压V，由于势垒两侧的载流子浓度很大，电阻很小， 正向偏压几乎都降落在结区，削弱内建电场(qVD-qV)；
内建电场(qVD-qV)减弱，打破了载流子扩散与漂移的平衡态，使 扩散流起主导，存在净扩散电流。
课件：第二章 PN结
2.1 热平衡（无偏压） Байду номын сангаасN结
二、电场和电势分布：
（2）电势分布：
P型电 中性区
qNd
N型电 中性区
（ii）P区耗尽层： (xp x 0)
d (x)
dx
(x)
q Na
s
(x
xP ),
-xp
xn
x
-qNa
耗尽区
(x) (x)dx
q Na
s
(x
xP
)dx
q Na
2 s
(x
xP )2
中性区耗尽区 耗尽区 中性区 x
即：(xn )
q Nd
s
x n C2
0，
C2
q Nd
s
xn
-xp
0
xn
(x)
qNd
s
( xn
x),
(xn x 0)
(2 115)
qNa xP s
qNd xn s
电场分布图
2.1 热平衡（无偏压） PN结
二、电场和电势分布：
（1）电场分布：
P型电 中性区
qNd
qNd
（2）静电势法： 取费米势为电势能的零点。
-xp
-qNa
N型电
中性区
xn
x
n0 ni exp /VT (110 9) p0 ni exp /VT (11010)
边界区 耗尽区 边界区
N型电中性区：
P型电中性区：
n
VT
ln
n ni
VT
ln
Nd ni
,
(2 1 6)
p
VT
ln
p ni
2.1 热平衡（无偏压） PN结
半导体物理基础 PN结 ppt课件
（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。
11
11
PN结制作工艺过程
• 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。
• 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。
12
12
PN结制作工艺过程
• 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。
13
13
PN结制作工艺过程
• 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。
0 dx
• 由电场强度的概念，电力线最密集的地
方电场强度最大。因此在公式2-1-15中
取x=0，得到最大电场
EM
qNd xn
K0
• 电场和电势分布：2-1-16和2-1-18
26
26
2.1 热平衡PN结
• 单边突变结：结一边的杂质浓度远高于
另外一边。
•
推导出内建电势为2-1-19
0
qN d xn2 2k 0
Chap2 PN 结
1
1
PN结制作工艺过程
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
11
11
PN结制作工艺过程
• 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。
• 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。
12
12
PN结制作工艺过程
• 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。
13
13
PN结制作工艺过程
• 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。
0 dx
• 由电场强度的概念，电力线最密集的地
方电场强度最大。因此在公式2-1-15中
取x=0，得到最大电场
EM
qNd xn
K0
• 电场和电势分布：2-1-16和2-1-18
26
26
2.1 热平衡PN结
• 单边突变结：结一边的杂质浓度远高于
另外一边。
•
推导出内建电势为2-1-19
0
qN d xn2 2k 0
Chap2 PN 结
1
1
PN结制作工艺过程
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
PN结原理及制备工艺ppt课件
PN结原理及其 制备工艺
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1
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
最新版整理ppt
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
2
• 【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。
★PN结：
P区
- ---- ---- ----
+ ++++ + ++++
+ + + + + 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
最新版整理ppt
内电场对载 流子的作用
10
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
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1
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
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硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
2
• 【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。
★PN结：
P区
- ---- ---- ----
+ ++++ + ++++
+ + + + + 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
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内电场对载 流子的作用
10
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
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 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(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 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氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （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。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
第六章pn结PPT课件
扩散电流与复合电流之比与 V 有关
J扩 exp qV
Jr
2KT
V ，J扩/Jr 迅速 ，低 V时, Jr > J扩
V ，J扩/Jr 迅速 ，高 V时, Jr < J扩
第42页/共68页
J/Js
实际pn结的电流电压特性
第43页/共68页
大注入情况
正向偏压较大时，注入的非平衡少子浓度接近 或超过该区多子浓度的情况
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
第24页/共68页
2．正偏时载流子的运动和电流成分
J Jp
Jn
x
xp’
xp
xn
xn’
第25页/共68页
通过pn结的总 J： J = Jp扩（n 区边界）+ Jn扩（ p 区边界）
3．正偏下的电流密度 （推导自学）
qV
J Js e KT 1
Ge: Eg 小，ni2大，反向电流中扩散电流主要 Si: Eg 大， ni2小，反向电流中势垒产生电流主要
第39页/共68页
势垒区的复合电流
正向偏压，从n区注入p区的电子和从p区注入
n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成
了另一股正向电流。
P
N
+
－
总正向电流密度
J正 ＝ J扩＋ Jr
Ε内
复合电流密度 Jr
pn结的正向电 流电压关系式
其中：
Js
qDp Lp
pno
qDn Ln
npo
第26页/共68页
对于p＋n结：
J
q
Dp pn0
qV
(e KT
1)
Lp
对于pn＋结：
PN结的形成及特性 PPT
P 型半导体
N 型半导体
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
少子(自由电子)
P
N
少子(空穴)
N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴 （少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生 的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允 许电流往一个方向流动的元件。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ ჷ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
- - - - - -+ ++ +++
PN结精品PPT课件
P区相对于N区具有电势差 —— VD
3、P-N结能带图
P区电子的能量向上移动 qVD
—— 抵消原来P区和N区电子费密能级的差别
且有
qVD (EF ) N (EF )P
—— 半导体中载流 子浓度远远低于金属
—— PN结处形成的 电荷空间分布区域约 在微米数量级
4．p-n结接触电势差
• 平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD 为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应 的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为 pn的势垒高度。
0
—— 反向抽取使边界少子 的浓度减小
反向电流 j j0 (eqV / kBT 1)
边界处 x 0
N0
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1)
电子扩散流密度
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1) Dn Ln
Dn and Ln —— 电子的扩散系数和扩散长度
注入到P区的电子电流密度
jn
qn
0 P
(
e
qV
/
k
BT
1) Dn Ln
—— 在N区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡 载流子边扩散、边复合形成空穴电流
——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能 漂移过PN结
N区的空穴一到达边界即被拉到P区 P区的电子一到达边界即被拉到N区 —— PN结方向抽取作用
PN加有反向电压 V Vr 势垒变为 q(VD Vr )
P区边界电子的浓度
nP
n e0 qVr / kBT P
n e0 qVr / kBT P
图5-2 合金法制造p-n结过程
3、P-N结能带图
P区电子的能量向上移动 qVD
—— 抵消原来P区和N区电子费密能级的差别
且有
qVD (EF ) N (EF )P
—— 半导体中载流 子浓度远远低于金属
—— PN结处形成的 电荷空间分布区域约 在微米数量级
4．p-n结接触电势差
• 平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差VD 为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应 的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD为 pn的势垒高度。
0
—— 反向抽取使边界少子 的浓度减小
反向电流 j j0 (eqV / kBT 1)
边界处 x 0
N0
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1)
电子扩散流密度
n
0 P
(
e
qV
/
kBT
1) Dn Ln
Dn and Ln —— 电子的扩散系数和扩散长度
注入到P区的电子电流密度
jn
qn
0 P
(
e
qV
/
k
BT
1) Dn Ln
—— 在N区边界空穴积累，同时向N区扩散，也是非平衡 载流子边扩散、边复合形成空穴电流
——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能 漂移过PN结
N区的空穴一到达边界即被拉到P区 P区的电子一到达边界即被拉到N区 —— PN结方向抽取作用
PN加有反向电压 V Vr 势垒变为 q(VD Vr )
P区边界电子的浓度
nP
n e0 qVr / kBT P
n e0 qVr / kBT P
图5-2 合金法制造p-n结过程
第6章pn结ppt课件
p-n结的制作过程
衬底制备 → 氧化 → 光刻出窗口 → 从窗口掺入杂质 (高温扩散或离子注入) → 形成p-n结。
SiO2
n型衬底
1. ( 表面制备 )
杂质
n型衬底
2. ( 氧化 )
n型衬底
3. ( 光刻 )
n型衬底
4. ( 扩散 )
p
n型衬底
5. ( p-n结 )
6. ( 做电极 和封装等 )
不断升高，导致能带
上下-x移P 动0
xn
x
qVD EF Ei
W
内建电势 的求解
对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi
Vbi
xn xp
E(x) dx
1 2
xn xp
Emax
s
2qN0
E2 max
1
或
Emax
2qN
s
0
Vbi
2
（2-10）
qV ( x)qVD
∴ n(x) nn0 e k0T
同理：
qVD qV ( x)
p(x) pn0 e k0T
qVD
np0 nn0e k0T
qVD
pn0 pp0e k0T
势垒区中，电子、空穴服从玻耳兹曼分布
多子浓度指数衰减，与相应的n区，p区体内相比，多 子好像被耗尽一样，因此一般常把势垒区叫耗尽区
ln
ni
EF Ei k0T
d (ln n) 1 ( dEF dEi )
dx
k0T dx dx
Jn
nqn
E
半导体的基础知识与PN结(ppt 24页)
2、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导 体）。
空穴浓度多于自由电子浓度 空穴为多数载流子(简称多子）， 电子为少数载流子(简称少子)。
+3
(本征半导体掺入 3 价元素后，原来 晶体中的某些硅原子将被杂质原子 代替。杂质原子最外层有 3 个价电 子，3与硅构成共价键，多余一个空 穴。)
扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零， 空间电荷区的宽度达到稳定。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。
P
PN结
N
二、 PN 结的单向导电性 空间电荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图 1.1.7 PN 结加反向电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
（动画1-3）
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 内电场； 内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。
少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层
PN结 PPT课件
将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂
成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一
个特殊的薄层
PN结
13
① 多子扩散运动形成空间电荷区
由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向…
扩散的结果，交界面P区一侧因失去空穴而留下不
能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能
移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的
(b)锗原子 简化模型
硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个
价电子。
4
1.本征半导体（纯净的半导体晶体）
点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子 之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的 价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子
硅 和 锗 的
晶 体 结 构 （ａ）点阵结构
（ｂ）共价键结构
a. 外加正向电压较小时，外电场不足以克服内 电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 b. 正向电压大于“开启电压UON”后，i 随着 u 增大迅速上升。
19
P42
c. 外加反向电压时， PN结处于截止状态，反 向电流 IR 很小。 d. 反向电压大于“击穿电压U（BR）”时，反向 电流 IR 急剧增加。
5
热激发产生自由电子和空穴
室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚
成为自由电子，同时在 共价键中留下一个空位 这个空位称为“空穴” 。失去价电子的原子成 为正离子，就好象空穴 带正电荷一样。
在电子技术中,将空穴看 成带正电荷的载流子。
6
空穴运动 （与自由电子的运动不同）
有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补
(a)管芯结构图 (b)结构示意图 (c) 电路符号
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Chap2 PN 结
1
PN结制作工艺过程
• 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 N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
• 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涂敷在半导体晶 片表面上。经光线的照射后，光刻胶的 化学结构发生变化。
• 正性胶和负性胶
12
2.1 热平衡PN结
一、PN结的形成 • PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
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。
• 最终达到平衡后，形成P高N低的能带图 结构。
15
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
p
n
n
漂移
EC EF
p
EV
扩散
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
在接触前分开的P型和N型硅的能带图
接触后的能带图
16
2.1 热平衡PN结
• 突变结：N型区到P型区是陡变的 • 缓变结：具有逐渐改变的杂质分布
• P型半导体和N型半导体接触后，当在浓 度梯度作用下的扩散运动和在内建电场 作用下的漂移运动达到动态平衡后，就 形成了 PN结。
13
2.1 热平衡PN结
N 内建电场 P
++ ++ ++
++ - ++ - ++ - -
V qND V qN A 空间电荷区
----
14
2.1 热平衡PN结
• 当P型硅和N型硅放在一起并达到热平衡 后，费米能级应该在整个系统中保持恒 定；费米能级以下的能态更趋向于被电 子填满，费米能级以上的能态更趋向于 空着。
SiO2 n Si
N+
SiO2
N Si N+
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
2
PN结制作工艺过程
•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
P Si N+
• 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）。
6
PN结制作工艺过程
• 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）。
22
2.1 热平衡PN结
（3）耗尽区 • 耗尽区：在空间电荷区中，各自的多数载
4
PN结制作工艺过程
• 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）.
5
PN结制作工艺过程
• 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）。
（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。
9
PN结制作工艺过程
• 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。
• 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。
• 由1-12-1和1-12-2得：
EFn EFp
qVT
ln
Nd Na ni2
q 0
21
2.1 热平衡PN结
• 这也是热平衡时电子从N区进入P区，或空穴 从P区进入N区需要跨越的势垒高度。因此， 也把空间电荷区称为势垒区。
• （2）边界层 • 边界层的宽度约为非本征德拜（Debye）长
度的3倍。 • 边界层小于耗尽层的宽度，所以可以忽略。 • PN结可以只简单的划分为中性区和耗尽区。
NaNd NaNd
Na
xj 0 -Nd
0 x
17
-ax
xj x
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
18
2.1 热平衡PN结
• 泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系
：
d 2
dx2
q
k 0
p Nd
n Na
d
dx
d
dx
q
k 0
p
Nd
n
Na
19
2.1 热平衡PN结
• （1）对于电中性区 • 利用中性区电中性条件导出了两个中性区
间的电势差公式。称为内建电势或扩散电 势。只存在于热平衡PN结。
0
n
p
VTlnBiblioteka Nd Na ni220
2.1 热平衡PN结
• 形成PN结之前，N区的费米能及比P区要 高。形成PN结之后，费米能级要求恒定，
即N区费米能级要下降 EFn EFp
SiO2 N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
SiO2
P Si N Si
金属
N+
（j） P-N 结制作完成
3
PN结制作工艺过程
• 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。
7
PN结制作工艺过程
• 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；
8
PN结制作工艺过程
10
PN结制作工艺过程
• 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。
11
PN结制作工艺过程
• 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。
1
PN结制作工艺过程
• 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 N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
• 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涂敷在半导体晶 片表面上。经光线的照射后，光刻胶的 化学结构发生变化。
• 正性胶和负性胶
12
2.1 热平衡PN结
一、PN结的形成 • PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
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。
• 最终达到平衡后，形成P高N低的能带图 结构。
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2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
p
n
n
漂移
EC EF
p
EV
扩散
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
在接触前分开的P型和N型硅的能带图
接触后的能带图
16
2.1 热平衡PN结
• 突变结：N型区到P型区是陡变的 • 缓变结：具有逐渐改变的杂质分布
• P型半导体和N型半导体接触后，当在浓 度梯度作用下的扩散运动和在内建电场 作用下的漂移运动达到动态平衡后，就 形成了 PN结。
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2.1 热平衡PN结
N 内建电场 P
++ ++ ++
++ - ++ - ++ - -
V qND V qN A 空间电荷区
----
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2.1 热平衡PN结
• 当P型硅和N型硅放在一起并达到热平衡 后，费米能级应该在整个系统中保持恒 定；费米能级以下的能态更趋向于被电 子填满，费米能级以上的能态更趋向于 空着。
SiO2 n Si
N+
SiO2
N Si N+
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
2
PN结制作工艺过程
•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
P Si N+
• 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）。
6
PN结制作工艺过程
• 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）。
22
2.1 热平衡PN结
（3）耗尽区 • 耗尽区：在空间电荷区中，各自的多数载
4
PN结制作工艺过程
• 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）.
5
PN结制作工艺过程
• 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）。
（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。
9
PN结制作工艺过程
• 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。
• 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。
• 由1-12-1和1-12-2得：
EFn EFp
qVT
ln
Nd Na ni2
q 0
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2.1 热平衡PN结
• 这也是热平衡时电子从N区进入P区，或空穴 从P区进入N区需要跨越的势垒高度。因此， 也把空间电荷区称为势垒区。
• （2）边界层 • 边界层的宽度约为非本征德拜（Debye）长
度的3倍。 • 边界层小于耗尽层的宽度，所以可以忽略。 • PN结可以只简单的划分为中性区和耗尽区。
NaNd NaNd
Na
xj 0 -Nd
0 x
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-ax
xj x
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
18
2.1 热平衡PN结
• 泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系
：
d 2
dx2
q
k 0
p Nd
n Na
d
dx
d
dx
q
k 0
p
Nd
n
Na
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2.1 热平衡PN结
• （1）对于电中性区 • 利用中性区电中性条件导出了两个中性区
间的电势差公式。称为内建电势或扩散电 势。只存在于热平衡PN结。
0
n
p
VTlnBiblioteka Nd Na ni220
2.1 热平衡PN结
• 形成PN结之前，N区的费米能及比P区要 高。形成PN结之后，费米能级要求恒定，
即N区费米能级要下降 EFn EFp
SiO2 N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
SiO2
P Si N Si
金属
N+
（j） P-N 结制作完成
3
PN结制作工艺过程
• 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。
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PN结制作工艺过程
• 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；
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PN结制作工艺过程
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PN结制作工艺过程
• 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。
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PN结制作工艺过程
• 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。