半导体物理基础 PN结 ppt课件

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半导体物理基础 PN结
• 由1-12-1和1-12-2得：
EFn EFpqT VlnNn diN 2aq 0
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半导体物理基础 PN结
• 这也是热平衡时电子从N区进入P区，或空穴 从P区进入N区需要跨越的势垒高度。因此， 也把空间电荷区称为势垒区。
• Байду номын сангаас2）边界层 • 边界层的宽度约为非本征德拜（Debye）长
度的3倍。 • 边界层小于耗尽层的宽度，所以可以忽略。 • PN结可以只简单的划分为中性区和耗尽区。
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半导体物理基础 PN结
• 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）.
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半导体物理基础 PN结
• 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）。
光刻胶
SiO2 n Si
N+
SiO2
N Si N+
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
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半导体物理基础 PN结
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
S iO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶的晶片
金属
P Si N+
SiO2
N Si
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
（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。
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半导体物理基础 PN结
• 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。
• 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。
• 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）。
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半导体物理基础 PN结
• 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）。
P Si N+
SiO2 N Si
(i)蒸发/溅射金属
金属
S iO2
P Si N Si
金属
N+
（j） P-N 结制作完成
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半导体物理基础 PN结
• 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。
NaNd NaNd
Na
xj 0 -Nd
0 x
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-ax
xj x
半导体物理基础 PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
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• 泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系
： dd22xkq 0pNdnNa
E d
dx
ddE xkq 0pNdnNa
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半导体物理基础 PN结
• P型半导体和N型半导体接触后，当在浓 度梯度作用下的扩散运动和在内建电场 作用下的漂移运动达到动态平衡后，就 形成了 PN结。
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N 内建电场 P
++ ++ ++
++ - ++ - ++ - -
V qND V qNA
空间电荷区
----
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半导体物理基础 PN结
• 当P型硅和N型硅放在一起并达到热平衡 后，费米能级应该在整个系统中保持恒 定；费米能级以下的能态更趋向于被电 子填满，费米能级以上的能态更趋向于 空着。
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半导体物理基础 PN结
• 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；
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半导体物理基础 PN结
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半导体物理基础 PN结
• 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。
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半导体物理基础 PN结
• 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。
• 最终达到平衡后，形成P高N低的能带图 结构。
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p
EC
EF EV
p
n
n
漂移
EC EF
p
EV
扩散
E
扩 散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
在接触前分开的P型和N型硅的能带图
接触后的能带图
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半导体物理基础 PN结
• 突变结：N型区到P型区是陡变的 • 缓变结：具有逐渐改变的杂质分布
• 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涂敷在半导体晶 片表面上。经光线的照射后，光刻胶的 化学结构发生变化。
• 正性胶和负性胶
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半导体物理基础 PN结
一、PN结的形成 • PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
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。
半导体物理基础 PN结
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半导体物理基础 PN结
• 采用硅平面工艺制备PN 结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
(a)抛光处理后的 N型硅晶 片
紫外光
N+
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
S iO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 S iO2
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
• （1）对于电中性区 • 利用中性区电中性条件导出了两个中性区
间的电势差公式。称为内建电势或扩散电 势。只存在于热平衡PN结。
0npVTlnNndiN 2 a
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半导体物理基础 PN结
• 形成PN结之前，N区的费米能及比P区要 高。形成PN结之后，费米能级要求恒定，
即N区费米能级要下降 EFnEFp