半導(dǎo)體的n型和p型

1、編輯ppt1半導(dǎo)體的半導(dǎo)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編輯ppt2本章內(nèi)容本章內(nèi)容2 1.1.半導(dǎo)體概述半導(dǎo)體概述 2.2.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 4.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(jiǎn)介編輯ppt3 1.1.半導(dǎo)體概述半導(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(lèi)。半導(dǎo)體應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗哂袩崦粜?、光敏性、摻雜性等特殊性能。 編輯ppt4 1.1.半導(dǎo)體概述半導(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

2、都是4價(jià)元素（外層軌道上的電子通常稱(chēng)為價(jià)電子價(jià)電子），其原子結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化模型如圖所示。 編輯ppt5 1.1.半導(dǎo)體概述半導(dǎo)體概述5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。編輯ppt6 2.2.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體6純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)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(chēng)為

3、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(méi)有自由電子。所以在T=時(shí)，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。編輯ppt7 2.2.本征半導(dǎo)體本征半導(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。編輯ppt8 2.2.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體8 空穴、電子導(dǎo)電機(jī)理空穴、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(lái)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

4、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。 編輯ppt9 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體9 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。 編輯ppt10 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(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?chē)膫€(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(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載

5、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。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷P P模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回多出多出一個(gè)一個(gè)電子電子出現(xiàn)出現(xiàn)了一了一個(gè)正個(gè)正離子離子+4+4+4+4+4+4+4+4P P編輯ppt14 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(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(chēng)為施主雜質(zhì). 若用ND表示施

6、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。編輯ppt15 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體15應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)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 = 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編輯ppt16 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體16p型半

7、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(chēng)為受主雜質(zhì)。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回在本征半導(dǎo)體中摻入在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素三價(jià)雜質(zhì)元素硼硼B(yǎng) B+4+4+4+4+4+4+4+4+4模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回出出現(xiàn)現(xiàn)了了一一個(gè)個(gè)空空位位+4+4+

8、4+4+4+4B B+4+4模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)返回返回+4+4+4+4+4+4B B+4+4負(fù)離子負(fù)離子空穴空穴編輯ppt21 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(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(shuō)，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。編輯ppt22 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(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(wú)論是N型還是P型，從總體上看

9、，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.編輯ppt23 3.3.雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體23雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)體少子少子空穴空穴P型半導(dǎo)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(guān)與溫度有關(guān)多子濃度多子濃度與雜質(zhì)濃度有關(guān)與雜質(zhì)濃度有關(guān)多子多子電子電子編輯ppt244.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(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)7

10、0年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來(lái)完成，雜質(zhì)原子通過(guò)氣相源或摻雜過(guò)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(lái)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(lái)制作分立器件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ)不足，相得益彰。編輯ppt254.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(jiǎn)介25擴(kuò)散和離子注入的示意圖編輯ppt264.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(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

11、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（B2H6、AsH3、PH3 ），其中液態(tài)源最常用。編輯ppt274.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(jiǎn)介27使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：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 45POSiPSiO編輯ppt284.

12、4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(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(lái)防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過(guò)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(kāi)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(kāi)放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質(zhì)源石英管排氣口硅晶片編輯ppt294.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(jiǎn)介29半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視作在晶格中通過(guò)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。編輯ppt304.4.摻雜工藝簡(jiǎn)介摻雜工藝簡(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(guò)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