传感器第二章(敏)..ppt

1、第二章 PN结,1,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）.,2,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

2、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）。,3,半导体工艺,1.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六条：（1）绝缘栅介质；（2）杂质阻挡；（3）器件保护和隔离；（4）电容器的绝缘介质材料；（5）作为多层金属互连层之间的介质材料；（6）表面钝化。硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相

3、沉积方法。,4,5,利用APCVD淀积SiO2,利用APCVD淀积SiO2和掺杂氧化硅。传统上这些膜经常作为层间介质，保护性覆盖或者表面平坦化。 用SiH4淀积SiO2： 注： 通常用氩气或氮气稀释SiH4（体积百分比210）； 可在450500低温下进行； 优势在于铝连线上作为层间介质隔离ILD的SiO2； 台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。,6,（1）绝缘栅介质 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料。,7,（2）掺杂阻挡,SiO2可以做选择性掺杂的有效掩蔽层。,8,（3）器件保护和隔离,硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅内的灵敏器件。,

4、9,（4）电容器的绝缘介质材料,10,（5）作为多层金属互连层之间的介质材料,SiO2是微芯片金属层间的有效绝缘体，能防止上层金属和下层金属间的短路。,亚0.25mCMOS剖面,11,热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化。 可防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部玷污物引起的漏电流的通路； 可以保护Si免受后期制作中有可能发生的刮擦和工艺损伤；,（6）表面钝化,2. 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

5、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。,12,3. 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。,13,14,离子注入机：,4.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可以

6、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。,15,5. 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；,16,17,负胶： 曝光后不可溶。 正

7、胶： 曝光后可溶。,光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅仅是为了必要图形的转移，一旦图形经过刻蚀或离子注入，就要被去掉。,18,光刻工艺过程示意图,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,19,(g)完成光刻后去胶的晶片,(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结,(i)蒸发/溅射金属,（j） PN 结制作完成,20,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）

8、的深扩散结（虚线）,21,2.1 热平衡PN结,22,2.1.1 PN结空间电荷区,（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,23,24,2.1.2 电场分布与电势分布,1.中性区 n型中性区： p型中性区： n型与p型中性区之间的电位差为： 称为内建电势差或扩散电势差。,25,从费米能级恒定观点来看，热平衡pn结具有统一费米能级。 形成pn结之后，n区费米能级和p区费米能级统一。 可见， 是热平衡时电子从 N区进入到P区、空穴从P区 进入到N区需要跨越的势垒 高度。 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。,26,2.边界层（空间电荷区和中性区的边界）,非本征德拜长度

9、（边界层的宽度）： 通常，边界层远小于耗尽层的宽度， 所以完全可以忽略。 于是，PN结可以简单的分为中性区 和耗尽区。,27,3.耗尽层 -突变结,（1）突变结势垒中的电场、电势分布 耗尽层近似：在空间电荷区中，与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这称为耗尽近似。 杂质完全电离：,28,在N侧和P侧泊松方程可以分别简化为： 对于0 x xn： 取边界条件：x=xn，,29,取x=xn处，,30,对于单边突变结P+N，空间电荷区两边的内建电势差为： 对于P+N，耗尽区的宽度为：,31,例2-1,硅突变PN结二极管N侧与P侧的掺杂浓度分别为Nd=1016cm-3和Na=41018cm-3。

10、计算在室温下零偏压时的内建电势差、耗尽层宽度和最大电场。,32,2.2 加偏压的PN结,对于平衡的pn结，存在着一定宽度和势垒高度的势垒区，其中相应出现了内建电场； 每一种载流子的扩散电流和漂移电流相互抵消，没有净电流通过pn结，EF处处相等。,33,2.2.1 PN结的单向导电性,1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 正向偏压：势垒区宽度减小，高度降低；载流子的扩散运动大于漂移运动。 由于外加正向偏压的作用使非 平衡载流子进入半导体的过程 称为非平衡载流子的电注入。,34,势垒区：宽度增加，高度增高； 载流子：漂移大于扩散。,当pn结加上反向偏压V时：,35,正向偏压：势垒区宽度减

11、小，高度降低；扩散大于漂移，向p区、n区注入少子。 反向偏压：势垒区宽度增加，高度增高；漂移大于扩散，从p区、n区抽取少子。,36,外向偏压时，pn结中电流的分布情况,通过pn结任一截面的总电流是相等的，只是对于不同的截面，电子电流和空穴电流的比例有所不同而已。,37,2. 外加直流电压下，pn结的能带图 正向偏压时：,38,反向偏压时：,39,2.2.2 少数载流子的注入与输运,1.扩散近似 正向偏压下，注入到N(P)区的空穴(电子)，对于N(P)区来说是少数载流子，所以这种注入现象又称为少数载流子的注入。 对于N侧： 对于P侧：,40,2.空间电荷区边界的少数载流子浓度 加上偏下V，空间电

12、荷区电势差变成,41,当PN结加上正向偏压时，在结边缘npnp0，pnpn0，这种现象称为载流子正向注入； 当PN结加上反向偏压时，在结边缘npnp0，pnpn0，这种现象称为载流子正向注入；,42,注入P+N结的N侧的空穴及其所造成的电子分布,43,2.3 理想pn结二极管的直流电流电压特性,理想pn结模型： （1）忽略中性区的体电阻和接触电阻，外加电压全部降落在耗尽区上。 （2）半导体均匀掺杂。 （3）小注入：即注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小很多。 （4）空间电荷区内部存在复合电流和产生电流。 （5）半导体非简并。,44,计算理想pn结模型的电流电压方程式的步骤,1、根据准费米

13、能级计算势垒区边界nn及pp处注入的非平衡少数载流子浓度； 2、以此非平衡少数载流子浓度为边界条件，解扩散区中载流子连续性方程式，得到扩散区中非平衡少数载流子的分布； 3、将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程扩散流密度少数载流子的电流密度； 4、将两种载流子的扩散电流密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式。,45,在N型中性区，稳态时 ，同时E=0，G=0： 解： 边界条件：,46,47,正向偏压： 反向偏压： I0称为饱和电流,48,Shockley方程,正向偏压情况下的的PN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,49,反向偏压情况下的的PN结,

14、（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,50,例2-2,51,PN结饱和电流的几种表达形式：,（1） （2） （3） （4）,52,理想PN结反向电流是PN结扩散区产生电流，证明如下：,N型中性区的扩散区内贮存空穴电荷为： 把贮存电荷看作是分布在面积为A长度为一个扩散长度的扩散区内则其平均浓度为： ，于是空穴的复合率为:,53,U0说明复合率是负的，产生率G=-U是正的： 同样分析得出PN结P侧电子扩散区内电子的产生率为： 在反偏情况下公式（2-48）变成： 因此（2-52）式中的两项分别是结空穴扩散区和电子扩散区中所发生的空穴产 生电流和电子产生电流。,54,2

15、.4 空间电荷区的复合电流和产生电流,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,55,衬底掺杂浓度为1016cm3的 硅扩散结的电流电压特性,56,在正向偏压下，从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成了另一股正向电流，称为势垒区复合电流。 假定复合中心与本征费米能级重合，令rp=rn=r，则： 当n=p时，U最大：,2.4.1 正偏复合电流,57,越小，电压越低，势垒去复合电流的影响越大； 用硅制作的PN结，在小注入情况下，正向电流可能由势垒区的复合电流控制；锗PN结空间电荷区复合电流的影响可以忽略不计。,58

16、,2.4.2 反偏产生电流,反向偏压下，势垒区内电场加强，势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率，具有净产生率，从而产生另一部分反向电流，称为势垒区的产生电流。,59,2.5 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。 当结的两边均为重掺杂，从而成为简并半导体时，（1）、（2）条件满足。外加偏压可使条件（3）满足。,60,由重掺杂的简并的p区和n区形成的pn结，由于与隧道效应密切相关，称为隧道结。,61,62,隧道二极管的特点和应用上

17、的局限性 （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声。 （2）隧道结是用重掺杂的简并半导体制成，由于温度对多子的影响小，使隧道二 级管的工作温度范围大。 （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。这种优越的性能，使隧道 二级管能够应用于振荡器，双稳态触发器和单稳多谐振荡器，高速逻辑电 路以及低噪音微波放大器。 由于应用两端有源器件的困难以及难以把它们制成集成电路的形式，隧道二 极管的利用受到限制 。,63,2.6 I-V特性的温度依赖关系,当P

18、N结处于正向偏置时 ：,式中ni随温度的增加而迅速增加，可见在高于室温时，不太大的正偏压（0.3V）就使Id占优势。,有,64,当PN结处于反向偏置时， ，,随着温度增加，ni 增大，也是扩散电流占优势。 反向偏压情况下，二极管I-V特性的温度效应：,相对来说，括号内的参量对温度变化不灵敏。,65,对T求导，所得的结果除以I0，得到,在正向偏置情况下，取 ，导出,得到：,和,66,在正向偏置情况下取 ， 又 ，代入上式得 类似地得到,67,和,68,硅二极管正向和反向两种偏压下的温度依赖关系:,图2-15 硅平面二极管电流 电压特性的温度效应,图2-16 在硅PN结二极管中反 向饱和电流与温度

19、的关系,69,2.7 耗尽层电容、求杂质分布和变容二极管,2.7.1 C-V关系 反向偏压： 正向偏下：,70,2.7.2 求杂质分布 在杂质分布未知的PN结中，可以利用电容电压曲线描绘出轻掺杂一边的杂质分布，此称求杂质分布。,式中N(W)是在空间电荷层边缘W处的杂质浓度。由泊松方程，电场增量是与电荷增量之间具有如下关系：,电场增量偏压增量的具有如下关系：,71,C即为耗尽层电容介质厚度为W的平板电容。,求杂质分布的程序：,在不同反偏压下测量电容：,72,杂质分布的程序： 求出以上不同反偏压下的空间电荷区宽度W： 画出1/C2相对V的曲线。 从此1/C2曲线中取 并将其结果代入式计算出N(W)

20、。 画出完整的杂质分布N(W) 。 注意：倘若出现高密度的陷阱中心和界面态，如硅中掺金情形，前面的分析必须加以修正，以适应这些荷电的状态。,73,由劳伦斯和沃纳用计算机算出的结果:,74,75,例2-3 考虑在 的衬底上通过硼的两步扩散制成的 PN结。硼的表面浓度为 ，结深为5m。假设自建电势为0.8V，求在5V反偏压下的结电容。 解：因为 所以有 此外,76,2.7.3 变容二极管 根据,可见反向偏置的PN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。,结型二极管的电容电压方程可写成 ：,77,2.8 PN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

21、器件的频率特性。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。,若外加交流信号电压 ，则满足小信号条件,78,79,对于N型中性区，空穴分布为： 其中第一项代表稳态分布，第二项代表与时间有关的分布。 满足连续性方程。 由于 因此： 其中：,求边界条件： （1）x=xn处： 其中： 对于小信号： 其中：,80,边界条件： x=xn处的空穴电流为： 同理，注入到P区的电子的交流分量为：,81,PN结的总交流电流为：,82,交流导纳：Y,对于P+N二极管， 若 P+N二极管正向电流直流部分： 二极管直流电导： PN结扩散电容：,83,

22、二极管的等效电路,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。 PN结小信号交流等效电路如图所示。,84,2.9 PN结二极管的开关特性,2.9.1 电荷贮存和反响瞬变 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。,85,PN结的反向瞬变:电流和电压的延迟现象。,86,PN结二极管的电荷贮存效应： 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。 在一般情况下，可以把时间ts规定为反向瞬变的结束。要在PN结二极管中得到高的开关速度，少数载流子寿命应当很短，此外，在电路设计时，需要有大的反偏电流和小的正偏电流。在实际应用中，对用于制造计算机的二极管，掺金是一种缩短少子寿