2.2-2.3-半導體基礎(chǔ)知識與PN結(jié)

12.1集成電路材料2.2半導體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管2.5MOS晶體管第二章 IC制造材料結(jié)構(gòu)與理論2

2.2.1半導體的晶體結(jié)構(gòu)固體材料分為兩類：晶體和非晶體。從外觀看晶體有一定的幾何外形，非晶體沒有一定的形狀。

用來制作集成電路的硅、鍺等都是晶體，而玻璃、橡膠等都是非晶體。32.2.2本征半導體與雜質(zhì)半導體本征半導體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。但是，當半導體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。在外加電場作用下，電子和空穴的運動方向相反，但由于電子和空穴所帶電荷相反，因而形成的電流是相加的，即順著電場方向形成電子和空穴兩種漂移電流。4雜質(zhì)半導體根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導體可以分為N型半導體和P型半導體。5P型半導體摻入少量的3價元素，如硼、鋁或銦，有3個價電子，形成共價鍵時，缺少1個電子，產(chǎn)生1個空位?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)的原子很容易接受價電子，稱為“受主雜質(zhì)”。6N型半導體摻入少量的5價元素，如磷、砷或銻，有5個價電子，形成共價鍵時，多余1個電子。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。在半導體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，稱為“施主雜質(zhì)”。72.1了解集成電路材料2.2半導體基礎(chǔ)知識2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管2.5MOS晶體管第二章 IC制造材料結(jié)構(gòu)與理論82.3.1PN結(jié)的擴散與漂移由于兩種半導體內(nèi)帶電粒子的正、負電荷相等，所以半導體內(nèi)呈電中性。圖2.2PN結(jié)的形成9擴散運動由于PN結(jié)交界面兩邊的載流子濃度有很大的差別，載流子就要從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴散。P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散，在P區(qū)中留下帶負電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。在緊靠接觸面兩邊形成了數(shù)值相等、符號相反的一層很薄的空間電荷區(qū)，稱為耗盡層，這就是PN結(jié)。10圖2.3平衡狀態(tài)下的PN結(jié)在耗盡區(qū)中正負離子形成了一個電場ε，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)的。這個電場一方面阻止擴散運動的繼續(xù)進行；另一方面，將產(chǎn)生漂移運動，即進入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場ε作用下向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。

漂移運動和擴散運動方向相反。動態(tài)平衡時，擴散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過PN結(jié)的總電流為零。擴散電流漂移電流擴散：濃度差漂移：電場

112.3.2PN結(jié)型二極管(a)圖2.4PN結(jié)二極管(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(c)I-V特性曲線12PN結(jié)電學特性

具有單向?qū)щ娦裕凑蛲饧与妷鹤饔孟?，電流呈指?shù)規(guī)律急劇增加；在反向電壓作用下，最多只有一個很小的反向電流流通。132.3.3肖特基結(jié)二極管圖2.5

金屬與半導體接觸

加反向電壓時，金屬到半導體的電子流占優(yōu)勢，形成從半導體到金屬的反向電流。當反向電壓提高，由于從金屬到半導體的電子流是恒定的，反向電流將趨于飽和。可見，阻擋層具有類似于PN結(jié)的伏安特性。

金屬與半導體在交界處形成阻擋層。以N型半導體為例，當在金屬端外加正電壓時，形成一股從金屬到半導體的正向電流，該電流是由N型半導體中多數(shù)載流子電子構(gòu)成的。14基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于肖特基結(jié)。因此，它們的等效電路中通常至少包含柵-源和柵-漏兩個肖特基結(jié)二極管。152.3.4歐姆型接觸在半導體器件與集成電路制造過程中，半導體元器件引出電極與半導體材料的接觸也是一種金屬-半導體結(jié)。但是我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導電特性，也就是說，這些結(jié)應(yīng)當是歐姆型接觸，或者說，這里不應(yīng)存在阻擋載流子運動的“結(jié)”。工程中，這種歐