半導(dǎo)體器件物理-第二章1-3課件

第二章P-N結(jié)半導(dǎo)體器件物理第二章P-N結(jié)半導(dǎo)體器件物理

引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬－半導(dǎo)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(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)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(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）.引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體接觸或金屬－半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。引言由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同

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(kuò)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(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)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。引言70年代以來，制備結(jié)的主要技

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(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方法：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。

氧化工藝：

1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。

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。

液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^含有擴(kuò)散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)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(kuò)散。擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)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(qiáng)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(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。離子注入技術(shù)：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(dǎo)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)。外延工藝：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)。光刻工藝的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；光刻工藝：

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(jiān)膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-Si光刻膠SiO2N+引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要

引言

(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴(kuò)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+引言(g)完成光刻后去

引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

（a）突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線）（b）線性緩變結(jié)近似（實(shí)線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）圖2.2引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)（a）突變結(jié)

引言

突變結(jié)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

引言突變結(jié)：線性緩2.1熱平衡PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)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2-32.1熱平衡PN結(jié)（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶2.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布

圖2-32.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布圖電場定義為電勢的負(fù)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(fèi)米勢。電場定義為電勢的負(fù)梯度于是式中稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費(fèi)米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是

于是非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)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(dǎo)體，有對于P型半導(dǎo)體，有

非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)體中引起電場，稱為自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

2.1熱平衡PN結(jié)圖2-4單邊突變結(jié)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(fèi)米能級和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)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(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式:

2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)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：

2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)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’W2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖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2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖（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+

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(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果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(shí)驗(yàn)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(kuò)散近似、擴(kuò)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(fèi)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(rèn)為費(fèi)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(gè)費(fèi)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(kuò)散區(qū)和N側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴(kuò)散區(qū)和空穴擴(kuò)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?。╡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(fèi)米能級相對于P型中性區(qū)的降低q

。擴(kuò)散區(qū)費(fèi)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(kuò)散區(qū)載流子很少，很小，因此雖然有很大的費(fèi)米能級梯度，電流卻很小且趨于飽和。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴(kuò)散區(qū)和空穴擴(kuò)散區(qū)，2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性突變結(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(fù)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，

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，突變結(jié)的電荷分布勢壘區(qū)的電荷密度為

整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性條件，勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等

NAxp=NDxn突變結(jié)的電荷分布勢壘區(qū)的電荷密度為整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性條件NAxp=NDxn表明：勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)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(kuò)散。

NAxp=NDxn表明：突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強(qiáng)度是位置x的線性函數(shù)。電場方向沿x負(fù)方向，從N區(qū)指向P區(qū)。在x=0處，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值

突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強(qiáng)度是位置x的線性半導(dǎo)體器件物理-第二章1-3課件突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的

突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的圖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

圖2-4單邊突變結(jié)突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因?yàn)閂(x)表示點(diǎn)x處的電勢，而-qV(x)則表示電子在x點(diǎn)的電勢能，因此P-N結(jié)勢壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢?，勢壘區(qū)中能帶變化趨勢與電勢變化趨勢相反。

突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因?yàn)閂(x)表示點(diǎn)x處的電勢，而-q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(shí)，在xp處就有一不變的向P區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的電子擴(kuò)散流。同理，在邊界xn處也有一不變的向N區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。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)散長度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。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(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，所以在加正向偏壓時(shí)，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(kuò)散電流。電子通過勢壘區(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。

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)

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)載流練習(xí)1.當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場______（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強(qiáng)度______（增強(qiáng)/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?。４藭r(shí)，電場強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)______（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成______（凈擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散／漂移）。練習(xí)1.當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場2.當(dāng)P-N結(jié)外加反向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場______（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強(qiáng)度______（增強(qiáng)/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(shí)，電場強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)______（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成______（凈擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散／漂移）。2.當(dāng)P-N結(jié)外加反向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場方向PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式：

（1）（2-3-18）

（2）（2-3-17） （3）（2-3-20 （4）（2-3-19）

PN結(jié)飽和電流的幾種表達(dá)形式： 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xn和xp附近的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流之和。因?yàn)樯僮訚舛群艿?，而擴(kuò)散長度基本沒變化，所以反向偏壓時(shí)少子的濃度梯度也較??；當(dāng)反向電壓很大時(shí)，邊界處的少子可以認(rèn)為是零。這時(shí)少子的濃度梯度不再隨電壓變化，因此擴(kuò)散電流也不隨電壓變化，所以在反向偏壓下，P-N結(jié)的電流較小并且趨于不變。反向飽和電流電流－電壓公式（Shockley公式）（2-3.16）實(shí)際反偏P-N結(jié)直流特性的補(bǔ)充說明

P-N結(jié)反向擴(kuò)散電流

P-N結(jié)反偏時(shí)，V<0，此時(shí)勢壘邊界處的非平衡少子濃度比平衡時(shí)小，勢壘有抽取非平衡少子的作用，擴(kuò)散電流方向是體內(nèi)向邊界處擴(kuò)散。當(dāng)V不變時(shí)，邊界處非平衡少子的濃度一定，形成穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。當(dāng)反偏絕對值足夠大時(shí)，勢壘邊界處的非平衡少子幾乎被抽取光了，此時(shí)邊界少子濃度為零，與體內(nèi)少子濃度的梯度不再隨外加反向偏壓的變化而變化，即反向電流趨于飽和。實(shí)際反偏P-N結(jié)直流特性的補(bǔ)充說明P-N結(jié)反向擴(kuò)散電流當(dāng)P-N結(jié)滿足理想假設(shè)條件時(shí)，其直流特性具體可分以下四個(gè)步驟進(jìn)行。①根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級計(jì)算勢壘區(qū)邊界xn和xp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度；②以邊界xn和xp處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度作邊界條件，解擴(kuò)散區(qū)中載流子連續(xù)性方程式，得到擴(kuò)散區(qū)中非平衡少數(shù)載流子的分布；③將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴(kuò)散方程，算出擴(kuò)散流密度后，再算出少數(shù)載流子的電流密度；④將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加，得到理想P-N結(jié)模型的電流電壓方程式當(dāng)P-N結(jié)滿足理想假設(shè)條件時(shí)，其直流特性具體可分以下四個(gè)步驟理想P-N假設(shè)條件

（1）小注入條件（即注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多）；（2）突變耗盡層條件：即外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，注入的少數(shù)載流子在P區(qū)和N區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；（3）通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用；（4）半導(dǎo)體均勻摻雜；（5）半導(dǎo)體非簡并（隧道電流）。理想P-N假設(shè)條件（1）小注入條件（即注入的少數(shù)載流子濃第二章P-N結(jié)半導(dǎo)體器件物理第二章P-N結(jié)半導(dǎo)體器件物理

引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本單元。除金屬－半導(dǎo)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(xué)習(xí)其它半導(dǎo)體器件器件物理的基礎(chǔ)。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)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(xué)接觸都稱為結(jié)（junction）,有時(shí)也叫做接觸（contact）.引言PN結(jié)是幾乎所有半導(dǎo)體器件

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體接觸或金屬－半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）。引言由同種物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)叫做同

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(kuò)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(jìn)入平面工藝技術(shù)時(shí)代，才有大規(guī)模集成電路和微電子學(xué)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。引言70年代以來，制備結(jié)的主要技

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(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方法：熱氧化和化學(xué)氣相沉積方法。

氧化工藝：

1957年人們發(fā)現(xiàn)硅表面的二氧化硅層具擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)動(dòng)，使其趨于均勻的趨勢，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。

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。

液態(tài)源擴(kuò)散工藝：使保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┩ㄟ^含有擴(kuò)散雜質(zhì)的液態(tài)源，從而攜帶雜質(zhì)蒸汽進(jìn)入高溫?cái)U(kuò)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(kuò)散。擴(kuò)散工藝：由于熱運(yùn)動(dòng)，任何物質(zhì)都有一種從濃度高處向濃度低處運(yùn)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(qiáng)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(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。離子注入技術(shù)：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(dǎo)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)。外延工藝：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)。光刻工藝的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；光刻工藝：

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(jiān)膜

（d)圖形掩膜、曝光

(e)曝光后去掉擴(kuò)散窗口膠膜的晶片（f)腐蝕SiO2后的晶片

n-Si光刻膠SiO2N+引言采用硅平面工藝制備PN結(jié)的主要

引言

(g)完成光刻后去膠的晶片

(h)通過擴(kuò)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+引言(g)完成光刻后去

引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)

（a）突變結(jié)近似（實(shí)線）的窄擴(kuò)散結(jié)（虛線）（b）線性緩變結(jié)近似（實(shí)線）的深擴(kuò)散結(jié)（虛線）圖2.2引言突變結(jié)與線性緩變結(jié)（a）突變結(jié)

引言

突變結(jié)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

引言突變結(jié)：線性緩2.1熱平衡PN結(jié)2.1熱平衡PN結(jié)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2-32.1熱平衡PN結(jié)（a）在接觸前分開的P型和N型硅的能帶2.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布

圖2-32.1熱平衡PN結(jié)（c）與（b）相對應(yīng)的空間電荷分布圖電場定義為電勢的負(fù)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(fèi)米勢。電場定義為電勢的負(fù)梯度于是式中稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費(fèi)米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是

于是非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)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(dǎo)體，有對于P型半導(dǎo)體，有

非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)體中引起電場，稱為自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

2.1熱平衡PN結(jié)圖2-4單邊突變結(jié)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(fèi)米能級和載流子漂移與擴(kuò)散的觀點(diǎn)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(dǎo)出了空間電荷區(qū)內(nèi)建電勢差公式:

2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)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：

2.1熱平衡PN結(jié)小結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)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’W2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖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2.2加偏壓的P-N結(jié)2.2.1加偏壓的結(jié)的能帶圖（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+

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(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果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(shí)驗(yàn)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(kuò)散近似、擴(kuò)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(fèi)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(rèn)為費(fèi)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(gè)費(fèi)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(kuò)散區(qū)和N側(cè)的空穴擴(kuò)散區(qū)（以上分析就是畫能帶圖的根據(jù)）。

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴(kuò)散區(qū)和空穴擴(kuò)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?。╡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(fèi)米能級相對于P型中性區(qū)的降低q

。擴(kuò)散區(qū)費(fèi)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(kuò)散區(qū)載流子很少，很小，因此雖然有很大的費(fèi)米能級梯度，電流卻很小且趨于飽和。2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)在電子擴(kuò)散區(qū)和空穴擴(kuò)散區(qū)，2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)根據(jù)載流子擴(kuò)散與漂移的觀點(diǎn)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)在電中性區(qū)中輸運(yùn)。這稱為擴(kuò)散近似。于是穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)滿足擴(kuò)散方程

2.2加偏壓的P-N結(jié)小結(jié)2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性2.3理想P-N結(jié)的直流電流-電壓特性突變結(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(fù)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，

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，突變結(jié)的電荷分布勢壘區(qū)的電荷密度為

整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性條件，勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)電荷總量相等

NAxp=NDxn突變結(jié)的電荷分布勢壘區(qū)的電荷密度為整個(gè)半導(dǎo)體滿足電中性條件NAxp=NDxn表明：勢壘區(qū)內(nèi)正負(fù)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(kuò)散。

NAxp=NDxn表明：突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強(qiáng)度是位置x的線性函數(shù)。電場方向沿x負(fù)方向，從N區(qū)指向P區(qū)。在x=0處，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值

突變結(jié)的電場分布在平衡突變結(jié)勢壘區(qū)中，電場強(qiáng)度是位置x的線性半導(dǎo)體器件物理-第二章1-3課件突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的

突變結(jié)的電勢分布電勢分布是拋物線形式的圖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

圖2-4單邊突變結(jié)突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因?yàn)閂(x)表示點(diǎn)x處的電勢，而-qV(x)則表示電子在x點(diǎn)的電勢能，因此P-N結(jié)勢壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢?，勢壘區(qū)中能帶變化趨勢與電勢變化趨勢相反。

突變結(jié)的電勢能（能帶圖）因?yàn)閂(x)表示點(diǎn)x處的電勢，而-q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(shí)，在xp處就有一不變的向P區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的電子擴(kuò)散流。同理，在邊界xn處也有一不變的向N區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的空穴擴(kuò)散流。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)散長度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。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(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，所以在加正向偏壓時(shí)，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(kuò)散電流。電子通過勢壘區(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。

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)

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)載流練習(xí)1.當(dāng)P-N結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)，外加電壓形成的電場方向與內(nèi)建電場______（相反/一致），導(dǎo)致勢壘區(qū)總的電場強(qiáng)度______（增強(qiáng)/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?。?。此時(shí)，電場強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)______（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成______（凈擴(kuò)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