二極管介紹與生產(chǎn)工藝教材

1、二極管介紹與生產(chǎn)工藝 US I. All rights reserved.Contents List目目 錄錄1.1.二極管簡介二極管簡介.2 2 2.2.半導體的導電特性半導體的導電特性.3 33.3.二極管的電氣特性二極管的電氣特性.5.5 4.4.二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù).6.65.5.二極管應用電路二極管應用電路.8.8 5.1.二極管穩(wěn)壓電路.8 5.2.二極管檢波電路.9 5.3.二極管鉗位電路.10 5.4.二極管整流應用.116.6.二極管生產(chǎn)工藝流程二極管生產(chǎn)工藝流程.14.14 6.1.半導體擴散工藝.15 6.2.二極管制造中序.267 7. .二極管生產(chǎn)問題分析

2、二極管生產(chǎn)問題分析.30308.8.二極管構造分類二極管構造分類.32.328 8. .國產(chǎn)二極管型號命名國產(chǎn)二極管型號命名.33339.9.各類型二極管常用檢測法各類型二極管常用檢測法.34.341 USI. All rights reserved.二極管在電路中主要起穩(wěn)壓，檢波，整流，鉗位，限幅等作用。電流只能從二極管的正極流向負極普通二極管用符號D表示。二極管簡介晶體二極管是由P型半導體和N型半導體燒結形成的P-N結界面。圖為常見二極管外形及表示方法 二極管的構成Kinds of diodesLight emitting diode 二極管的應用整整流流穩(wěn)壓穩(wěn)壓鉗位鉗位檢波檢波線路符號+

3、-2半導體導電特性3半導體導電特性4 US I. All rights reserved. 正向電壓很小 未克服PN結內電場 正向電流幾乎為正向電流幾乎為0 電壓大于死區(qū)電壓電壓大于死區(qū)電壓 PN結電場逐漸克服 電流隨電壓增大上升 PN結內電場完全削弱 電流隨電壓增大上升 二極管導通壓降不變二極管導通壓降不變0VthVthVth正向特性二極管處于死區(qū)導通進行狀態(tài)正常導通狀態(tài)閾值電壓Vth，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V。正向導通壓降硅管約為0.60.8V鍺管的約為0.20.3V 反向特性 反向電壓很小 反向漏電流很小反向漏電流很小 二極管反向截止 反向漏電流受溫 度影響 大于反向擊穿電壓大

4、于反向擊穿電壓 反向電流突然增大 失去單向導電性 反向電擊穿反向電擊穿 過熱則永久損壞 若未引起擊穿過熱 則不一定損壞UbrUbr0Ubr反向截止狀態(tài)反向擊穿擊穿損壞常溫下硅管的反向電流比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流在nA數(shù)量級，鍺管在A數(shù)量級反向截止電壓死區(qū)電壓特性曲線二極管電氣特性5二極管主要參數(shù) 最大整最大整流電流流電流If二極管長期工作，允許的最大正向平均電二極管長期工作，允許的最大正向平均電流值，其與流值，其與PN結面積及散熱條件等有關。結面積及散熱條件等有關。電流通過管子管芯發(fā)熱，電流通過管子管芯發(fā)熱，超溫會使管芯過熱損壞超溫會使管芯過熱損壞最高反向最高反向工作壓工作壓Ud

5、二極管兩端反向電壓高到一定值時，管二極管兩端反向電壓高到一定值時，管子擊穿，失去單向導電能力。子擊穿，失去單向導電能力。 IN4001二極管反向耐壓為二極管反向耐壓為 50V，IN4007為為1000V6 反向反向電流電流Id反向電流越小，單向導反向電流越小，單向導電性能越好電性能越好二極管在常溫二極管在常溫（25）和最高反向電壓和最高反向電壓作用下，流過的反向電流。作用下，流過的反向電流。最高工最高工作頻率作頻率FmFm取決于取決于PN結面積，結面積，PN結面積越大，結面積越大，F(xiàn)m越低越低Fm是二極管工作的上限頻率。高于該是二極管工作的上限頻率。高于該頻率將不能正常工作頻率將不能正常工作二

6、極管主要參數(shù)7二極管構造分類二極管構造分類二極管穩(wěn)壓電路形式一輸出電壓U0取自穩(wěn)壓管VZ兩端，故U0=Uvz。當電源電壓上升，由于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用，Uvz不變，輸出電壓U0也不變。該穩(wěn)定不變電壓可供給其他電路，使電路穩(wěn)定正常工作。輸出電壓取自限流電阻R兩端，當電源電壓上升時，穩(wěn)壓二極管兩端電壓Uvz不變，限流電阻R兩端電壓上升，故輸出電壓U0上升。穩(wěn)壓二極管按這種接法是不能為電路提供穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓二極管需反接于電路中，并工作于穩(wěn)壓二極管需反接于電路中，并工作于 反向擊穿狀態(tài)反向擊穿狀態(tài)8二極管構造分類二極管構造分類二極管檢波電路檢波原理電路中VD1是檢波二極管，C1是高頻濾波電容，R1是檢

7、波電路的負載電阻，C2是耦合電容。檢波電路中，調幅信號加到檢波二極管正極，這時檢波二極管工作原理與整流電路整流二極管工作原理基本一樣，利用信號幅度使檢波二極管導通。展開后的調幅信號波形中可以看出，它是一個幅度變化的交流信號。這一信號加到檢波二極管正極，正半周二極管導通，負半周二極管截止，相當于整流電路工作，在負載電阻R1上得到正半周信號包絡，信號虛線部分，見圖中檢波電路輸出信號波形（不加高頻濾波電容時輸出信號波形）。檢波電路輸出信號由音頻信號、直流成分和高頻載波信號成分組成。三種信號中，最重要是音頻信號處理。9二極管構造分類二極管構造分類二極管鉗位電路鉗位原理 水平線是受保護的節(jié)點。當該電壓超

8、過Vcc+Vd時，上面的二極管導通，當該點電壓小于-0.7V時，下面的二極管導通。因此該點的電位被鉗制在-0.7Vcc+Vd之間。 對于正常的二極管，正向電阻約為幾千歐，反向電阻約為幾百千歐（一般應大于200千歐）。如果電壓過高，高于Vcc+Vd（二極管導通壓降），上面的二極管導通，輸出電壓鉗位于Vcc+Vd；如果電壓過低，低于-Vd（二極管導通壓降），下面的二極管導通，輸出電壓鉗位于-Vd。10半波整流電路結構u變壓器輸出電壓U2僅半個周期可到達負載，負載電壓U0是單方向脈動直流電壓u如圖(a)，半波整流電路由電源變壓器、整流二極管和負載組成。U2表示變壓器二次繞組的交流電壓有效值，U0是脈

9、動的直流輸出電壓，半波整流電路簡單，使用元器件少，半波整流電路簡單，使用元器件少，輸出電壓脈動很大，效率很低輸出電壓脈動很大，效率很低用在對直流電流波形要求不高的場合用在對直流電流波形要求不高的場合u變壓器T一次側電壓U1，變壓器的二次側電壓U2uU2為正半周時VD導通，在RL上產(chǎn)生正半周電壓；U2為負半周時VD截止，負載RL上無電流流過u當輸入電壓進入下一個周期，整流電路將重復上述過程U2UOq.Voltage waveform二極管構造分類二極管構造分類二極管整流電路11全波整流電路結構u全波整流電路由兩個半波整流電路組成，變壓器T二次繞組具有兩個中心抽頭，將二次繞組分為上下兩個相等部分，

10、變壓器兩個輸出端可以得到兩個大小相等相位相反的輸出電壓全波整流電路帶載能力強，輸出電壓脈全波整流電路帶載能力強，輸出電壓脈動小，易濾成平滑直流動小，易濾成平滑直流電源變壓器需中心抽頭，變壓器效低，電源變壓器需中心抽頭，變壓器效低，整流管承受的耐壓高。整流管承受的耐壓高。適用穩(wěn)定要求較高，輸出電流大的場合適用穩(wěn)定要求較高，輸出電流大的場合u當U2正半周VD1導通VD2截止，電流Io(ID1)通過VD1和RL在負載兩端產(chǎn)生上正下負脈動直流電壓Uou當U2負半周VD2導通VD1截止，電流Io(ID2)通過VD2和RL在負載兩端產(chǎn)生上正下負脈動直流電壓Uou正半周和負半周電壓經(jīng)過VD1和VD2整流后在

11、負載上合成為全波脈動直流電壓UoU2UTq. Voltage waveformU2U21U22UoU21U22二極管構造分類二極管構造分類二極管整流電路12橋式整流電路結構q. Voltage waveformu橋式整流電路屬全波整流，是使用最多整流電路。四只二極管接成電橋在電壓U2正負半周均有電流流過負載，在負載上形成單方向的全波脈動電壓u橋式整流電路由電源變壓器、四只整流二極管和負載電阻組成橋式整流電路利用交流輸入整個周期，變壓橋式整流電路利用交流輸入整個周期，變壓器利用率高，器利用率高，輸出電壓為半波整流的兩倍，輸出電壓的脈輸出電壓為半波整流的兩倍，輸出電壓的脈動大大減少。動大大減少。廣

12、泛用于家用電器、儀器儀表、通信設備、廣泛用于家用電器、儀器儀表、通信設備、電力控制等方面。電力控制等方面。u當U2正半周變壓器二次繞組電壓A正B負VD1VD3導通，VD2和VD4截止，電流Io1經(jīng)VD1、RL和VD3在RL輸出Uo,圖(a)u當U2負半周變壓器二次繞組電壓B正A負VD2VD4導通，VD1和VD3截止，電流Io2經(jīng)VD2、RL和VD4在RL輸出Uo,圖(b)u電壓U2一個周期內，負載RL上均有電流流過U2UoU2(a)(b)二極管構造分類二極管構造分類二極管整流電路13二極管構造分類二極管構造分類二極管生產(chǎn)工藝流程二極管生產(chǎn)工藝流程前期半導體擴散前期半導體擴散中期制造成型中期制造

13、成型后期打印包裝后期打印包裝。熱氧化。熱氧化。擴散。擴散。LPCVD。合金。合金。清洗。清洗。沾污測試。沾污測試。焊接。焊接。酸洗。酸洗。模壓。模壓。印字。印字。機包。機包。外揀。外揀。包裝。包裝14 US I. All rights reserved.二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝擴散區(qū)域按工藝分，主要有熱氧化、擴散、擴散區(qū)域按工藝分，主要有熱氧化、擴散、LPCVD、合金、清洗、沾污測試等六大工藝、合金、清洗、沾污測試等六大工藝熱氧化工藝熱氧化工藝介紹介紹熱氧化法是高溫下（900-1200）使硅片表面形成二氧化硅膜方法。常用雜質(硼,磷,砷等)在氧化層中的擴散系數(shù)遠小于在硅中的擴

14、散系數(shù)，因此氧化層具有阻擋雜質向半導體中擴散的能力。利用這一性質，在硅上的二氧化硅層上刻出選擇擴散窗口，則在窗口區(qū)就可以向硅中擴散雜質，其它區(qū)域被二氧化硅屏蔽，沒有雜質進入，實現(xiàn)對硅的選擇性擴散，從而導致了硅平面工藝的誕生。15. .熱氧化方法介紹熱氧化方法介紹干氧氧化干氧氧化氧分子以擴散的方式通過氧化層到達二氧化硅-硅表面，與硅發(fā)生反應，生成一定厚度的二氧化硅層 。干氧氧化化學反應式：Si+O2 = SiO2干氧化制作的SiO2結構致密，均勻性重復性好，掩蔽能力強，對光刻膠的粘附性較好，但生長速率慢；較用于高質量氧化，如柵氧等。二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝濕氧氧化濕氧氧化反應氣

15、體中包括O2和H2O ，實際是兩種氧化結合使用。 濕氧氧化化學反應式：H2+O2=H2O H2O+Si = SiO2+2H2 Si+O2 = SiO2濕氧氧化生長速率介于干氧氧化和水汽氧化間；通過H2和O2流量比例調節(jié)O2和H2O分壓比，調節(jié)氧化速率。為了安全，H2/O2比例不可超過1.88。濕氧化的氧化層對雜質掩蔽力以及均勻性均滿足工藝要求，氧化速率比干氧氧化明顯提高，因此在厚層氧化中得到較廣泛應用。16 US I. All rights reserved.摻氯氧化摻氯氧化氧化氣體中摻入HCl或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化層質量都有提高。兩方面解釋速率變化原因，其一：摻氯氧化時

16、反應產(chǎn)物有H2O，加速氧化；其二：氯積累在Si-SiO2界面附近，氯與硅反應生成氯硅化物，氯硅化物穩(wěn)定性差，在有氧情況下易轉變成SiO2，氯成為氧與硅反應催化劑。并且氧化層質量大有改善。熱氧化過程中摻入氯會使氧化層中含有一定量氯原子，可以減少鈉離子沾污，鈍化SiO2擊穿特性，提高半導體器件可靠性和穩(wěn)定性。大多干氧氧化都含有摻氯氧化。二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝水汽氧化水汽氧化生長速率快，但結構疏松，掩蔽能力差，有較多缺陷。 水汽氧化化學反應式：2H2O+Si = SiO2+2H2其對光刻膠的粘附性較差，一般不采用此方法。17. .熱氧化方法介紹熱氧化方法介紹二極管構造分類二極管構

17、造分類半導體擴散工藝擴散擴散工藝工藝介紹介紹擴散技術控制半導體中特定區(qū)域內雜質的類型、濃度、深度，是半導體器件生產(chǎn)的主要技術之一。. .擴散機構擴散機構替位式擴散機構替位式擴散機構這種雜質原子或離子大小與Si原子差別不大，沿著硅晶體內晶格空位跳躍前進擴散，雜質原子擴散時占晶格格點正常位置，不改變原來硅材料晶體結構。硼、磷、砷等是此種方式。填隙式擴散機構填隙式擴散機構這種雜質原子大小與Si原子差別較大，雜質原子進入硅晶體后，不占晶格格點正常位置，而從一個硅原子間隙到另一個硅原子間隙逐次跳躍前進。鎳鐵等重金屬元素是此方式。18二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝LPCVD工藝工藝介紹介紹LP

18、CVD即低壓化學氣相沉積（Low Pressure Chernicd Vapor Deposition）簡寫，幾種典型工藝為低壓化學氣相沉積多晶硅、低壓化學氣相沉積氮化硅、低壓化學氣相沉積二氧化硅、低壓化學氣相沉積三氧化二鋁。多晶硅沉積速率與反應溫度的關系多晶硅膜厚與沉積時間的關系19低壓化學氣相沉積多晶硅低壓化學氣相沉積多晶硅用硅烷（SiH4）沉積多晶硅，用純氬或純氮為稀釋氣體，高濃度硅烷易燃易爆不安全，已趨向采用低濃度SiH4沉積工藝，5%濃度SiH4較安全。沉積溫度在600700。以5%濃度SiH4為例，說明沉積過程中各參數(shù)的關系。二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝. .LPCV

19、D方法介紹方法介紹20低壓化學氣相沉積氮化硅低壓化學氣相沉積氮化硅有三種工藝使用SiH4 、NH3及N2、使用SiH2Cl2和NH3、使用SiCl4和NH3二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝21二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝低壓化學氣相沉積二氧化硅低壓化學氣相沉積二氧化硅22二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝低壓化學氣相沉積三氧化二鋁低壓化學氣相沉積三氧化二鋁工藝程序為：將硬質合金刀片掛在試樣架上，把4裝在底托5上，再裝入石英反應爐1內通入H2開始升溫。開動真空泵28使爐內壓力低于1l05pa。當試樣溫度升至10001100時，通入CO2和AlCl3，調整負壓調節(jié)閥

20、21，使石英爐內保持932pa左右的壓力，沉積3040分鐘后，停供CO2和AlCl3，待爐體溫度達室溫后出爐。影響鍍層質量的主要因素有：硬質合金刀片表面光潔度及清潔狀況，原料氣體配比等。通常原料氣體有H2、CO2、AlCl3，其體積配比為85%H2、12.5%CO2、2.5%AlCl3。如果CO2不足，反應不易進行。1-石英反應爐；2-感應圈；3-試樣；4-試樣支架；5-底托；6-混合氣體噴嘴；7-TiCl4進口處；8-管路加熱器；9-AlCl3篩板；14-H2凈化器；15-恒溫水??；16-蒸發(fā)瓶；17-TiCl4；18-二通閥門；19-負壓計；20-供水瓶；21-負壓調節(jié)閥；22-緩沖瓶；2

21、3-濃堿液；24-機械泵油；25-除塵器；26-排氣管；27-氯氣流量計；28-真空泵23合金合金工藝工藝介紹介紹二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝淀積到硅片表面的金屬層經(jīng)光刻形成一定的互連圖形之后，還必須進行一次熱處理，稱為“合金化”。合金的目的是使接觸孔中的鋁與硅之間形成低電阻歐姆接觸，并增加鋁與二氧化硅之間的附著力。鋁柵合金鋁柵合金鋁是三價元素，在硅中是強P型雜質，與Si能形成低值歐姆接觸。在熱處理過程中，硅會不停地往鋁膜中輸送，直到溶解飽和。硅在鋁膜中的溶解和擴散過程受鋁晶粒尺寸、孔邊緣氧化層應力、孔上殘余SiO2影響，引起鋁膜對硅的不均勻溶解。溶解入硅的鋁膜，稱為鋁釘。鋁釘?shù)拇嬖冢瑫a(chǎn)生PN結擊穿特性退化。嚴重時，出現(xiàn)PN結短路。24合金合金工藝工藝介紹介紹二極管構造分類二極管構造分類半導體擴散工藝硅柵合金硅柵合金實際工藝中，預先在鋁源中加入適量的硅，使硅在鋁膜中處于飽和，避免硅在鋁膜中的溶解，也就