2.2-2.3-半导体基础知识与PN结

12.1集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管2.5MOS晶体管第二章 IC制造材料结构与理论2

2.2.1半导体的晶体结构固体材料分为两类：晶体和非晶体。从外观看晶体有一定的几何外形，非晶体没有一定的形状。

用来制作集成电路的硅、锗等都是晶体，而玻璃、橡胶等都是非晶体。32.2.2本征半导体与杂质半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。但是，当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，本征激发所产生的自由电子和空穴数目是相同的。在外加电场作用下，电子和空穴的运动方向相反，但由于电子和空穴所带电荷相反，因而形成的电流是相加的，即顺着电场方向形成电子和空穴两种漂移电流。4杂质半导体根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为N型半导体和P型半导体。5P型半导体掺入少量的3价元素，如硼、铝或铟，有3个价电子，形成共价键时，缺少1个电子，产生1个空位。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质的原子很容易接受价电子，称为“受主杂质”。6N型半导体掺入少量的5价元素，如磷、砷或锑，有5个价电子，形成共价键时，多余1个电子。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。在半导体内产生多余的电子，称为“施主杂质”。72.1了解集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管2.5MOS晶体管第二章 IC制造材料结构与理论82.3.1PN结的扩散与漂移由于两种半导体内带电粒子的正、负电荷相等，所以半导体内呈电中性。图2.2PN结的形成9扩散运动由于PN结交界面两边的载流子浓度有很大的差别，载流子就要从浓度大的区域向浓度小的区域扩散。P区中的空穴向N区扩散，在P区中留下带负电荷的受主杂质离子；而N区中的电子向P区扩散，在N区中留下带正电荷的施主杂质离子。在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，称为耗尽层，这就是PN结。10图2.3平衡状态下的PN结在耗尽区中正负离子形成了一个电场ε，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区的。这个电场一方面阻止扩散运动的继续进行；另一方面，将产生漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电场ε作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移。

漂移运动和扩散运动方向相反。动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的总电流为零。扩散电流漂移电流扩散：浓度差漂移：电场

112.3.2PN结型二极管(a)图2.4PN结二极管(a)结构(b)符号(c)I-V特性曲线12PN结电学特性

具有单向导电性，即正向外加电压作用下，电流呈指数规律急剧增加；在反向电压作用下，最多只有一个很小的反向电流流通。132.3.3肖特基结二极管图2.5

金属与半导体接触

加反向电压时，金属到半导体的电子流占优势，形成从半导体到金属的反向电流。当反向电压提高，由于从金属到半导体的电子流是恒定的，反向电流将趋于饱和。可见，阻挡层具有类似于PN结的伏安特性。

金属与半导体在交界处形成阻挡层。以N型半导体为例，当在金属端外加正电压时，形成一股从金属到半导体的正向电流，该电流是由N型半导体中多数载流子电子构成的。14基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。因此，它们的等效电路中通常至少包含栅-源和栅-漏两个肖特基结二极管。152.3.4欧姆型接触在半导体器件与集成电路制造过程中，半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属-半导体结。但是我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触，或者说，这里不应存在阻挡载流子运动的“结”。工程中，这种欧