PN结

引言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。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。引言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）。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-硅、P-硅和P-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）。引言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）。引言70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。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。光刻工艺的出现使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，大规模集成电路和微电子学飞速发展。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。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。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；（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生长方法：热氧化和化学气相沉积。引言扩散工艺：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。常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。引言离子注入技术：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。离子注入技术的特点：（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束扫描区域，实现选择注入,不需掩膜技术；（6）设备昂贵。引言外延工艺：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完整的，与衬底晶格结构有对应关系的薄膜单晶层。外延工艺可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、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。引言光刻工艺：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（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.引言引言硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程NSiN+(a)抛光处理后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nSi光刻胶SiO2N+NSiSiO2N+(f)腐蚀SiO2后的硅片引言PSiNSiSiO2金属N+(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结制作完成硅平面工艺制备结的主要工艺过程PSiNSiSiO2N+NSiSiO2N+（g)去胶后的晶片引言突变结与线性缓变结（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）NaNd0xNa-Ndxj突变结：图2.2突变结与线性缓变结0,(),()jajdxxNxNxxNxN引言突变结与线性缓变结线性缓变结：线性区NaNd0xxj-ax（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）图2.2突变结与线性缓变结()Nxax2.1热平衡PN结第二章P-N结2.1热平衡PN结FECEVEpnCEVEFEpnCEFEiEVE0q漂移漂移扩散扩散Enp（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图（b）接触后的能带图图2-3PN结空间电荷区的形成2.1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（c）与（b）相对应的空间电荷分布图2-3PN结空间电荷区的形成2.1热平衡PN结adNNxxxaNdNdN-aNpxm0（a）（b）（c）0nx0图2-4单边突变结（a）空间电荷分布（b）电场（c）电势图单边突变结电荷分布电场分布电势分布2.1热平衡PN结小结1.由两种不同材料（绝缘体除外）形成的冶金学接触叫做结或接触。半导体结有同型同质结、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，不过为了意义更具体，把它们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（MS结）。2.1热平衡PN结小结2.根据杂质分布情况PN结又有突变结（P区和N区杂质过渡陡峭）、线性缓变结（两区之间杂质过渡是渐变的）、单边突变结（一侧杂质浓度远远大于另一侧质浓度的突变结）。2.1热平衡PN结小结3.PN结空间电荷区的形成根据热平衡系统费米能级恒定的原理P型材料中费米能级靠近导带底，N型材料中费米能级靠近价带顶。当P型材料和N型材料被连接在一起时，费米能级在热平衡时必定恒等。恒定费米能级条件是由电子从N型一边转移至P型一边，空穴则沿相反方向转移实现。电子和空穴的转移在N型和P型各边分别留下未被补偿的施主离子和受主离子。它们荷电，固定不动，称为空间电荷。空间电荷存在的区域叫做空间电荷区。2.1热平衡PN结小结3.PN结空间电荷区的形成根据载流子的扩散和漂移当把P型和N型材料放在一起时，P型材料中有多得多的空穴，它们将向N型一边扩散。同时，在N型一边的电子将沿着相反的方向向P型区扩散。由于电子和空穴的扩散，在互相靠近的N侧和P侧分别出现没有载流子补偿的固定的施主离子和受主离子—空间电荷。空间电荷建立了一个电场—空间电荷区电场，也叫内建电场。内建电场沿着抵消载流子扩散趋势的方向，它使载流子向与扩散运动相反的方向漂移。在热平衡时，载流子的漂移运动和扩散运动达到动态相平衡，使得净载流子流为零。建立确定的空间电荷区。2.1热平衡PN结小结4.耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域，自由载流子密度为零。5.内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（ψ0）。2.1热平衡PN结小结6.势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒qψ0，P区空穴进入N区也需要克服势垒qψ0。于是空间电荷区又叫做势垒区。7.中性区：PN结空间电荷区外部区域常称为中性区。在杂质饱和电离情况下，中性区自由载流子浓度与杂质浓度相等，不存在电场。2.1热平衡PN结小结8.热平衡PN结能带图。画能带图的依据：(1)费米能级恒定。于是N侧中性区费米能级EFn相对P侧中性区费米能级向下移动EFn-EFp。(2)N侧各个能级（EC、EV及真空能级E0）与EFn平行地向下移动EFn-EFp。(3)在空间电荷区，真空能级连续。除费米能级外，各个能级与真空能级平行。2.1热平衡PN结小结9.利用中性区电中性条件和费米能级恒定两种方法导出了空间电荷区内建电势差公式：20lniadTpnnNNV（2-7）2.1热平衡PN结小结方法一：（中性区电中性条件）一维泊松方程和取费米势为零基准（2-1）（2-2a）（2-2b）中性区电中性条件，即电荷的总密度为零。（2-3）（2-4）2200()dadqpnNNdxkkTViennTVienp022dxd0dapnNN2.1热平衡PN结小结N型中性区,Na=0,pn。令（2-4）中Na=p=0,代入（2-2a）,N型中性区的电势P型中性区，令（2-4）中Nd=n=0,代到（2-2b）,P型中性区的电势N型中性区与P型中性区之间的电势差为idTnnNVlniaTpnNVln20lniadTpnnNNV（2-5）（2-6）（2-7）2.1热平衡PN结小结方法二:(费米能级恒定)费米能级恒定，热平衡PN结具有统一费米能级。形成PN结，费米能级恒定要求N区费米能级相对P区费米能级下降，则原费米电势差即PN结中N型与P型中性区间电势差。0()/iEpEEKTaipNne()/FniEEKTdinNneidiFnnNKTEElnipiFpnNKTEEln021()lndaFnFpTiNNEEVqnqKTVT2.1热平衡PN结小结Poisson方程求得PN结空间电荷区内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：P+N单边突变结：-qψ（x）即为空间电荷区能带E(x)nmxx10kxqNndm20212nndxxkxqN2002dnqNxk21002dnqNkxW（2-18）（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）2.1热平衡PN结教学要求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。采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成。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：解Poisson方程求单边突变结结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.作业题：2.120lniadTpnnNNV2.2加偏压的P-N结第二章P-N结2.2加偏压的P-N结2.2.1加偏压的结能带图b+VVq0FpEFnEqVW（E）FnENPWFECE（a）能量（E）NP能量（）q0图2.5单边突变结的能带图（a）热平衡，耗尽层宽度为W（b）加正向电压，耗尽层宽度W’W2.2加偏压的P-N结2.2.1加偏压的结能带图P+RVRI能量（E）RVq0RqVW（c）N（c）加反向电压，耗尽层宽度WW图2.5单边突变结的能带图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布，图2-7注入NP结的N侧的空穴及其所造成的电子分布xnn15010nn312100cmnxnqxnp5010np312100cmpxpq2.2加偏压的P-N结耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果102101.01011021021011.010102103VVR,1016101831410cmNbc(a)102101.01011021021011.010102103WmVVR,1018101631410cmNbc(b)图2-6耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果（a）mxj1和（b）mxj10假设为erfc