半導體的n型和p型

1、半導體的半導體的n n型、型、p p型摻雜型摻雜教教 師：黃輝師：黃輝辦公室：創(chuàng)新園大廈辦公室：創(chuàng)新園大廈A1226A1226本章內容本章內容2 1.1.半導體概述半導體概述 2.2.本征半導體本征半導體 3.3.雜質半導體雜質半導體 4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介 1.1.半導體概述半導體概述3根據物體導電能力（電阻率）的不同，物質可分為導體(109 cm)和半導體(10-1109cm)三大類。半導體應用極為廣泛，因為它具有熱敏性、光敏性、摻雜性等特殊性能。 1.1.半導體概述半導體概述4典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等，其都是4價元素（外層軌道上的電子通常稱為價電子價電子

2、），其原子結構模型和簡化模型如圖所示。 1.1.半導體概述半導體概述5每個原子最外層的價電子，不僅受到自身原子核的束縛，同時還受到相鄰原子核的吸引。因此，價電子不僅圍繞自身的原子核運動，同時也出現在圍繞相鄰原子核的軌道上。于是，兩個相鄰的原子共有一對共價電子，這一對價電子組成所謂的。硅、鍺原子的共價鍵結構如圖所示。 2.2.本征半導體本征半導體6純凈的、不含其他雜質的半導體稱為本征半導體。在室溫下，本征半導體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，在原位留下一個空穴，這種產生電子-空穴對的現象稱為本征激發(fā)。在熱力學溫度零度（即T=，相當于-273）時，價電子的能量不足以掙

3、脫共價鍵的束縛，因此，晶體中沒有自由電子。所以在T=時，半導體不能導電，如同絕緣體一樣。 2.2.本征半導體本征半導體7由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生電子空穴對。本征半導體中存在兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。分別用n和p表示自由電子和空穴的濃度，有n=p。 2.2.本征半導體本征半導體8 空穴、電子導電機理空穴、電子導電機理由于共價鍵出現了空穴，在外加電場或其它的作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的 空位，以后其他電子又可轉移 到這個新的空位。這樣就使共 價鍵中出現一定的電荷遷移。 空穴的移動方向和電子移動方 向是相反的。 3.3.雜質

4、半導體雜質半導體9 本征半導體中雖有兩種載流子，但因本征載子濃度很低，導電能力很差。如在本征半導體中摻入某種特定雜質，成為雜質半導體后，其導電性能將發(fā)生質的變化。N型半導體摻入五價雜質元素（如磷、砷）的半導體。 P型半導體摻入三價雜質元素（如硼、鎵）的半導體。 3.3.雜質半導體雜質半導體10因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。 n型半導體型半導體在型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子, 由熱激發(fā)形成。 模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回+4+4+

5、4+4+4+4+4+4+4摻入少量五價雜質元素磷摻入少量五價雜質元素磷P P模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回多出多出一個一個電子電子出現出現了一了一個正個正離子離子+4+4+4+4+4+4+4+4P P 3.3.雜質半導體雜質半導體14提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價雜質原子也稱為施主雜質. 若用ND表示施主原子的濃度，n表示總自由電子的濃度，p表示少子空穴的濃度，則有如下的濃度關系：n = p + ND上式表明，離子化的施主原子和空穴的正電荷必為

6、自由電子的負電荷所平衡，以保持材料的電中性。 3.3.雜質半導體雜質半導體15應當注意，通過增加施主原子數可以提高半導體內的自由電子濃度，由此增加了電子與空穴的復合幾率，使本征激發(fā)產生的少子空穴的濃度降低。由于電子與空穴的復合，在一定溫度條件下，使空穴濃度與電子濃度的乘積為一常數，即pn = pini式中pini分別為本征材料中的空穴濃度和電子濃度，可以得到如下關系式：pn = ni2 3.3.雜質半導體雜質半導體16p型半導體因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形 成 ；自由電子是少數載流子， 由熱激發(fā)形成。

7、 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。 模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入三價雜質元素三價雜質元素硼硼B(yǎng) B+4+4+4+4+4+4+4+4+4模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回出出現現了了一一個個空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎上頁上頁下頁下頁返回返回+4+4+4+4+4+4B B+4+4負離子負離子空穴空穴 3.3.雜質半導體雜質半導體

8、21若用NA表示受主原子的濃度，n表示少子電子的濃度，p表示總空穴的濃度，則有如下的濃度關系：NA + n = p這是因為材料中的剩余電荷濃度必為零。或者說，離子化的受主原子的負電荷加上自由電子必與空穴的正電荷相等。 3.3.雜質半導體雜質半導體22雜質半導體的特點在雜質半導體中，多數載流子的濃度主要取決于摻入的雜質濃度；而小數載流子的濃度主要取決于溫度。雜質半導體，無論是N型還是P型，從總體上看，仍然保持著電中性。在純凈的半導體中摻雜后，導電性能大大改善。但提高導電能力不是其最終目的，因為導體導電能力更強。雜質半導體的奇妙之處在于,N、P型半導體可組合制造出各種各樣的半導體器件. 3.3.雜

9、質半導體雜質半導體23雜質半導體的示意圖雜質半導體的示意圖+N型半導體少子少子空穴空穴P型半導體多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度少子濃度與溫度有關與溫度有關多子濃度多子濃度與雜質濃度有關與雜質濃度有關多子多子電子電子4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介24雜質摻雜的實際應用主要是改變半導體的電特性。擴散和離子注入是半導體摻雜的兩種主要方式。高溫擴散：一直到20世紀70年代，雜質摻雜主要是由高溫的擴散方式來完成，雜質原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴散或淀積到硅晶片的表面，這些雜質濃度將從表面到體內單調下降，而雜質分布主要是由高溫與擴散時間來決定。離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導體內，

10、雜質濃度在半導體內有個峰值分布，雜質分布主要由離子質量和注入能量決定。擴散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，因為二者互補不足，相得益彰。4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介25擴散和離子注入的示意圖4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介26雜質擴散通常是在經仔細控制的石英高溫爐管中放入半導體硅晶片并通入含有所需摻雜劑的氣體混合物。硅的溫度在800-1200；砷化鎵的溫度在600-1000。擴散進入半導體內部的雜質原子數量與氣體混合物中的雜質分壓有關。對硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們在硅中都有極高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固態(tài)源（BN、As2O3、

11、P2O5）；液態(tài)源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液態(tài)源最常用。4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介27使用液態(tài)源的磷擴散的化學反應如下：3225243 26POClOPOClP2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。25225 45POSiPSiO4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介28對砷化鎵的擴散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過壓的封閉爐管中擴散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開發(fā)爐管中擴散。p型擴散選用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質源石英管排氣口硅晶片4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介29半導體中的擴散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進行的原子移動。下圖顯示了2種基本的原子擴散模型。4.4.摻雜工藝簡介摻雜工藝簡介30離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達10nm10um，離子劑量變動范圍從用于閾值電壓調整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對于擴散工藝，離子