半导体的n型和p型
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3.杂质半导体
本征半导体中虽有两种载流子，但因本征载子浓 度很低，导电能力很差。如在本征半导体中掺入某 种特定杂质，成为杂质半导体后，其导电性能将发 生质的变化。
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷、砷）的 半导体。 P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼、镓）的 半导体。
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3.杂质半导体
n型半导体
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多出 一个 电子 出现 了一 个正 离子
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3.杂质半导体
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成 为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质. 若用ND表示施主原子的浓度，n表示总自由电子 的浓度，p表示少子空穴的浓度，则有如下的浓 度关系： n = p + ND 上式表明，离子化的施主原子和空穴的正电荷 必为自由电子的负电荷所平衡，以保持材料的 电中性。
因五价杂质原子中只有四个价电 子能与周围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚而很容 易形成自由电子。
在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
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模拟电子技术基础
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
P
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4.掺杂工艺简介
中等电流离子注入机的示意图
•在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 掺入的杂质浓度；而小数载流子的浓度主要取决于 温度。 •杂质半导体，无论是N型还是P型，从总体上看， 仍然保持着电中性。 •在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改善。 但提高导电能力不是其最终目的，因为导体导电能 力更强。杂质半导体的奇妙之处在于,N、P型半导 体可组合制造出各种各样的半导体器件.
24
4.掺杂工艺简介
扩散和离子注入的示意图
25
4.掺杂工艺简介
杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放 入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合 物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在6001000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气 体混合物中的杂质分压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂， 它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。 引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源 （BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、 PH3 ），其中液态源最常用。
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3.杂质半导体
应当注意，通过增加施主原子数可以提高半导 体内的自由电子浓度，由此增加了电子与空穴 的复合几率，使本征激发产生的少子空穴的浓 度降低。由于电子与空穴的复合，在一定温度 条件下，使空穴浓度与电子浓度的乘积为一常 数，即 pn = pini 式中pini分别为本征材料中的空穴浓度和电子 浓度，可以得到如下关系式： pn = ni2
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3.杂质半导体
杂质半导体的示意图
多子—空穴 P型半导体 多子—电子 N型半导体
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－ － 少子—电子
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少子—空穴
多子浓度——与杂质浓度有关
少子浓度——与温度有关
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4.掺杂工艺简介
杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩 散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由 高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓 度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高 温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内， 杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由 离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电 路，因为二者互补不足，相得益彰。
电炉 石英管 N
2
硅晶片
排气口 电炉
液态杂质源
O2
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4.掺杂工艺简介
半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙 原子形式进行的原子移动。下图显示了2种基本的原 子扩散模型。
29
4.掺杂工艺简介
离子注入的分布
离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过 程。注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达 10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的 1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子 注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和 较低的工艺温度。 高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量， 最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控 制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用 是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退 化处理用来去除这些损伤。
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2.本征半导体
纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半 导体。 在热力学温度零度（即T=０Ｋ，相当于-273℃） 时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此， 晶体中没有自由电子。所以在T=０Ｋ时，半导体不能 导电，如同绝缘体一样。 在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足 够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位 留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征 激发。
半导体的n型、p型掺杂
教
师：黄辉
办公室：创新园大厦A1226
本章内容
• • • • 1.半导体概述 2.本征半导体 3.杂质半导体 4.掺杂工艺简介
2
1.半导体概述
根据物体导电能力（电阻率） 的不同，物质可分为导体(ρ<101Ω·cm)、绝缘体(ρ>109 Ω·cm)和半 导体(10-1Ω<ρ<109Ω·cm)三大类。
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3.杂质半导体
若用NA表示受主原子的浓度，n表示少子电 子的浓度，p表示总空穴的浓度，则有如下 的浓度关系： NA + n = p 这是因为材料中的剩余电荷浓度必为零。或 者说，离子化的受主原子的负电荷加上自由 电子必与空穴的正电荷相等。
21
3.杂质半导体
杂质半导体的特点
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3.杂质半导体
p型半导体
•因三价杂质原子在与硅原子 形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个 空穴。 •在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形 成 ；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 •空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质因而也称为受主杂质。
16
模拟电子技术基础
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4.掺杂工艺简介
使用液态源的磷扩散的化学反应如下：
4POCl3 3O2 2P 2O5 6Cl2
P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还源自文库出磷，氯 气被带走。
2P2O5 5Si 4P 5SiO2
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4.掺杂工艺简介
对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别 的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的 封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开 发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或 ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂 剂有硒和碲。
半导体应用极为广泛，因为它 具有热敏性、光敏性、掺杂性等特 殊性能。
3
1.半导体概述
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等， 其都是4价元素（外层轨道上的电子通常称为价电子）， 其原子结构模型和简化模型如图所示。
4
1.半导体概述
每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原 子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此 ，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现 在围绕相邻原子核的轨道上。于是，两个相邻的原 子共有一对共价电子，这一对价电子组成所谓的 。硅、锗原子的共价键结构如图所示。
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2.本征半导体
由于随机热振动致使共价键被打破而产生电 子空穴对。
本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电 子和带正电的空穴。分别用n和p表示自由电子和空穴 的浓度，有n=p。
7
2.本征半导体
空穴、电子导电机理
由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用 下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个 电子原来的位置上又留下新的 空位，以后其他电子又可转移 到这个新的空位。这样就使共 价键中出现一定的电荷迁移。 空穴的移动方向和电子移动方 向是相反的。
在本征半导体中掺入三价杂质元素硼
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+4 负离子
3.杂质半导体
本征半导体中虽有两种载流子，但因本征载子浓 度很低，导电能力很差。如在本征半导体中掺入某 种特定杂质，成为杂质半导体后，其导电性能将发 生质的变化。
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷、砷）的 半导体。 P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼、镓）的 半导体。
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3.杂质半导体
n型半导体
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3.杂质半导体
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成 为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质. 若用ND表示施主原子的浓度，n表示总自由电子 的浓度，p表示少子空穴的浓度，则有如下的浓 度关系： n = p + ND 上式表明，离子化的施主原子和空穴的正电荷 必为自由电子的负电荷所平衡，以保持材料的 电中性。
因五价杂质原子中只有四个价电 子能与周围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚而很容 易形成自由电子。
在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
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模拟电子技术基础
掺入少量五价杂质元素磷 +4 +4 +4
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4.掺杂工艺简介
中等电流离子注入机的示意图
•在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 掺入的杂质浓度；而小数载流子的浓度主要取决于 温度。 •杂质半导体，无论是N型还是P型，从总体上看， 仍然保持着电中性。 •在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改善。 但提高导电能力不是其最终目的，因为导体导电能 力更强。杂质半导体的奇妙之处在于,N、P型半导 体可组合制造出各种各样的半导体器件.
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4.掺杂工艺简介
扩散和离子注入的示意图
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4.掺杂工艺简介
杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放 入半导体硅晶片并通入含有所需掺杂剂的气体混合 物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温度在6001000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气 体混合物中的杂质分压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂， 它们在硅中都有极高的固溶度，可高于5×1020cm-3。 引入方式有：固态源（BN、As2O3、P2O5）；液态源 （BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、 PH3 ），其中液态源最常用。
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3.杂质半导体
应当注意，通过增加施主原子数可以提高半导 体内的自由电子浓度，由此增加了电子与空穴 的复合几率，使本征激发产生的少子空穴的浓 度降低。由于电子与空穴的复合，在一定温度 条件下，使空穴浓度与电子浓度的乘积为一常 数，即 pn = pini 式中pini分别为本征材料中的空穴浓度和电子 浓度，可以得到如下关系式： pn = ni2
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3.杂质半导体
杂质半导体的示意图
多子—空穴 P型半导体 多子—电子 N型半导体
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少子—空穴
多子浓度——与杂质浓度有关
少子浓度——与温度有关
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4.掺杂工艺简介
杂质掺杂的实际应用主要是改变半导体的电特性。扩 散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由 高温的扩散方式来完成，杂质原子通过气相源或掺杂 过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表面，这些杂质浓 度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高 温与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内， 杂质浓度在半导体内有个峰值分布，杂质分布主要由 离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电 路，因为二者互补不足，相得益彰。
电炉 石英管 N
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硅晶片
排气口 电炉
液态杂质源
O2
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4.掺杂工艺简介
半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙 原子形式进行的原子移动。下图显示了2种基本的原 子扩散模型。
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4.掺杂工艺简介
离子注入的分布
离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过 程。注入能量介于1keV到1MeV之间，注入深度平均可达 10nm~10um，离子剂量变动范围从用于阈值电压调整的 1012/cm3到形成绝缘层的1018/cm3。相对于扩散工艺，离子 注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和 较低的工艺温度。 高能的离子由于与衬底中电子和原子核的碰撞而失去能量， 最后停在晶格内某一深度。平均深度由于调整加速能量来控 制。杂质剂量可由注入时监控离子电流来控制。主要副作用 是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。因此，后续的退 化处理用来去除这些损伤。
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2.本征半导体
纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征半 导体。 在热力学温度零度（即T=０Ｋ，相当于-273℃） 时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此， 晶体中没有自由电子。所以在T=０Ｋ时，半导体不能 导电，如同绝缘体一样。 在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足 够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位 留下一个空穴，这种产生电子-空穴对的现象称为本征 激发。
半导体的n型、p型掺杂
教
师：黄辉
办公室：创新园大厦A1226
本章内容
• • • • 1.半导体概述 2.本征半导体 3.杂质半导体 4.掺杂工艺简介
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1.半导体概述
根据物体导电能力（电阻率） 的不同，物质可分为导体(ρ<101Ω·cm)、绝缘体(ρ>109 Ω·cm)和半 导体(10-1Ω<ρ<109Ω·cm)三大类。
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3.杂质半导体
若用NA表示受主原子的浓度，n表示少子电 子的浓度，p表示总空穴的浓度，则有如下 的浓度关系： NA + n = p 这是因为材料中的剩余电荷浓度必为零。或 者说，离子化的受主原子的负电荷加上自由 电子必与空穴的正电荷相等。
21
3.杂质半导体
杂质半导体的特点
15
3.杂质半导体
p型半导体
•因三价杂质原子在与硅原子 形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个 空穴。 •在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形 成 ；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 •空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质因而也称为受主杂质。
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模拟电子技术基础
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4.掺杂工艺简介
使用液态源的磷扩散的化学反应如下：
4POCl3 3O2 2P 2O5 6Cl2
P2O5在硅晶片上形成一层玻璃并由硅还源自文库出磷，氯 气被带走。
2P2O5 5Si 4P 5SiO2
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4.掺杂工艺简介
对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别 的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的 封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开 发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或 ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂 剂有硒和碲。
半导体应用极为广泛，因为它 具有热敏性、光敏性、掺杂性等特 殊性能。
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1.半导体概述
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等， 其都是4价元素（外层轨道上的电子通常称为价电子）， 其原子结构模型和简化模型如图所示。
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1.半导体概述
每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原 子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此 ，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现 在围绕相邻原子核的轨道上。于是，两个相邻的原 子共有一对共价电子，这一对价电子组成所谓的 。硅、锗原子的共价键结构如图所示。
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2.本征半导体
由于随机热振动致使共价键被打破而产生电 子空穴对。
本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电 子和带正电的空穴。分别用n和p表示自由电子和空穴 的浓度，有n=p。
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2.本征半导体
空穴、电子导电机理
由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用 下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个 电子原来的位置上又留下新的 空位，以后其他电子又可转移 到这个新的空位。这样就使共 价键中出现一定的电荷迁移。 空穴的移动方向和电子移动方 向是相反的。
在本征半导体中掺入三价杂质元素硼
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