半導(dǎo)體器件物理：第二章 PN結(jié)

1、第二章 PN結(jié)Chapter 2 P-N Junction 引 言結(jié)：任何兩種物質(zhì)（絕緣體除外）的冶金學(xué)接觸（metallurgical contact, 即原子級(jí)接觸）都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）。 PN結(jié)：由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)接觸所形成的結(jié)構(gòu)叫做PN結(jié)。 PN結(jié)是除金屬半導(dǎo)體接觸器件外幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。 同質(zhì)結(jié)：同種物質(zhì)構(gòu)成；異質(zhì)結(jié)：不同種物質(zhì)構(gòu)成；同型結(jié)：同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成；異型結(jié)：不同種導(dǎo)電類型的物質(zhì)構(gòu)成；金半結(jié)：金屬半導(dǎo)體接觸或金屬半導(dǎo)體結(jié)(M-S結(jié))。 同型同質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)異型同質(zhì)結(jié)異型異質(zhì)結(jié)引 言3. 半導(dǎo)體器件的基

2、本單元：1995年，K. K. Ng（伍國(guó)鈺）在半導(dǎo)體器件指南一書中，定義了67種主要的半導(dǎo)體器件及其相關(guān)的110多個(gè)變種。然而，所有這些器件都只由以下的少數(shù)幾種器件單元組成。PN結(jié)MOSMS結(jié)異質(zhì)結(jié)PNMSSiSixGe1-xMOS引 言4. 平面工藝：70年代以來，制備結(jié)的主要技術(shù)是硅平面工藝。離子注入工藝：1950年美國(guó)人奧爾（R. Ohl）、肖克萊(Shockley)發(fā)明的。擴(kuò)散工藝：1956年美國(guó)人富勒（C. S. Fuller）發(fā)明的。外延工藝：1960年盧爾（H. H. Loor）和克里斯坦森(Christenson)發(fā)明的。光刻工藝：1970年斯皮勒（E. Spiller）卡斯

3、特蘭尼(E. Castellani)發(fā)明的。真空鍍膜技術(shù)、氧化技術(shù)、測(cè)試和封裝工藝等。硅平面工藝的主體4-1 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(kuò)散的作用。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了氧化工藝的出現(xiàn)。二氧化硅薄膜的作用：（1）對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)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(zhǎng)方法： 熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。引 言4-2 擴(kuò)散工藝：常用擴(kuò)散工藝：液態(tài)源擴(kuò)散、片狀源擴(kuò)散、固-固擴(kuò)散、雙溫區(qū)銻擴(kuò)散。引 言4-3 離子注入技術(shù)：雜質(zhì)元素的原子離化變成

4、帶電的雜質(zhì)離子，在強(qiáng)電場(chǎng)下加速，獲得較高的能量（1萬(wàn)-100萬(wàn)eV）后直接轟擊到半導(dǎo)體基片（靶片）中，再經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，在半導(dǎo)體片中形成一定的雜質(zhì)分布。離子注入技術(shù)的特點(diǎn)：（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(shí)現(xiàn)選擇注入，不需掩膜技術(shù)；（6）設(shè)備昂貴。4-4 外延工藝：外延是一種薄膜生長(zhǎng)工藝，外延生長(zhǎng)是在單晶襯底上沿晶體原來晶向向外延伸生長(zhǎng)一層薄膜單晶層。外延工藝可以在一種單晶材料上生長(zhǎng)另一種單晶材料薄膜。外延工藝可以方便地形成不同導(dǎo)電類型，不同雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)分布陡峭的外

5、延層。外延技術(shù)：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）、熱壁外延（HWE）、原子層外延技術(shù)。引 言4-5 光刻工藝：光刻工藝是為實(shí)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)。基本原理：是把一種稱為光刻膠的高分子有機(jī)化合物（由光敏化合物、樹脂和有機(jī)溶劑組成）涂敷在半導(dǎo)體晶片表面上。受特定波長(zhǎng)光線的照射后，光刻膠的化學(xué)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(shí)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(shí)被保留，未曝光的膠被除去稱之為負(fù)性膠。引 言5. 采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要工藝過程 引 言引 言5. 采用硅平面工

6、藝制備PN結(jié)的主要工藝過程 6. 突變結(jié)：引 言合金結(jié)AlN-SiAlN-Si液體N-SiP把一小粒鋁放在一塊N型單晶硅片上，加熱到一定溫度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在N型硅片上形成含有高濃度鋁的P型硅薄層，它和N型硅襯底的交界面即為P-N結(jié)（稱之為鋁硅合金結(jié)）。 7. 緩變結(jié) 引 言線性緩變結(jié)N(x)NaNdxjxN-SiSiO2N-Si雜質(zhì)擴(kuò)散N-SiP擴(kuò)散結(jié)由擴(kuò)散法形成的P-N結(jié)，雜質(zhì)濃度從P區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的，通常稱之為緩變結(jié)，如圖所示。設(shè)P-N結(jié)位置在x=xj處，則結(jié)中的雜質(zhì)分布可表示為： （a）（b）如果雜質(zhì)分布可用x = xj處的切線近似表示，則稱之為線

7、性緩變結(jié)，如圖(b)所示。此時(shí)，線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布可表示為:-a(x - xj)突變結(jié)和線性緩變結(jié) 引 言 合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是突變結(jié)； 而低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是線性緩變結(jié)。 2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)圖2-3 PN結(jié)示意圖一、PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成：耗盡區(qū)邊界區(qū)邊界區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)費(fèi)米能級(jí)觀點(diǎn)；載流子輸運(yùn)觀點(diǎn)。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：內(nèi)建電勢(shì)差（勢(shì)壘）：EFnEiEiEFp兩種證明方法：（1）費(fèi)米能級(jí)法：2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：內(nèi)建電勢(shì)差（勢(shì)壘）：（2）靜電勢(shì)法：取費(fèi)米勢(shì)為電勢(shì)能的零點(diǎn)。N

8、型電中性區(qū)：P型電中性區(qū)：內(nèi)建電勢(shì)差：內(nèi)建勢(shì)壘：耗盡區(qū)邊界區(qū)邊界區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNd2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：內(nèi)建電勢(shì)差（勢(shì)壘）：【例2.1】計(jì)算PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差。已知：Si PN結(jié)，T=300K，Na=11018cm-3，Nd=11015cm-3, ni=1.51010cm-3.解答：如果Na=11016cm-3，其余不變，則有：討論：摻雜濃度變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而內(nèi)建電勢(shì)差只有很小的變化。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：內(nèi)建電勢(shì)差（勢(shì)壘）：【練習(xí)2.1】計(jì)算Si PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差。已知：Si PN結(jié)，T=300K

9、，ni=1.51010cm-3 ；(i) Na=51017cm-3，Nd=11016cm-3; (ii) Na=1015cm-3，Nd=21016cm-3; 【練習(xí)2.2】計(jì)算GaAs PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差。已知：GaAs PN結(jié)，T=300K ，ni=1.8106cm-3 ；(i) Na=51017cm-3，Nd=11016cm-3; (ii) Na=1015cm-3，Nd=21016cm-3; 討論：在同等條件下，禁帶寬度越大的材料的PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差越大。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：2. 電場(chǎng)和電勢(shì)分布：已知電荷分布，求電場(chǎng)和電勢(shì)的分布問題.Possion方程：（1

10、）電場(chǎng)分布：耗盡區(qū)邊界區(qū)邊界區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNdo電中性區(qū)耗盡區(qū)邊界層的寬度約為德拜長(zhǎng)度LD的3倍，一般小于0.1m，可以忽略。（i） 電中性區(qū)： 因?yàn)殡娭行詤^(qū)無(wú)電荷，沒有電力線，所有電力線都集中于耗盡區(qū)。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（ii）P區(qū)耗盡層：耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNdP區(qū)耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn0電場(chǎng)分布圖N區(qū)耗盡區(qū)（1）電場(chǎng)分布：2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（iii）N區(qū)耗盡層：P區(qū)耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn0電場(chǎng)分布圖N區(qū)耗盡區(qū)耗盡區(qū)P型電中性

11、區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNd（1）電場(chǎng)分布：2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（iv）討論：P區(qū)耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn0電場(chǎng)分布圖N區(qū)耗盡區(qū)耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNdP區(qū)耗盡層中單位面積內(nèi)的負(fù)電荷數(shù)= N區(qū)耗盡層中單位面積內(nèi)的正電荷數(shù)；P區(qū)耗盡層中的負(fù)電荷數(shù)= N區(qū)耗盡層中正電荷數(shù)；摻雜濃度越高的一側(cè)，空間電荷區(qū)越薄。最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于P、N區(qū)的交界面處。（1）電場(chǎng)分布：2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（i）電中性區(qū)：耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNd（2）電勢(shì)分布：取P型中性區(qū)的電

12、勢(shì)為零電勢(shì)，則：內(nèi)建電勢(shì)差完全降落在耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)），電中性區(qū)沒有壓降。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（ii）P區(qū)耗盡層：耗盡區(qū)P型電中性區(qū)N型電中性區(qū)-xpxn-qNaqNd（2）電勢(shì)分布：由邊界條件：P區(qū)耗盡層P型電中性區(qū)N型電中性區(qū) (x)-xpxn0電勢(shì)分布圖N區(qū)耗盡層2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（iii）N區(qū)耗盡層：（2）電勢(shì)分布：由邊界條件：P區(qū)耗盡層P型電中性區(qū)N型電中性區(qū) (x)-xpxn0電勢(shì)分布圖N區(qū)耗盡層2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（iv）討論：（2）電勢(shì)分布：電勢(shì)在x = xn 處連續(xù)P區(qū)耗盡層P

13、型電中性區(qū)N型電中性區(qū) (x)-xpxn0電勢(shì)分布圖N區(qū)耗盡層對(duì)于均勻摻雜的半導(dǎo)體PN結(jié)，電勢(shì)分布為空間坐標(biāo)的二次函數(shù)（拋物線），因此電勢(shì)能的變化也是空間坐標(biāo)的二次函數(shù)。EcEcEvEvEiEiEFpEFn=qNaxp / 2W+-02.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：（3）空間電荷區(qū)寬度同理可以推導(dǎo)出xp，結(jié)果為：2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：只要知道了P區(qū)和N區(qū)的摻雜情況，就可以解決PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差、空間電荷區(qū)寬度、電場(chǎng)分布和電勢(shì)分布等問題。【例2.2】計(jì)算PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度及內(nèi)建電場(chǎng)。已知：Si PN結(jié)，T=300K，Na=1016cm-3，N

14、d=1015cm-3, ni=1.51010cm-3.解答： （1）首先計(jì)算內(nèi)建電勢(shì)差（PN結(jié)勢(shì)壘）。（2）然后可以采用公式計(jì)算空間電荷區(qū)寬度。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：【例2.2】計(jì)算PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度及內(nèi)建電場(chǎng)。已知：Si PN結(jié)，T=300K，Na=1016cm-3，Nd=1015cm-3, ni=1.51010cm-3.由（2-1-25）式可知：空間電荷區(qū)主要位于低摻雜一側(cè)。（3）由（2-1-16）式可知：PN結(jié)勢(shì)壘雖然很小，但是結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)卻很強(qiáng)，這是因?yàn)榻Y(jié)區(qū)很薄的原因。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)二、電場(chǎng)和電勢(shì)分布：【練習(xí)2.3】計(jì)算PN結(jié)的空間

15、電荷區(qū)寬度及內(nèi)建電場(chǎng)。已知：Si PN結(jié)，T=300K，Na=51016cm-3，Nd=51015cm-3, 零偏壓。 求：xn、 xp、W、m = ?【練習(xí)2.4】計(jì)算PN結(jié)的空間電荷區(qū)寬度及內(nèi)建電場(chǎng)。已知：GaAs PN結(jié)，T=300K，Na=51016cm-3，Nd=51015cm-3, 零偏壓。 求：xn、 xp、W、m = ?（4）單邊突變結(jié)（one-sided abrupt junction）PN結(jié)一側(cè)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)的另一側(cè)，這樣的PN結(jié)稱為單邊突變結(jié)。例如：結(jié)深很淺的擴(kuò)散結(jié)可以近似看做單邊突變結(jié)。 若Na Nd ，稱為P+N結(jié)；若Nd Na ，稱為PN+結(jié).2.1 熱平衡（

16、無(wú)偏壓） PN結(jié)以P+N結(jié)為例, ( NaNd )。(a)空間電荷區(qū)寬度： (b)電場(chǎng)分布:(c)電勢(shì)分布:（4）單邊突變結(jié)（one-sided abrupt junction）Nd(a)空間電荷分布P+Oxn-xp-NaNa Nd Nd - Na(b)電場(chǎng)分布xxNmO(c)電勢(shì)分布xO2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)（5）線性緩變變結(jié)（Linearly graded junction）(a)空間電荷分布PO-W/2Nd - Na(b)電場(chǎng)分布xxNmO(c)電勢(shì)分布xOW/2+-(a) 空間電荷區(qū)分布：(b)電場(chǎng)分布:(c)電勢(shì)分布:結(jié)合邊界條件-W/2W/2設(shè)P側(cè)中性區(qū)的電勢(shì)為零。W/2

17、-W/22.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)（5）線性緩變變結(jié)（Linearly graded junction）(a)空間電荷分布PO-W/2Nd - Na(b)電場(chǎng)分布xxNmO(c)電勢(shì)分布xOW/2+-(d)內(nèi)建電勢(shì)差:-W/2W/2另一種方法求內(nèi)建電勢(shì)差：以費(fèi)米勢(shì)為電勢(shì)零點(diǎn)W/2-W/2(e)空間電荷區(qū)寬度:2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)（5）線性緩變變結(jié)（Linearly graded junction）【例2.3】計(jì)算線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)寬度及內(nèi)建電場(chǎng)。已知：Si 線性緩變PN結(jié)，T=300K，a=1020cm-4， ni=1.51010cm-3.2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)

18、三、小結(jié)：1. 結(jié)：由兩種不同材料（絕緣體除外）形成的冶金學(xué)接觸稱為結(jié)。半導(dǎo)體結(jié)有同型同質(zhì)結(jié)、同型異質(zhì)結(jié)、異型同質(zhì)結(jié)、異型異質(zhì)結(jié)之分。2. PN結(jié)類型（根據(jù)雜質(zhì)分布）：（1）突變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)雜質(zhì)過渡陡峭的PN結(jié)。（2）線性緩變結(jié)：P區(qū)和N區(qū)之間雜質(zhì)過渡是漸變的PN結(jié)。（3）單邊突變結(jié)：一側(cè)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)雜質(zhì)濃度的突變結(jié)。3. 說明PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成過程?！疽髢煞N方法（1）熱平衡體系的費(fèi)米能級(jí)恒定原理；（2）考慮載流子的擴(kuò)散和漂移過程?！?. 耗盡層近似：在空間電荷區(qū)，與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種近似就是耗盡層近似。所以PN結(jié)空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)。5. 內(nèi)建

19、電勢(shì)差：空間電荷區(qū)內(nèi)存在內(nèi)建電場(chǎng)，因而空間電荷區(qū)兩側(cè)存在電勢(shì)差，稱為內(nèi)建電勢(shì)差（常用0 表示）。2.1 熱平衡（無(wú)偏壓） PN結(jié)三、小結(jié)：6. 勢(shì)壘區(qū)：由于內(nèi)建電勢(shì)差存在，N區(qū)電子通過空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)需要克服勢(shì)壘q0 , P區(qū)空穴進(jìn)入N區(qū)也需要克服勢(shì)壘q0 ，所以空間電荷區(qū)又稱為勢(shì)壘區(qū)。7. 中性區(qū)：理想情況下，PN結(jié)空間電荷區(qū)外部區(qū)域不存在電場(chǎng)，常稱為中性區(qū)。8. 能夠畫出熱平衡時(shí)PN結(jié)能帶圖。9. 推導(dǎo)空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢(shì)差公式：【要求兩種方法（1）中性區(qū)電中性條件法；（2）費(fèi)米能級(jí)恒定法。】10. 要求會(huì)求解Possion方程，得到空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)分布、內(nèi)建電勢(shì)分布、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層

20、寬度等。2.2 加偏壓的PN結(jié)SCR的電阻電中性區(qū)的電阻，外加電壓幾乎直接降落在SCR上；正偏（P側(cè)接正極）時(shí)，SCR變窄，勢(shì)壘高度降低，有助于載流子擴(kuò)散通過PN結(jié)，產(chǎn)生大電流，正向?qū)ǎ环雌?P側(cè)接負(fù)極）時(shí)，SCR變寬，勢(shì)壘高度增大，阻擋載流子通過PN結(jié)擴(kuò)散，電流非常小，反向截止。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，或整流特性。一、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕杭悠珘合碌腜N結(jié)能帶圖1. 正向偏壓時(shí)，外加電壓全部降落在SCR，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，SCR中的電場(chǎng)減弱，空間電荷相應(yīng)減少，故SCR的寬度也減小，同時(shí)勢(shì)壘高度從下降為 。2. SCR中電場(chǎng)變?nèi)?，因而擴(kuò)散電流大于漂移電流，形成了由P區(qū)指向N區(qū)的正向?qū)娏鳌?. 電子通過勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)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(kuò)散流。4. 非平衡少子邊擴(kuò)散邊與P區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離后，全部被復(fù)合。