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1、半导体器件原理 Principles of Semiconductor Devices,第一章：pn结二极管,刘宪云 ,统计物理,能带理论,双极晶体管,pn结二极管,肖特基二极管,欧姆接触,JFET、 MESFET、 MOSFET、 HEMT,从物理到器件,引言,同质结与异质结 同型结与异型结,半导体器件接触的物理机制：-平衡时的能带图,1、金属-半导体界面,第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触-肖特基势垒，或用作欧姆接触。也可以得到其他许多器件，如MESFET.,具有整流特性，广泛用于电子电路的 整流、开关及其他工作中。若再加一 p型半导体，两个p-n 结构成 p-n-p双极晶体管。,2
2、、pn结,半导体器件基础,3、异质结界面,4、金属-绝缘体-半导体结构,具有两种半导体各自的pn结都不能达到的优良光电特性 适于制作高速开关器件、太阳能电池及半导体激光器等。,若用氧化物代替绝缘体，可视为M-O-S界面。 ULSL中最重要的MOSFET器件的基本结构。,70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平面工艺包括以下主要的工艺技术： 1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的离子注入工艺。 1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发明的外延工艺。 1970年斯皮
3、勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装工艺等构成了硅平面工艺的主体。,氧化工艺： 1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。 在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。
4、 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。,扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。 液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内部扩散。,离子注入技术：将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布
5、。 离子注入技术的特点： 低温； 可精确控制浓度和结深； 可选出一种元素注入，避免混入其它杂质； 可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层； 控制离子束的扫描区域,可实现选择注入,不需掩膜技术； 设备昂贵。,外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。 外延工艺可以方便地可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂质分布陡峭的外延层。 外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。,光刻工艺： 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等
6、工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之为负性胶.,采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程,(a)抛光处理后的n型硅晶片,(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作,(c)光刻胶层匀胶及坚膜,（d)图形掩膜、曝光,(e)曝光后去掉扩散窗口胶膜的晶片,（f)腐蚀SiO2后的晶片,(g)完成光刻后去胶的晶片,(h)通过扩散
7、（或离子注入）形成 P-N结,(i)蒸发/溅射金属,（j） P-N 结制作完成,采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程,13,电路符号 PN结+引线+管壳=封装形成晶体二极管 类型： 面接触型 点接触型 平面型,pn结二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,半导体器件的特性与工作过程均与pn结有密切联系； 稳压电路和开关电路利用pn结基本特性来工作。 通过对pn结器件的分析 建立在讨论其他半导体器件时经常用到的基本术语和概念； 分析pn结的基本技巧也适用于研究其它半
8、导体器件； 理解和掌握pn结原理是学习半导体器件原理的关键。,14,本章学习要点： pn结基本器件工艺； 掌握平衡状态下pn结的特性：内建电势、内建电场及空间电荷区宽度等； 掌握pn结二极管的I-V特性； 了解pn结击穿。,1.1 pn结的基本结构 1.2 pn结静态特性：平衡pn结 1.3 反偏 1.4 pn结电流 1.5 pn结的小信号模型 1.6 产生复合电流 1.7 结击穿 1.8 隧道二极管,16,第一章：pn结二极管,1.1 pn结的基本结构,17,单晶材料,掺入受主杂质原子,掺入施主杂质原子,净受主杂质Na,净施主杂质Nd,定义：在一块完整的硅片（锗片）上，用不同的掺杂工艺使其一
9、边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。,pn结简化图,理想均匀掺杂pn结的掺杂剖面,P,N,空穴扩散,电子扩散,pn结的形成,P型和N型半导体交界处载流子的扩散,带电粒子（电子和空穴）扩散P区和N区原来的电中性被破坏在交界面两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层,pn结的形成,pn结的形成过程,pn结的形成,热平衡条件下，每种粒子（电子与空穴）所受的“扩散力”与“电场力”相互平衡。,空间电荷区,扩散和漂移相互联系，又相互矛盾。多子扩散运动 ，少子漂移运动 ，两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结处于相对稳定状态。,根据扩散原理，空穴
10、要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽）。,P区,N区,空间电荷区,少子 漂移,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,多子 扩散,形成空间电荷区产生内电场,促使,阻止,扩散使空间电荷区加宽，内电场增强，同时对多数载流子扩散阻力增大，使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又促使多子扩散容易进行。当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于动态平衡状态。 在平衡状态下，电子从N区到P区扩散电流必然等于从P区到N区的漂移电流； 空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。 即总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。,在无外
11、电场或其他因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗尽层，其电阻率很高，为高阻区。 扩散作用越强，耗尽层越宽。,pn结的空间电荷区和内建电场,均匀掺杂pn结空间电荷区的电场匀掺杂pn结空间电荷区的电势,在内建电场的作用下，空间电荷区内不存在电子与空穴，因此空间电荷区又称为耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）。,小结,浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,内建电场,阻止多子的进一步扩散,促进少子的漂移,动态平衡（平衡pn结）,pn结的基本
12、结构以及空间电荷区的形成过程,1.1 pn结的基本结构 1.2 pn结静态特性：平衡pn结 1.3 反偏 1.4 pn结电流 1.5 pn结的小信号模型 1.6 产生复合电流 1.7 结击穿 1.8 隧道二极管,27,第一章：pn结二极管,1.2 pn结静态特性：平衡pn结,28,无外加激励和无电流存在的热平衡状态下突变结的各种特性。,零偏状态:V外=0 1. 内建电势差 由PN结空间电荷区的形成过程可知，在达到平衡状态时，PN结空间电荷区中形成了一个内建电场，该电场在空间电荷区中的积分就形成了一个内建电势差。 从能量的角度来看，在N型区和P型区之间建立了一个内建势垒，阻止电子进一步向P型区扩
13、散，该内建势垒的高度即为内建电势差，用Vbi 表示。,内建电势差,pn结静态特性：平衡pn结 内建电势差,29,内建电势差Vbi维持了n区多子电子与p区少子电子之间及p区多子空穴与n区少子空穴之间的平衡。,pn结本征费米能级与导带底之间的距离是相等的，内建电势差可以由p区与n区内部费米能级的差值来确定。,热平衡状态下pn结的能带图,对于平衡状态的pn结我们有：,参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：,参照前边图中Fn、 Fp的定义，可以知道：,注意Nd、Na分别表示N区和P区内的有效施主掺杂浓度和有效受主掺杂浓度,接触电势差的大小直接和杂质浓度、本征载流子浓度、以及热电压（温度及分布）相关
14、。,对照：费米能级和掺杂以及温度的关系,本章开始Nd,Na分别指n区和p区内的净施主和受主浓度！,例 计算pn结中的内建电势差。硅pn结的环境温度为T=300K，掺杂浓度分别为Na=11018 cm-3，Nd=11015 cm-3。假设ni=1.51010 cm-3。解：由内建电势差公式知：Vbi=Vtln(NaNd/ni2)Vt=kT/e=0.0259 V(T=300 K) (k 波尔兹曼常数=8.6210-5 eV/K)Na=11018 cm-3 Nd=11015 cm-3 ni=1.51010 cm-3Vbi=0.754 V由于进行的是对数运算，当掺杂浓度的数量级改变很大时，内建电势差也
15、只是有微小的变化。,p,n,E,-xp,+xn,eNd,eNa,内建电场由空间电荷区的电荷所产生，电场强度的大小和电荷密度的关系由泊松方程确定：,其中为电势，E为电场强度，为电荷密度，s为介电常数。 从图可知，电荷密度(x)为：,耗尽区假设(假设空间电荷区在n区的x=+xn处及x=-xp处突然中止）,平衡pn结 电场强度,则p侧空间电荷区内电场可以积分求得：,边界条件（热平衡时，中性区电场为0）：x=-xp时，E=0,相应，n侧空空间电荷区电场：,边界条件：x=xn时，E=0,冶金结所在的位置，电场函数连续,p侧电场和n侧电场在界面处（x=0）连续，即：,-xp,xn,eNd,eNa,-xp,
16、xn,x=0,E,因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有关系：,空间电荷区整体保持电中性,空间电荷区主要向低掺杂一侧延伸,n,根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：,确定具体的电势值需要选择参考点，假设x=-xp处的电势为0，则可确定积分常数值C1和p区内的电势值为：,同样的，对n区内的电势表达式积分，可求出：,当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式可求出：,pp0,np0,nn0,pn0,-xp,xn,x=0,E,p,n,=0,=Vbi,电势和距离是二次函数关系，即抛物线关系,空间电荷区内的载流子浓度变化,显然，x=xn时，=Vbi，因而可以求出：,空间电荷区宽度,p,n,xp+xn,由整体的电中性条件要求，我们已经知道：,
