半导体物理基础 PN结

1Chap2PN结2PN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NSiN+(a)抛光处理后的N型硅晶片N+(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作光刻胶NSiSiO2N+(c)光刻胶层匀胶及坚膜（d)图形掩膜、曝光光刻胶掩模板紫外光NSiSiO2N+(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片（f)腐蚀SiO2后的晶片nSi光刻胶SiO2N+NSiSiO2N+3PN结制作工艺过程NSiSiO2N+PSiNSiSiO2金属N+NSiPSiSiO2金属金属N+(g)完成光刻后去胶的晶片(h)通过扩散（或离子注入）形成P-N结(i)蒸发/溅射金属（j）P-N结制作完成•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程PSiNSiSiO2N+4PN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。5PN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）.6PN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）。•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）。7PN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）。8PN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；9PN结制作工艺过程（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。10PN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。11PN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。12PN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。•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132.1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。•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。142.1热平衡PN结------++++++------++++++空间电荷区NP内建电场DVqNAVqN152.1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。•最终达到平衡后，形成P高N低的能带图结构。162.1热平衡PN结FECEVEpnCEVEFEpnCEFEiEVE0q漂移漂移扩散扩散Enp在接触前分开的P型和N型硅的能带图接触后的能带图172.1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NaNd0xNa-NdxjNaNd0xxj-ax182.1热平衡PN结n型电中性区p型电中性区边界层边界层耗尽区192.1热平衡PN结•泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系：adNnNpkqdxd022dxdEadNnNpkqdxdE0202.1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。20lniadTpnnNNV212.1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•由1-12-1和1-12-2得：02lnqnNNqVEEiadTFpFnFpFnEE222.1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。232.1热平衡PN结（3）耗尽区•耗尽区：在空间电荷区中，各自的多数载流子浓度受到抑制或者耗尽。•自由载流子浓度可以忽略，称为耗尽近似。•N侧和P侧的泊松方程可以分别简化为2-1-11和2-1-12。•掺杂浓度与结宽度的关系：2-1-13242.1热平衡PN结•边界条件：处，•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•电场和电势分布：2-1-16和2-1-180KxqNEndMnxx00dxd252.1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•假设：以PN结最右侧为电势0点。•势垒区：电子和空穴要越过空间电荷区需要克服势垒做功，因此空间电荷区也称为势垒区。2002dnqNxk262.1热平衡PN结•单边突变结的耗尽层宽度为（耗尽近似）21002dnqNkxW272.1热平衡PN结•由于电势和电场的积分关系，存在以下的面积关系：00021XEM282.1热平衡PN结•对称突变结、非对称突变结和单边突变结的耗尽层厚度与接触电势的关系为：qNw002)11(200daNNqw2002qNw292.2加偏压的PN结•2.2.1PN结的单向导电性•当外加电压连接到PN结两端时，热平衡被破坏，会有电流流过。•空间电荷区的电阻远远高于中性区，因此认为外加电压直接加在空间电荷区。302.2加偏压的PN结b+VVq0FpEFnEqVW（E）FnENPWFECE（a）能量（E）NP能量（）q0（a）热平衡，耗尽层宽度为W（b）加正向电压，耗尽层宽度W’W312-2加偏压的PN结P+RVRI能量（E）RVq0RqVW（c）N（c）加反向电压，耗尽层宽度W’W322-2加偏压的PN结•正向偏压：势垒削弱，扩散被加强，电流大。•反向偏压：势垒加强，扩散被抑制，电流小。•当偏离平衡态之后，费米能级出现分裂。•费米能及与载流子浓度相关联。而电流与费米势的梯度有关（1-12-5和1-12-6）。332-2加偏压的PN结•在电中性区，多数载流子浓度仍然保持相应的平衡数值，因此在这些区域中的准费米能级并没有偏离平衡费米能级。•在空间电荷区，载流子浓度不发生变化，因此准费米能级不变。•准费米能级的分裂表明：在紧靠耗尽区的电中性区内，出现了过量载流子。342-2加偏压的PN结•在反向偏压下，耗尽近似仍然成立。•单边突变结的耗尽层宽度为•耗尽层的宽度随反向偏压的增加而增加。2100)(2dRnqNVkxW352-2加偏压的PN结•在正向偏压下，如果电流不大，耗尽近似仍然成立。•但当电流增大时，空间电荷区的载流子浓度会与杂质离子浓度可比拟，耗尽近似不再成立。•一般来说，在正向偏压下，耗尽近似不成立。362-2加偏压的PN结•2.2.2少数载流子的注入与运输•正向偏置条件下，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。•1、扩散近似•nn0：热平衡时n区的电子浓度——多子•np0：热平衡时p区的电子浓度——少子pn0：热平衡时n区的空穴浓度——少子pp0：热平衡时p区的空穴浓度——多子372-2加偏压的PN结•考虑紧靠结边缘的N侧中性区载流子的行为。•由于从P区注入了过量空穴，因此该区域将建立一个电场。•该电场将使得电子有类似的分布，以中和过量的空穴。（图2-6）•因此在载流子注入的区域中不存在电场。382-2加偏压的PN结•多子处于被动地位，仅限于中和少子所引起的电场，可以忽略，主要是看少子的影响。•假设该区域的电中性条件完全得到满足，于是少数载流子将通过扩散运动在电中性区中输运，这种近似称为扩散近似。392-2加偏压的PN结•N区的空穴电流及连续性方程2-2-3和2-2-4•P区的电子电流及连续性方程2-2-5和2-2-6•选择适当的边界条件，就可以求得注入的少子分布和少子电流。402-2加偏压的PN结•2.空间电荷区边界的少数载流子浓度•热平衡时：根据自建电势表达式2-1-7和完全电离原理，以及质量作用定律，可以得到2-2-8和2-2-9：结的空间电荷层两边的电子浓度以及空穴浓度是和势垒高度相联系的。412-2加偏压的PN结•加上正向偏压时：2-2-8被修改为2-2-10。•在小注入条件下，得到边界条件2-2-11和2-2-12。•2-2-11和2-2-12是少子连续性方程在PN结空间电荷区边界的边界条件。422-2加偏压的PN结•边界条件：加偏压后的边界少子浓度由热平衡少子浓度和外加电压决定。•结边缘少子浓度与热平衡少子浓度成正比，即与杂质浓度成反比。•单边突变结：单边注入432-2加偏压的PN结•正向注入：当PN结加正向偏压时，少子浓度会大于热平衡时少子浓度。•反向抽取：当PN结加反向偏压时，少子浓度会小于热平衡时少子浓度。442-3理想PN结的直流电流－电压特性•理想的P-N结的基本假设及其意义：•外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。•均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。•空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。452-3理想PN结的直流电流－电压特性小注入，即和半导体非简并（费米能及位于禁带之中）TVVnnepp00nnTVVppenn00PP462-3理想PN结的直流电流－电压特性•首先对于N型中性区，当达到稳态之后，正向注入的过剩载流子随时间的变化应为0，即公式2-2-5为0，得到2-3-1。•空穴扩散长度•对于N区很长的PN结（长二极管），得到N型中性区的空穴电流2-3-8和2-3-9，x越大，空穴电流越小。2/1)(PPPDL472-3理想PN结的直流电流－电压特性•整个区域中的电流要恒定，必然会使得电子电流增加，即，少子电流通过电子－空穴对的复合不断的转换为多子电流。•P型中性区的电子电流2-3-14和2-3-15。482-3理想PN结的直流电流－电压特性x0载流子浓度P型N型nppn0np0np空间电荷层nxpxx0少数载流子电流pInInxpxxx0npIIIpIpInInInxpx（a）少数载流子分布（b）少数载流子电流（c）电子电流和空穴电流图2-7正向偏压情况下的的P-N结：492-3理想PN结的直流电流－电压特性•图2－7的意义：•注入的少子离开PN结边界后不断的与多子复合，将