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

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(shí)，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(jí)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(cè)試，封裝工藝等構(gòu)成了硅平面工藝的主體。

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(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。

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(shì)，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。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(chǎng)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。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)。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(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

(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)：

線性緩變結(jié)：在線性區(qū)

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)（c）與（b）相對(duì)應(yīng)的空間電荷分布

圖2-3電場(chǎng)定義為電勢(shì)的負(fù)梯度電勢(shì)與電子勢(shì)能的關(guān)系為可以把電場(chǎng)表示為（一維）取表示靜電勢(shì)。與此類似，定義為費(fèi)米勢(shì)。于是式中稱為熱電勢(shì).在熱平衡情況下，費(fèi)米勢(shì)為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是

非均勻的雜質(zhì)分布會(huì)在半導(dǎo)體中引起電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。在熱平衡情況下，由

對(duì)于N型半導(dǎo)體，有對(duì)于P型半導(dǎo)體，有

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(chǎng)（c）電勢(shì)圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布

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(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差、勢(shì)壘。分別采用費(fèi)米能級(jí)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(shì)差公式:

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(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)、內(nèi)建電勢(shì)差和耗盡層寬度：

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(shì)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

（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(shì)分布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)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)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(jí)相對(duì)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(jí)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(jí)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)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小（e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(jí)相對(duì)于P型中性區(qū)的降低q

。擴(kuò)散區(qū)費(fèi)米能級(jí)的梯度小于零，因此會(huì)有反向電流產(chǎn)生。由于空間電荷區(qū)電場(chǎng)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(jí)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)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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)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)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

2.3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(shì)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)的電荷分布勢(shì)壘區(qū)的電荷密度為

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

NAxp=NDxnNAxp=NDxn表明：勢(shì)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(shì)壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)散。

突變結(jié)的電場(chǎng)分布在平衡突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度是位置x的線性函數(shù)。電場(chǎng)方向沿x負(fù)方向，從N區(qū)指向P區(qū)。在x=0處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值

突變結(jié)的電勢(shì)分布電勢(shì)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(chǎng)（c）電勢(shì)圖

單邊突變結(jié)電荷分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布

突變結(jié)的電勢(shì)能（能帶圖）因?yàn)閂(x)表示點(diǎn)x處的電勢(shì)，而-qV(x)則表示電子在x點(diǎn)的電勢(shì)能，因此P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)的能帶如圖所示?？梢姡瑒?shì)壘區(qū)中能帶變化趨勢(shì)與電勢(shì)變化趨勢(shì)相反。

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(zhǎng)度的距離后，全部被復(fù)合。這一段區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。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(shì)壘區(qū)電場(chǎng)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(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。

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)

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(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)______（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)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(shì)壘區(qū)寬度______（增大/減?。瑒?shì)壘高度______（增大/減?。４藭r(shí)，電場(chǎng)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(shì)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(shì)壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢(shì)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(shì)壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢(shì)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(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)______（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)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(shì)壘區(qū)寬度______（增大/減?。?，勢(shì)壘高度______（增大/減?。?。此時(shí)，電場(chǎng)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(shì)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(shì)壘邊界向Ｎ區(qū)內(nèi)部／從Ｎ區(qū)內(nèi)部向Ｎ區(qū)勢(shì)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(shì)壘邊界向Ｐ區(qū)內(nèi)部／從Ｐ區(qū)內(nèi)部向Ｐ區(qū)勢(shì)壘邊界）的______（電子／空穴）的______（擴(kuò)散／漂移）。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）

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(shì)壘區(qū)