半导体物理基础 PN结

Chap2PN结半导体物理基础PN结

PN结制作工艺过程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

n-

Si光刻胶SiO2N+半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程(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

P-

SiN-

SiSiO2N+半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程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。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程由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）.半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程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）。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程因此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）。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程氧化工艺：

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；

半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程（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。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程扩散工艺：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。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程外延工艺：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。半导体物理基础PN结PN结制作工艺过程光刻工艺：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。正性胶和负性胶半导体物理基础PN结2.1热平衡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。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。半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结------++++++------++++++空间电荷区NP内建电场半导体物理基础PN结2.1热平衡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。最终达到平衡后，形成P高N低的能带图结构。半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结在接触前分开的P型和N型硅的能带图接触后的能带图半导体物理基础PN结2.1热平衡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半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系：半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结（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。半导体物理基础PN结2.1热平衡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区费米能级要下降由1-12-1和1-12-2得：半导体物理基础PN结2.1热平衡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。（2）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。半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结（3）耗尽区耗尽区：在空间电荷区中，各自的多数载流子浓度受到抑制或者耗尽。自由载流子浓度可以忽略，称为耗尽近似。N侧和P侧的泊松方程可以分别简化为2-1-11和2-1-12。掺杂浓度与结宽度的关系：2-1-13半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结边界条件：处，由电场强度的概念，电力线最密集的地方电场强度最大。因此在公式2-1-15中取x=0，得到最大电场电场和电势分布：2-1-16和2-1-18半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结单边突变结：结一边的杂质浓度远高于另外一边。推导出内建电势为2-1-19假设：以PN结最右侧为电势0点。势垒区：电子和空穴要越过空间电荷区需要克服势垒做功，因此空间电荷区也称为势垒区。半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结单边突变结的耗尽层宽度为（耗尽近似）半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结由于电势和电场的积分关系，存在以下的面积关系：半导体物理基础PN结2.1热平衡PN结对称突变结、非对称突变结和单边突变结的耗尽层厚度与接触电势的关系为：半导体物理基础PN结2.2加偏压的PN结2.2.1PN结的单向导电性当外加电压连接到PN结两端时，热平衡被破坏，会有电流流过。空间电荷区的电阻远远高于中性区，因此认为外加电压直接加在空间电荷区。半导体物理基础PN结2.2加偏压的PN结（a）热平衡，耗尽层宽度为W

（b）加正向电压，耗尽层宽度W’W半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W

半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结正向偏压：势垒削弱，扩散被加强，电流大。反向偏压：势垒加强，扩散被抑制，电流小。当偏离平衡态之后，费米能级出现分裂。费米能及与载流子浓度相关联。而电流与费米势的梯度有关（1-12-5和1-12-6）。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结在电中性区，多数载流子浓度仍然保持相应的平衡数值，因此在这些区域中的准费米能级并没有偏离平衡费米能级。在空间电荷区，载流子浓度不发生变化，因此准费米能级不变。准费米能级的分裂表明：在紧靠耗尽区的电中性区内，出现了过量载流子。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结在反向偏压下，耗尽近似仍然成立。单边突变结的耗尽层宽度为耗尽层的宽度随反向偏压的增加而增加。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结在正向偏压下，如果电流不大，耗尽近似仍然成立。但当电流增大时，空间电荷区的载流子浓度会与杂质离子浓度可比拟，耗尽近似不再成立。一般来说，在正向偏压下，耗尽近似不成立。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结2.2.2少数载流子的注入与运输正向偏置条件下，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。1、扩散近似nn0：热平衡时n区的电子浓度——多子np0：热平衡时p区的电子浓度——少子pn0：热平衡时n区的空穴浓度——少子pp0：热平衡时p区的空穴浓度——多子半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结考虑紧靠结边缘的N侧中性区载流子的行为。由于从P区注入了过量空穴，因此该区域将建立一个电场。该电场将使得电子有类似的分布，以中和过量的空穴。（图2-6）因此在载流子注入的区域中不存在电场。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结多子处于被动地位，仅限于中和少子所引起的电场，可以忽略，主要是看少子的影响。假设该区域的电中性条件完全得到满足，于是少数载流子将通过扩散运动在电中性区中输运，这种近似称为扩散近似。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结N区的空穴电流及连续性方程2-2-3和2-2-4P区的电子电流及连续性方程2-2-5和2-2-6选择适当的边界条件，就可以求得注入的少子分布和少子电流。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结2.空间电荷区边界的少数载流子浓度热平衡时：根据自建电势表达式2-1-7和完全电离原理，以及质量作用定律，可以得到2-2-8和2-2-9：结的空间电荷层两边的电子浓度以及空穴浓度是和势垒高度相联系的。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结加上正向偏压时：2-2-8被修改为2-2-10。在小注入条件下，得到边界条件2-2-11和2-2-12。2-2-11和2-2-12是少子连续性方程在PN结空间电荷区边界的边界条件。半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结边界条件：加偏压后的边界少子浓度由热平衡少子浓度和外加电压决定。结边缘少子浓度与热平衡少子浓度成正比，即与杂质浓度成反比。单边突变结：单边注入半导体物理基础PN结2-2加偏压的PN结正向注入：当PN结加正向偏压时，少子浓度会大于热平衡时少子浓度。反向抽取：当PN结加反向偏压时，少子浓度会小于热平衡时少子浓度。半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性理想的P-N结的基本假设及其意义：外加电压全部降落在耗尽区上，耗尽区以外的半导体是电中性的，这意味着忽略中性区的体电阻和接触电阻。均匀掺杂。无内建电场，载流子不作漂移运动。空间电荷区内不存在复合电流和产生电流。半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性小注入，即和

半导体非简并（费米能及位于禁带之中）半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性首先对于N型中性区，当达到稳态之后，正向注入的过剩载流子随时间的变化应为0，即公式2-2-5为0，得到2-3-1。空穴扩散长度对于N区很长的PN结（长二极管），得到N型中性区的空穴电流2-3-8和2-3-9，x越大，空穴电流越小。半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性整个区域中的电流要恒定，必然会使得电子电流增加，即，少子电流通过电子－空穴对的复合不断的转换为多子电流。P型中性区的电子电流2-3-14和2-3-15。半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性（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图2-7正向偏压情况下的的P-N结：半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性图2－7的意义：注入的少子离开PN结边界后不断的与多子复合，将少子电流转化为多子电流中性区的少子扩散电流随着距离的增加成指数衰减，分别在Ln和Lp距离上衰减为1/e。少子电子的扩散区：空间电荷区N侧边缘LP左右的范围少子空穴的扩散区：空间电荷区N侧边缘Ln左右的范围半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性总电流为空穴电流＋电子电流肖克利（Shockley）方程I0为二极管饱和电流半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性二极管饱和电流的几种表达式：半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性图2-8反向偏压情况下的的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半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性对于反向偏置PN结：反向电流是由PN结边界产生的，而被反向抽取到空间电荷区的少子而形成的。而这种少子的浓度很小，因此反向电流很小。对于正向偏置PN结；正向电流是由对应侧的中性区多子注入后，在扩散过程中不断转化为多子电流而形成的。半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性加反向偏压时，边界附近少子浓度几乎为0。反向电流很小，且成饱和性质，也常称I0为反向饱和电流。PN结单向导电性：图2-9半导体物理基础PN结2-3理想PN结的直流电流－电压特性对2－3节的要求：能够画出正、反偏压下PN结少子分布、电流分布和总电流示意图（图2-7、8）。用语言描述正、反向偏置下电流形成。记住公式2-3-16及其近似2-3-22空穴和电子的扩散长度表达式及意义（两个意义：扩散区域；少子扩散电流衰减为1/e）。半导体物理基础PN结2-4空间电荷区的复合电流和产生电流正偏复合电流：正向偏置时，空间电荷区载流子浓度超过平衡值，空间电荷区中会有非平衡载流子的复合。反偏产生电流：反向偏置时，将会有非平衡载流子的产生非平衡载流子的复合和产生会引起复合电流和产生电流。半导体物理基础PN结2-4空间电荷区的复合电流和产生电流考虑空间电荷区正偏复合电流和串联电阻的影响的实际I－V曲线（图2-10）：低偏压：空间电荷区的复合电流占优势偏压升高：扩散电流占优势更高偏压：串联电阻的影响出现了半导体物理基础PN结2-4空间电荷区的复合电流和产生电流半导体物理基础PN结2-4空间电荷区的复合电流和产生电流若越小，电压愈低，则势垒区复合电流的影响愈大在低电流水平时，复合电流成分占优势。高电流水平下，串联电阻造成的较大欧姆电压降支配着电流电压特性。半导体物理基础PN结2-5隧道电流一、隧道电流隧道电流概念：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流。半导体物理基础PN结2-5隧道电流产生隧道电流的条件：（1）费米能级位于导带或价带的内部；（2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率；（3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。半导体物理基础PN结2-5隧道电流图2.12（a）：没有加偏压，费米能级进入导带和价带。费米能级以下的状态被电子占据，费米能级以上的状态为空。图2.12（b）：加上正向偏压，出现电子和空穴的准费米能级。能带弯曲程度变小，N区有一些电子的能量与P区的空状态相对应。电子可能隧道穿透结势垒产生电流。半导体物理基础PN结2-5隧道电流半导体物理基础PN结2-5隧道电流图2.12（c）：最大隧道电流的状态。P区有足够的空闲状态能够接收电子的隧道击穿。图2.12（d）：偏压进一步增加，P区相应的空闲状态变少，电流变小。直至为0。图2.12（e）：加反向偏压。反向隧道电流随着反向偏压的增加而增加。半导体物理基础PN结2-5隧道电流半导体物理基础PN结2-5隧道电流半导体物理基础PN结2-5隧道电流正向偏压时隧道电流随着电压升高的变化：出现——增大——最大——减小——最小——为0。半导体物理基础PN结2-5隧道电流二、隧道二极管I/V曲线受扩散电流和隧道电流影响。当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但在电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大；如果加反向偏压，电流则随电压的增加而急剧变大。因为这种变化可以用量子力学中的“隧道效应”加以说明，故称隧道二极管。半导体物理基础PN结2-5隧道电流（a）江崎二极管电流-电压特性半导体物理基础PN结2-5隧道电流隧道二极管的主要特点1、隧道二极管是利用多子的隧道效应工作的。由于单位时间内通过结的多数载流子的数目起伏较小，因此隧道二极管具有较低的噪音。2、隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子涨落的影响小，使隧道二级管的工作温度范围大。半导体物理基础PN结2-5隧道电流3、由于隧道效应的本质是量子跃迁过程，电子穿越势垒极其迅速，不受电子渡越时间的限制，因此可以在极高频率下工作。了解产生隧道电流的条件。

画出能带图解释隧道二极管的I－V特性。了解隧道二极管的特点和局限性。半导体物理基础PN结2-6I-V特性的温度依赖关系根据公式（2-6-3）反向电流随温度升高而增加。PN结中的电流包括扩散电流、空间电荷区产生与复合电流和隧道电流。无论是正向偏压还是反向偏压，随着温度的增加，都是以扩散电流为主。给定电压，电流随温度升高而迅速增加。对于硅二极管，在室温（300K）时，每增加，电流约增加1倍。半导体物理基础PN结2-6I-V特性的温度依赖关系电压随温度线性地减小，对于硅二极管，系数约为。结电压随温度变化十分灵敏，这一特性被用来精确测温和控温。半导体物理基础PN结2-6I-V特性的温度依赖关系半导体物理基础PN结2-7耗尽层电容耗尽层宽度是偏置电压的函数。随着偏置电压的增、减，空间电荷区的电荷也不断的变化。耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容，称为PN结的耗尽层电容，也称为势垒电容和过渡电容。半导体物理基础PN结2-7耗尽层电容2.7.1C-V关系对于单边突变结，根据耗尽层宽度公式2-2-1，空间电荷区所存储的电荷为半导体物理基础PN结2-7耗尽层电容由电容定义得到C称为过渡电容或耗尽层电容有时亦称为势垒电容：PN结空间电荷区空间电荷随外加偏压变化所引起的电容。

半导体物理基础PN结2-7耗尽层电容常用－关系：1、根据该图中的直线斜率可以计算出施主浓度。2、使直线外推至电压轴可求出自建电压。在截距处半导体物理基础PN结2-7耗尽层电容由可见反向偏置的P-N结可以作为电容使用在LC调谐电路中。专门为此目的制造的二极管称为变容二极管。半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性器件处理连续波时所表现出来的性能叫做器件的频率特性。器件处理数字信号和脉冲信号时，在两个稳定状态之间跃变，跃变过程中表现出来的特性叫做开关特性，也叫做瞬变特性半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性大信号：电流及电压变化较大，如开关工作时。小信号：如连续波在小信号工作时，信号电流与信号电压之间满足线性关系，从物理上说，就是器件内部的载流子分布的变化跟得上信号的变化。半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性小信号工作时，外加电压为直流电压加上一个小信号电压小信号条件：《半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性在PN结边缘xn处，注入少子空穴的小信号分布为其中有半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性在N型中性区，可以将空穴分布写成由连续性方程为0可得：其中半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性边界条件为半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性x=xn处空穴电流的交流量为X=-xp处电子电流的交流量为半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性总的交流电流为：二极管的交流导纳定义为交流电流与交流电压之比：半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性

是二极管直流电导也叫做扩散电导，其倒数叫做PN结扩散电阻。称为P-N结扩散电容。是正偏压下PN结存贮电荷随偏压变化引起的电容，随直流偏压的增加而增加，所以低频正向偏压下，扩散电容特别重要。半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性在许多应用中，总是根据在使用条件下半导体器件各部分的物理作用，用电阻，电容，电流源和电压源等组成一定的电路来达到等效器件的功能。这种电路叫做等效电路。半导体物理基础PN结2-8PN结二极管的频率特性2－8节重点掌握：等效电路，直流电导，交流导纳，扩散电容。半导体物理基础PN结PN结的电容效应PN结两端的外加电压发生变化时，PN结中的电荷量也将随之变化，它说明PN结具有一定的电容效应。通常把PN结的电容效应分成两部分讨论，即势垒电容和扩散电容。势垒电容是由于PN结中存在空间电荷而形成的，又称为结电容，一般用CB表示。半导体物理基础PN结PN结的电容效应扩散电容是由于多数载流子在扩散过程中电荷的积累而形成的，一般用CD表示。当加正向电压时，多数载流子都要向对方区扩散。多子克服内电场的阻力扩散到对方区域后，并不是立即与该区的多子复合而消失，而是在一定的范围内继续扩散，逐渐复合。所以会在一定范围内存储电荷，并按浓度梯度递减。半导体物理基础PN结PN结的电容效应因此扩散电容与非平衡载流子寿命和电压变化频率有关。器件物理中常用乘积来划分频率的高低。为非平衡载流子的寿命，也就是存储电荷再分布的弛豫时间。半导体物理基础PN结PN结的电容效应在低频情况下，信号变化周期较长，大于存储电荷的再分布时间，电容较大。由2-105表示。在高频情况下，存储电荷的变化比电压变化要慢的多，因此扩散电容很小。且扩散电容随直流偏压增加而增加。因此扩散电容有下面的特性：在低频正向偏压下，扩散电容特别重要。半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变PN结二极管的开关作用：PN结二极管处于正向偏置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，因此，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为开态，而把处于反向偏置时的工作状态叫作关态。可见结二极管能起到开关作用。半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变PN结的反向瞬变半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变当电压由正向变为反向后，PN结的电流和电压的延迟现象称为PN结的反向瞬变。PN结加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在结二极管中，在扩散区建立确定的非平衡少数载流子分布，这种现象称为电荷贮存效应。半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变当外加电压从正向转为反向后，以N区的少子空穴为例，会在外加电场的作用下向空间电荷区流动，进入空间电荷区后又在内电场的作用下漂移进P区，导致N区的少子浓度减小，但不是立即变为反向偏置的情形。半导体物理基础PN结2.9电荷存储和反向瞬变半导体物理基础PN结2.