半導(dǎo)體的n型和p型PPT

1、,半導(dǎo)體的n型、p型摻雜,教 師：黃輝 辦公室：創(chuàng)新園大廈A1226,1,2,本章內(nèi)容,2,1.半導(dǎo)體概述 2.本征半導(dǎo)體 3.雜質(zhì)半導(dǎo)體 4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,2,2020/10/19,1.半導(dǎo)體概述,3,根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，物質(zhì)可分為導(dǎo)體(109 cm)和半導(dǎo)體(10-1109cm)三大類。,半導(dǎo)體應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗哂袩崦粜浴⒐饷粜?、摻雜性等特殊性能。,3,2020/10/19,1.半導(dǎo)體概述,4,典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等，其都是4價(jià)元素（外層軌道上的電子通常稱為價(jià)電子），其原子結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化模型如圖所示。,4,2020/10/19,1.半導(dǎo)體概述,5

2、,每個(gè)原子最外層的價(jià)電子，不僅受到自身原子核的束縛，同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。因此，價(jià)電子不僅圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也出現(xiàn)在圍繞相鄰原子核的軌道上。于是，兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)共價(jià)電子，這一對(duì)價(jià)電子組成所謂的。硅、鍺原子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖所示。,5,2020/10/19,2.本征半導(dǎo)體,6,純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,在室溫下，本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原位留下一個(gè)空穴，這種產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,在熱力學(xué)溫度零度（即T=，相當(dāng)于-273）時(shí)，價(jià)電子的能量不足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，因此，晶體中沒有自由電子。所以在

3、T=時(shí)，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。,6,2020/10/19,2.本征半導(dǎo)體,7,由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。,本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)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。,7,2020/10/19,2.本征半導(dǎo)體,8,空穴、電子導(dǎo)電機(jī)理 由于共價(jià)鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場(chǎng)或其它的作用下，鄰近價(jià)電子就可填補(bǔ)到這個(gè)空位上，而在這個(gè)電子原來的位置上又留下新的 空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移 到這個(gè)新的空位。這樣就使共 價(jià)鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。 空穴的移動(dòng)方向和電子移動(dòng)方 向是相反的。,8,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,9

4、,本征半導(dǎo)體中雖有兩種載流子，但因本征載子濃度很低，導(dǎo)電能力很差。如在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。,N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼、鎵）的半導(dǎo)體。,9,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,10,因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電 子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的 價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一 個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容 易形成自由電子。,n型半導(dǎo)體,在型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。,10,2020/10/19,摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷,多出一個(gè)電子

5、,出現(xiàn)了一個(gè)正離子,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,14,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì). 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(guān)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自由電子的負(fù)電荷所平衡，以保持材料的電中性。,14,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,15,應(yīng)當(dāng)注意，通過增加施主原子數(shù)可以提高半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子濃度，由此增加了電子與空穴的復(fù)合幾率，使本征激發(fā)產(chǎn)生的少子空穴的濃度降低。由于電子與空穴的復(fù)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(shù)，即 pn =

6、 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(guān)系式： pn = ni2,15,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,16,p型半導(dǎo)體,因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子 形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià) 電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè) 空穴。 在型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形 成 ；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。,16,2020/10/19,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素硼,出現(xiàn)了一個(gè)空位,負(fù)離子,空穴,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,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

7、有如下的濃度關(guān)系： NA + n = p 這是因?yàn)椴牧现械氖Ｓ嚯姾蓾舛缺貫榱??；蛘哒f，離子化的受主原子的負(fù)電荷加上自由電子必與空穴的正電荷相等。,21,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,22,雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn),在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；而小數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。 雜質(zhì)半導(dǎo)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(dǎo)體中摻雜后，導(dǎo)電性能大大改善。但提高導(dǎo)電能力不是其最終目的，因?yàn)閷?dǎo)體導(dǎo)電能力更強(qiáng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于,N、P型半導(dǎo)體可組合制造出各種各樣的半導(dǎo)體器件.,22,2020/10/19,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,23,雜質(zhì)半導(dǎo)

8、體的示意圖,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關(guān),多子濃度與雜質(zhì)濃度有關(guān),多子電子,23,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,24,雜質(zhì)摻雜的實(shí)際應(yīng)用主要是改變半導(dǎo)體的電特性。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。 高溫?cái)U(kuò)散：一直到20世紀(jì)70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫與擴(kuò)散時(shí)間來決定。 離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個(gè)峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。 擴(kuò)散和離子注入兩者都被用來制作分立器

9、件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ)不足，相得益彰。,24,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,25,擴(kuò)散和離子注入的示意圖,25,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,26,雜質(zhì)擴(kuò)散通常是在經(jīng)仔細(xì)控制的石英高溫爐管中放入半導(dǎo)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(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)原子數(shù)量與氣體混合物中的雜質(zhì)分壓有關(guān)。 對(duì)硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們?cè)诠柚卸加袠O高的固溶度，可高于51020cm-3。引入方式有：固態(tài)源（BN、As2O3、P2O5）；液態(tài)源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2

10、H6、AsH3、PH3 ），其中液態(tài)源最常用。,26,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,27,使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：,P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。,27,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,28,對(duì)砷化鎵的擴(kuò)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(kuò)散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開發(fā)爐管中擴(kuò)散。p型擴(kuò)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。,28,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)介,29,半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子移動(dòng)。下圖顯示了2種基本的原子擴(kuò)散模型。,29,2020/10/19,4.摻雜工藝簡(jiǎn)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(dá)10nm10um，離子劑量變動(dòng)范圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對(duì)于擴(kuò)散工藝，離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。 高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞而失