半導體器件物理第二章1-3

半導體器件物理第二章1-3第一頁，共51頁。

引言PN結(jié)是幾乎所有半導體器件的基本單元。除金屬－半導體接觸器件外，所有結(jié)型器件都由PN結(jié)構(gòu)成。PN結(jié)本身也是一種器件－整流器。PN結(jié)含有豐富的物理知識，掌握PN結(jié)的物理原理是學習其它半導體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導體和N型半導體實現(xiàn)冶金學接觸（原子級接觸）所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學接觸都稱為結(jié)（junction）,有時也叫做接觸（contact）.第二頁，共51頁。

引言由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同質(zhì)結(jié)（如硅），由不同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異質(zhì)結(jié)（如硅和鍺）。由同種導電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同型結(jié)（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型鍺），由不同種導電類型的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做異型結(jié)（如P-硅和N-硅、P-硅和N－鍺）。因此PN結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)之分。廣義地說，金屬和半導體接觸也是異質(zhì)結(jié)，不過為了意義更明確，把它們叫做金屬－半導體接觸或金屬－半導體結(jié)（M-S結(jié)）。第三頁，共51頁。

引言70年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。硅平面工藝包括以下主要的工藝技術(shù)：1950年美國人奧爾（R.Ohl）和肖克萊(Shockley)發(fā)明的離子注入工藝。1956年美國人富勒（C.S.Fuller）發(fā)明的擴散工藝。1960年盧爾（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的外延工藝。1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特蘭尼(E.Castellani)發(fā)明的光刻工藝。正是光刻工藝的出現(xiàn)才使硅器件制造技術(shù)進入平面工藝技術(shù)時代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學飛速發(fā)展的今天。上述工藝和真空鍍膜技術(shù)，氧化技術(shù)加上測試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。第四頁，共51頁。

氧化工藝：

1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具有阻止雜質(zhì)向硅內(nèi)擴散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導致了硅平面工藝技術(shù)的出現(xiàn)。

在集成電路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五條：

（1）對雜質(zhì)擴散的掩蔽作用；

（2）作為MOS器件的絕緣柵材料；

（3）器件表面鈍化作用；

（4）集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)；

（5）集成電路中電容器元件的絕緣介質(zhì)。

硅表面二氧化硅薄膜的生長方法：熱氧化和化學氣相沉積方法。

第五頁，共51頁。擴散工藝：由于熱運動，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運動，使其趨于均勻的趨勢，這種現(xiàn)象稱為擴散。

常用擴散工藝：液態(tài)源擴散、片狀源擴散、固-固擴散、雙溫區(qū)銻擴散。

液態(tài)源擴散工藝：使保護氣體（如氮氣）通過含有擴散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進入高溫擴散爐中。在高溫下雜質(zhì)蒸汽分解，在硅片四周形成飽和蒸汽壓，雜質(zhì)原子通過硅片表面向內(nèi)部擴散。第六頁，共51頁。離子注入技術(shù)：將雜質(zhì)元素的原子離化變成帶電的雜質(zhì)離子，在強電場下加速，獲得較高的能量（1萬-100萬eV）后直接轟擊到半導體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半導體片中形成一定的雜質(zhì)分布。離子注入技術(shù)的特點：（1）低溫；（2）可精確控制濃度和結(jié)深；（3）可選出一種元素注入，避免混入其它雜質(zhì)；（4）可在較大面積上形成薄而均勻的摻雜層；（5）控制離子束的掃描區(qū)域，可實現(xiàn)選擇注入，不需掩膜技術(shù)；（6）設(shè)備昂貴。第七頁，共51頁。外延工藝：外延是一種薄膜生長工藝，外延生長是在單晶襯底上沿晶體原來晶向向外延伸生長一層薄膜單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長另一種單晶材料薄膜。外延工藝可以方便地形成不同導電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外延層。外延技術(shù)：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。第八頁，共51頁。光刻工藝：光刻工藝是為實現(xiàn)選擇摻雜、形成金屬電極和布線，表面鈍化等工藝而使用的一種工藝技術(shù)。光刻工藝的基本原理是把一種稱為光刻膠的高分子有機化合物（由光敏化合物、樹脂和有機溶劑組成）涂敷在半導體晶片表面上。受特定波長光線的照射后，光刻膠的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果光刻膠受光照（曝光）的區(qū)域在顯影時能夠除去，稱之為正性膠；反之如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時被保留，未曝光的膠被除去稱之為負性膠；第九頁，共51頁。

引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程

(a)拋光處理后的型硅晶片(b)采用干法或濕法氧化工藝的晶片氧化層制作

(c)光刻膠層勻膠及堅膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-Si光刻膠SiO2N+第十頁，共51頁。

引言

(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴散（或離子注入）形成P-N結(jié)(i)蒸發(fā)/濺射金屬

（j）P-N結(jié)制作完成

采用硅平面工藝制備結(jié)的主要工藝過程

P-SiN-SiSiO2N+第十一頁，共51頁。

引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

（a）突變結(jié)近似（實線）的窄擴散結(jié)（虛線）（b）線性緩變結(jié)近似（實線）的深擴散結(jié)（虛線）圖2.2第十二頁，共51頁。

引言

突變結(jié)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

第十三頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)第十四頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)

（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶圖（b）接觸后的能帶圖圖2-3第十五頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布

圖2-3第十六頁，共51頁。電場定義為電勢的負梯度電勢與電子勢能的關(guān)系為可以把電場表示為（一維）取表示靜電勢。與此類似，定義為費米勢。第十七頁，共51頁。于是式中稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準，于是

第十八頁，共51頁。非均勻的雜質(zhì)分布會在半導體中引起電場，稱為自建電場。在熱平衡情況下，由

對于N型半導體，有對于P型半導體，有

第十九頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)圖2-4單邊突變結(jié)（a）空間電荷分布

（b）電場（c）電勢圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場分布、電勢分布

第二十頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)名詞、術(shù)語和基本概念：

PN結(jié)、突變結(jié)、線性緩變結(jié)、單邊突變結(jié)、空間電荷區(qū)、耗盡近似、中性區(qū)、內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢差、勢壘。分別采用費米能級和載流子漂移與擴散的觀點解釋了PN結(jié)空間電荷區(qū)（SCR）的形成。介紹了熱平衡PN結(jié)的能帶圖（圖2.3a、b）及其畫法。利用中性區(qū)電中性條件導出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式:

第二十一頁，共51頁。2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)解Poisson方程求解了PN結(jié)SCR內(nèi)建電場、內(nèi)建電勢、內(nèi)建電勢差和耗盡層寬度：

第二十二頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)第二十三頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)

2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布（a）熱平衡，耗盡層寬度為W

（b）加正向電壓，耗盡層寬度W’W第二十四頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖

（c）加反向電壓，耗盡層寬度W’>W

圖2.5單邊突變結(jié)的電勢分布第二十五頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)注入P+-N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布

圖2-7注入NP-+結(jié)的N側(cè)的空穴

及其所造成的電子分布

，x

nn

15010=nn

()312100-=Dcmn()xnqD-

x

np

5010=np

()312100-=Dcmp

()xpqD+

第二十六頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)耗盡層寬度隨外加反偏壓變化的實驗結(jié)果與計算結(jié)果第二十七頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)名詞、術(shù)語和基本概念：正向注入、反向抽取、擴散近似、擴散區(qū)介紹了加偏壓PN結(jié)能帶圖及其畫法根據(jù)能帶圖和修正歐姆定律分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘篤使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費米能級相對于P型中性區(qū)的升高qV。在P型中性區(qū)＝。在空間電荷區(qū)由于n、p<<ni，可以認為費米能級不變即等于。在N型中性區(qū)＝。同樣，在空間電荷區(qū)=，于是從空間電荷區(qū)兩側(cè)開始分別有一個費米能級從逐漸升高到和從逐漸下降到的區(qū)域。這就是P側(cè)的電子擴散區(qū)和N側(cè)的空穴擴散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。

第二十八頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴散區(qū)和空穴擴散區(qū)，不等于常數(shù)，根據(jù)修正歐姆定律必有電流產(chǎn)生，由于，電流沿x軸正方向，即為正向電流。又由于在空間電荷區(qū)邊界注入的非平衡少子濃度很大，因此在空間電荷區(qū)邊界電流密度也很大(J＝)離開空間電荷區(qū)邊界隨著距離的增加注入的非平衡少子濃度越來越小（e指數(shù)減少），電流密度也越來越小。反偏壓-使得PN結(jié)N型中性區(qū)的費米能級相對于P型中性區(qū)的降低q

。擴散區(qū)費米能級的梯度小于零，因此會有反向電流產(chǎn)生。由于空間電荷區(qū)電場的抽取作用，在擴散區(qū)載流子很少，很小，因此雖然有很大的費米能級梯度，電流卻很小且趨于飽和。第二十九頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)載流子擴散與漂移的觀點分析了結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珘菏箍臻g電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由下降到-V打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的擴散運動占優(yōu)勢即造成少子的正向注入且電流很大。反偏壓使空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差由上升到+V同樣打破了PN結(jié)的熱平衡，使載流子的漂移運動占優(yōu)勢這種漂移是N區(qū)少子空穴向P區(qū)和P區(qū)少子電子向N區(qū)的漂移，因此電流是反向的且很小。在反偏壓下，耗盡層寬度為

第三十頁，共51頁。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)

給出了結(jié)邊緣的少數(shù)載流子濃度：

和在注入載流子的區(qū)域，假設(shè)電中性條件完全得到滿足，則少數(shù)載流子由于被中和，不帶電，通過擴散運動在電中性區(qū)中輸運。這稱為擴散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運滿足擴散方程

第三十一頁，共51頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性第三十二頁，共51頁。突變結(jié)的雜質(zhì)分布N區(qū)有均勻施主雜質(zhì)，濃度為ND，P區(qū)有均勻受主雜質(zhì)，濃度為NA。勢壘區(qū)的正負空間電荷區(qū)的寬度分別為xn和-xp。同樣取x=0處為交界面，如下圖所示，

第三十三頁，共51頁。突變結(jié)的電荷分布勢壘區(qū)的電荷密度為

整個半導體滿足電中性條件，勢壘區(qū)內(nèi)正負電荷總量相等

NAxp=NDxn第三十四頁，共51頁。NAxp=NDxn表明：勢壘區(qū)內(nèi)正負空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜質(zhì)濃度成反比。雜質(zhì)濃度高的一邊寬度小，雜質(zhì)濃度低的一邊寬度大。例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，則xp比xn大100倍。所以勢壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴散。

第三十五頁，共51頁。突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強度是位置x的線性函數(shù)。電場方向沿x負方向，從N區(qū)指向P區(qū)。在x=0處，電場強度達到最大值

第三十六頁，共51頁。第三十七頁，共51頁。突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的

第三十八頁，共51頁。圖2-4單邊突變結(jié)（a）空間電荷分布

（b）電場（c）電勢圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場分布、電勢分布

第三十九頁，共51頁。突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因為V(x)表示點x處的電勢，而-qV(x)則表示電子在x點的電勢能，因此P-N結(jié)勢壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢姡瑒輭緟^(qū)中能帶變化趨勢與電勢變化趨勢相反。

第四十頁，共51頁。注入P+-N結(jié)的N側(cè)的空穴及其所造成的電子分布

圖2-6注入NP-+結(jié)的N側(cè)的空穴

及其所造成的電子分布

，x

nn

15010=nn

()312100-=Dcmn()xnqD-

x

np

5010=np

()312100-=Dcmp

()xpqD+

在正向偏壓一定時，在xp處就有一不變的向P區(qū)內(nèi)部流動的電子擴散流。同理，在邊界xn處也有一不變的向N區(qū)內(nèi)部流動的空穴擴散流。非平衡少子邊擴散邊與P區(qū)的空穴復合，經(jīng)過擴散長度的距離后，全部被復合。這一段區(qū)域稱為擴散區(qū)。第四十一頁，共51頁。2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性

正向偏壓情況下的的P-N結(jié)

（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流

勢壘區(qū)電場減弱，破壞了載流子的擴散運動和漂移運動之間的平衡，所以在加正向偏壓時，產(chǎn)生了電子從N區(qū)向P區(qū)以及空穴從P區(qū)到N區(qū)的凈擴散電流。電子通過勢壘區(qū)擴散入P區(qū)，在邊界xp處形成電子的積累，成為P區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，結(jié)果使xp處電子濃度比P區(qū)內(nèi)部高，形成了從xp處向P區(qū)內(nèi)部的電子擴散流。

第四十二頁，共51頁。反向偏壓情況下的的P-N結(jié)（a）少數(shù)載流子分布（b）少數(shù)載流子電流（c）電子電流和空穴電流圖2-9反向偏壓情況下的的P-N結(jié)

第四十三頁，共51頁。練習1.當P-N結(jié)外加正向偏置電壓時，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場______（相反/一致），導致勢壘區(qū)總的電場強度______（增強/減弱），這說明空間電荷數(shù)量______（增多/減少），也就意味著勢壘區(qū)寬度______（增大/減?。?，勢壘高度______（增大/減小）。此時，電場強度的變化導致載流子的漂移運動______（大于/小于）擴散運動，形成______（凈擴散/凈漂移），以致勢壘區(qū)邊界載流子濃度______（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在Ｎ區(qū)形成______（從Ｎ區(qū)勢壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移），在Ｐ區(qū)形成______（從Ｐ區(qū)勢壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移）。第四十四頁，共51頁。2.當P-N結(jié)外加反向偏置電壓時，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場______（相反/一致），導致勢壘區(qū)總的電場強度______（增強/減弱），這說明空間電荷數(shù)量______（增多/減少），也就意味著勢壘區(qū)寬度______（增大/減?。瑒輭靖叨萠_____（增大/減?。?。此時，電場強度的變化導致載流子的漂移運動______（大于/小于）擴散運動，形成______（凈擴散/凈漂移），以致勢壘區(qū)邊界載流子濃度______（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而在Ｎ區(qū)形成______（從Ｎ區(qū)勢壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移），在Ｐ區(qū)形成______（從Ｐ區(qū)勢壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴散／漂移）。第四十五頁，共51頁。PN結(jié)飽和電流的幾種表達形式：

（1）（2-3-18）

（2）（2-3-17） （3）（2-3-20 （4）（2-3-19）

第四十六頁，共51頁。電流－電壓公式（Shockley公式）

P—N結(jié)的典型電流電壓特性

（2-3.16）

P-N結(jié)中總的反向電流等于勢壘區(qū)邊界x