第二章 P-N结,半导体器件物理,引言,PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。PN结本身也是一种器件整流器。PN结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构叫做PN结。任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）.,引言,由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们叫做金属半导体接触或金属半导体结（M-S结）。,引言,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。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。离子注入技术的特点：（1）低温；（2）可精确控制浓度和结深；（3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质；（4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层；（5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术；（6）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；,引言,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,引言,(g)完成光刻后去胶的晶片,(h)通过扩散（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,引言,突变结与线性缓变结,（a）突变结近似（实线）的窄扩散结（虚线）,（b）线性缓变结近似（实线）的深扩散结（虚线）,图 2.2,引言,突变结：,线性缓变结：在线性区,2.1 热平衡PN结,2.1 热平衡PN结,（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图,（b）接触后的能带图,图2-3,2.1 热平衡PN结,（c） 与（b）相对应的空间电荷分布,图2-3,电场 定义为电势 的负梯度电势与电子势能的关系为可以把电场表示为（一维）取 表示静电势。与此类似，定义 为费米势。,于是式中 称为热电势.在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它取为零基准，于是,非均匀的杂质分布会在半导体中引起电场，称为自建电场。在热平衡情况下，由 对于N型半导体，有对于P型半导体，有,2.1 热平衡PN结,图2-4 单边突变结,（a）空间电荷分布 （b）电场（c）电势图,单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布,2.1 热平衡PN结,小结名词、术语和基本概念： PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、 耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的形成 。介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:,2.1热平衡PN结,小结解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：,2.2 加偏压的 P-N 结,2.2 加偏压的 P-N 结,2.2.1加偏压的结的能带图,图2.5 单边突变结的电势分布,（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W,（b）加正向电压，耗尽 层宽度WW,2.2 加偏压的 P-N 结,2.2.1加偏压的结的能带图,（c）加反向电压，耗尽层宽度WW,图2.5 单边突变结的电势分布,2.2 加偏压的 P-N 结,注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布,图,2,-,7,注入,N,P,-,+,结的,N,侧的空穴,及其所造成的电子分布,2.2 加偏压的 P-N 结,耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果,2.2 加偏压的 P-N 结,小结名词、术语和基本概念： 正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区介绍了加偏压PN结能带图及其画法根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性： 正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高qV。在P型中性区 。在空间电荷区由于n、pni，可以认为费米能级不变即等于 。在N型中性区 。同样，在空间电荷区 = ，于是从空间电荷区两侧开始分别有一个费米能级从 逐渐升高到 和从 逐渐下降到 的区域。这就是P侧的电子扩散区和N侧的空穴扩散区（以上分析就是画能带图的根据）。,2.2 加偏压的 P-N 结,小结,在电子扩散区和空穴扩散区， 不等于常数，根据修正欧姆定律必有电流产生，由于 ，电流沿x轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注入的非平衡少子浓度很大，因此在空间电荷区边界电流密度也很大(J ) 离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。 反偏压- 使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的降低q 。扩 散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽取作用，在扩散区载流子很少， 很小，因此虽然有很大的 费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。,2.2 加偏压的 P-N 结,小结根据载流子扩散与漂移的观点分析了结的单向导电性： 正偏压使空间电荷区内建电势差由 下降到 -V打破了PN结的热平衡，使载流子的扩散运动占优势即造成少子的正向注入且电流很大。反偏压使空间电荷区内建电势差由 上升到 +V同样打破了PN结的热平衡，使载流子的漂移运动占优势这种漂移是N区少子空穴向P区和P区少子电子向N区的漂移，因此电流是反向的且很小。在反偏压下，耗尽层宽度为,2.2 加偏压的 P-N 结,小结根据 给出了结边缘的少数载流子浓度： 和在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于是稳态载流子输运满足扩散方程,2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性,突变结的杂质分布,N区有均匀施主杂质，浓度为ND，P区有均匀受主杂质，浓度为NA。势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。同样取x=0处为交界面，如下图所示，,突变结的电荷分布,势垒区的电荷密度为,整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等,NAxp=NDxn,NAxp=NDxn,表明： 势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。 杂质浓度高的一边宽度小，杂质浓度低的一边宽度大。 例如，若NA=1016cm-3，ND=1018cm-3，则xp比xn大100倍。 所以势垒区主要向杂质浓度低的一边扩散。,突变结的电场分布,在平衡突变结势垒区中，电场强度是位置x的线性函数。电场方向沿x负方向，从N区指向P区。在x=0处，电场强度达到最大值,突变结的电势分布,电势分布是抛物线形式的,图2-4 单边突变结,（a）空间电荷分布 （b）电场（c）电势图,单边突变结电荷分 布、电场分布、电 势分布,突变结的电势能（能带图）,因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。,注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布,在正向偏压一定时，在xp处就有一不变的向P区内部流动的电子扩散流。 同理，在边界xn处也有一不变的向N区内部流动的空穴扩散流。非平衡少子边扩散边与P区的空穴复合，经过扩散长度的距离后，全部被复合。这一段区域称为扩散区。,2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性,正向偏压情况下的的P-N结,（a）少数载流子分布,（b）少数载流子电流,（c）电子电流和空穴电流,势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间的平衡，所以在加正向偏压时，产生了电子从N区向P区以及空穴从P区到N区的净扩散电流。 电子通过势垒区扩散入P区，在边界xp处形成电子的积累，成为P区的非平衡少数载流子，结果使xp处电子浓度比P区内部高，形成了从xp处向P区内部的电子扩散流。,反向偏压情况下的的P-N结,