,二极管介绍与生产工艺, US I. All rights reserved.,Contents List 目 录,1.二极管简介.2 2.半导体的导电特性.3 3.二极管的电气特性.5 4.二极管的主要参数.6 5.二极管应用电路.8 5.1.二极管稳压电路.8 5.2.二极管检波电路.9 5.3.二极管钳位电路10 5.4.二极管整流应用11 6.二极管生产工艺流程14 6.1.半导体扩散工艺15 6.2.二极管制造中序26 7.二极管生产问题分析30 8.二极管构造分类32 8.国产二极管型号命名33 9.各类型二极管常用检测法34,1, USI. All rights reserved.,二极管在电路中主要起稳压，检波，整流，钳位，限幅等作用。,电流只能从二极管的正极流向负极,普通二极管用符号D表示。,二极管简介,晶体二极管是由P型半导体和N型半导体烧结形成的P-N结界面。图为常见二极管外形及表示方法,二极管的构成,Kinds of diodes,Light emitting diode,二极管的应用,整流,稳压,钳位,检波,线路符号,+,-,2,半导体导电特性,3,半导体导电特性,4, US I. All rights reserved.,正向电压很小 未克服PN结内电场 正向电流几乎为0,电压大于死区电压 PN结电场逐渐克服 电流随电压增大上升,PN结内电场完全削弱 电流随电压增大上升 二极管导通压降不变,Voltage,0Vth,Vth,Vth,正向特性,二极管处 于死区,导通进 行状态,正常导 通状态,阈值电压Vth，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。正向导通压降硅管约为0.60.8V锗管的约为0.20.3V,反向特性,反向电压很小 反向漏电流很小 二极管反向截止 反向漏电流受温 度影响,大于反向击穿电压 反向电流突然增大 失去单向导电性,反向电击穿 过热则永久损坏 若未引起击穿过热 则不一定损坏,Voltage,Ubr,Ubr,0Ubr,反向截 止状态,反向 击穿,击穿 损坏,常温下硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，锗管在A数量级,反向截 止电压,死区 电压,特性曲线,二极管电气特性,5,二极管主要参数,最大整 流电流 If,二极管长期工作，允许的最大正向平均电 流值，其与PN结面积及散热条件等有关。,电流通过管子管芯发热， 超温会使管芯过热损坏,最高反向 工作压 Ud,二极管两端反向电压高到一定值时，管子击穿，失去单向导电能力。,IN4001二极管反向耐压为 50V，IN4007为1000V,6,反向 电流 Id,反向电流越小，单向导 电性能越好,二极管在常温（25）和最高反向电压 作用下，流过的反向电流。,最高工 作频率 Fm,Fm取决于PN结面积， PN结面积越大，Fm越低,Fm是二极管工作的上限频率。高于该频率将不能正常工作,二极管主要参数,7,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管稳压电路,形式一,输出电压U0取自稳压管VZ两端，故U0=Uvz。当电源电压上升，由于稳压二极管的稳压作用，Uvz不变，输出电压U0也不变。该稳定不变电压可供给其他电路，使电路稳定正常工作。,输出电压取自限流电阻R两端，当电源电压上升时，稳压二极管两端电压Uvz不变，限流电阻R两端电压上升，故输出电压U0上升。稳压二极管按这种接法是不能为电路提供稳定电压。,稳压二极管需反接于电路中，并工作于 反向击穿状态,8,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管检波电路,检波原理,电路中VD1是检波二极管，C1是高频滤波电容，R1是检波电路的负载电阻，C2是耦合电容。 检波电路中，调幅信号加到检波二极管正极，这时检波二极管工作原理与整流电路整流二极管工作原理基本一样，利用信号幅度使检波二极管导通。 展开后的调幅信号波形中可以看出，它是一个幅度变化的交流信号。这一信号加到检波二极管正极，正半周二极管导通，负半周二极管截止，相当于整流电路工作，在负载电阻R1上得到正半周信号包络，信号虚线部分，见图中检波电路输出信号波形（不加高频滤波电容时输出信号波形）。 检波电路输出信号由音频信号、直流成分和高频载波信号成分组成。三种信号中，最重要是音频信号处理。,9,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管钳位电路,钳位原理,水平线是受保护的节点。当该电压超过Vcc+Vd时，上面的二极管导通，当该点电压小于-0.7V时，下面的二极管导通。因此该点的电位被钳制在-0.7Vcc+Vd之间。 对于正常的二极管，正向电阻约为几千欧，反向电阻约为几百千欧（一般应大于200千欧）。如果电压过高，高于Vcc+Vd（二极管导通压降），上面的二极管导通，输出电压钳位于Vcc+Vd；如果电压过低，低于-Vd（二极管导通压降），下面的二极管导通，输出电压钳位于-Vd。,10,半波整流电路结构,变压器输出电压U2仅半个周期可到达负载，负载电压U0是单方向脉动直流电压 如图(a)，半波整流电路由电源变压器、整流二极管和负载组成。U2表示变压器二次绕组的交流电压有效值，U0是脉动的直流输出电压， 半波整流电路简单，使用元器件少， 输出电压脉动很大，效率很低 用在对直流电流波形要求不高的场合,变压器T一次侧电压U1，变压器的二次侧电压U2 U2为正半周时VD导通，在RL上产生正半周电压；U2为负半周时VD截止，负载RL上无电流流过 当输入电压进入下一个周期，整流电路将重复上述过程,U2,UO,.Voltage waveform,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,11,全波整流电路结构,全波整流电路由两个半波整流电路组成，变压器T二次绕组具有两个中心抽头，将二次绕组分为上下两个相等部分，变压器两个输出端可以得到两个大小相等相位相反的输出电压 全波整流电路带载能力强，输出电压脉动小，易滤成平滑直流 电源变压器需中心抽头，变压器效低， 整流管承受的耐压高。 适用稳定要求较高，输出电流大的场合,当U2正半周VD1导通VD2截止，电流Io(ID1)通过VD1和RL在负载两端产生上正下负脉动直流电压Uo 当U2负半周VD2导通VD1截止，电流Io(ID2)通过VD2和RL在负载两端产生上正下负脉动直流电压Uo 正半周和负半周电压经过VD1和VD2整流后在负载上合成为全波脉动直流电压Uo,U2,UT,. Voltage waveform,U2,U21,U22,Uo,U21,U22,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,12,桥式整流电路结构,. Voltage waveform,桥式整流电路属全波整流，是使用最多整流电路。四只二极管接成电桥在电压U2正负半周均有电流流过负载，在负载上形成单方向的全波脉动电压 桥式整流电路由电源变压器、四只整流二极管和负载电阻组成 桥式整流电路利用交流输入整个周期，变压器利用率高， 输出电压为半波整流的两倍，输出电压的脉动大大减少。 广泛用于家用电器、仪器仪表、通信设备、电力控制等方面。,当U2正半周变压器二次绕组电压A正B负VD1 VD3导通，VD2和VD4截止，电流Io1经VD1、RL和VD3在RL输出Uo,图(a) 当U2负半周变压器二次绕组电压B正A负VD2 VD4导通，VD1和VD3截止，电流Io2经VD2、RL和VD4在RL输出Uo,图(b) 电压U2一个周期内，负载RL上均有电流流过,U2,Uo,U2,(a),(b),二极管构造分类,二极管构造分类,二极管整流电路,13,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管生产工艺流程,前期半导体扩散,中期制造成型,后期打印包装,。热氧化 。扩散 。LPCVD 。合金 。清洗 。沾污测试,。焊接 。酸洗 。模压,。印字 。机包 。外拣 。包装,14, US I. All rights reserved.,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、LPCVD、合金、清洗、沾污测试等六大工艺,热氧化工艺介绍,热氧化法是高温下（900-1200）使硅片表面形成二氧化硅膜方法。常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散，从而导致了硅平面工艺的诞生。,15,.热氧化方法介绍,干氧氧化氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅-硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的 二氧化硅层 。 干氧氧化化学反应式：Si+O2 = SiO2 干氧化制作的SiO2结构致密，均匀性重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率 慢；较用于高质量氧化，如栅氧等。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,湿氧氧化反应气体中包括O2和H2O ，实际是两种氧化结合使用。 湿氧氧化化学反应式：H2+O2=H2O H2O+Si = SiO2+2H2 Si+O2 = SiO2 湿氧氧化生长速率介于干氧氧化和水汽氧化间；通过H2和O2流量比例调节O2和H2O分压比，调节氧化速率。为了安全，H2/O2比例不可超过1.88。湿氧化的氧化层对杂质掩蔽力以及均匀性均满足工艺要求，氧化速率比干氧氧化明显提高，因此在厚层氧化中得到较广泛应用。,16, US I. All rights reserved.,掺氯氧化氧化气体中掺入HCl或DCE（C2H2Cl2）后，氧化速率及氧化层质量都有提高。两方面解释速率变化原因，其一：掺氯氧化时反应产物有H2O，加速氧化；其二：氯积累在Si-SiO2界面附近，氯与硅反应生成氯硅化物，氯硅化物稳定性差，在有氧情况下易转变成SiO2，氯成为氧与硅反应催化剂。并且氧化层质量大有改善。热氧化过程中掺入氯会使氧化层中含有一定量氯原子，可以减少钠离子沾污，钝化SiO2击穿特性，提高半导体器件可靠性和稳定性。大多干氧氧化都含有掺氯氧化。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。 水汽氧化化学反应式：2H2O+Si = SiO2+2H2 其对光刻胶的粘附性较差，一般不采用此方法。,17,.热氧化方法介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,扩散工艺介绍,扩散技术控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度，是半导体器件生产的主要技术之一。,.扩散机构,替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与Si原子差别不大，沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占晶格格点正常位置，不改变原来硅材料晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。,填隙式扩散机构这种杂质原子大小与Si原子差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占晶格格点正常位置，而从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍铁等重金属元素是此方式。,18,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,LPCVD工艺介绍,LPCVD即低压化学气相沉积（Low Pressure Chernicd Vapor Deposition）简写，几种典型工艺为低压化学气相沉积多晶硅、低压化学气相沉积氮化硅、低压化学气相沉积二氧化硅、低压化学气相沉积三氧化二铝。,多晶硅沉积速率与反应温度的关系,多晶硅膜厚与沉积时间的关系,19,低压化学气相沉积多晶硅用硅烷（SiH4）沉积多晶硅，用纯氩或纯氮为稀释气体，高浓度硅烷易燃易爆不安全，已趋向采用