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Chap2 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 PN结制作工艺过程 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。 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）. 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）。 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）。 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； 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。 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。 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。 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（受光照易溶解）和负性胶（受光照不易溶解） 2.1 热平衡PN结 一、PN结的形成 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。 2.1 热平衡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。 2.1 热平衡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 2.1 热平衡PN结 2.1 热平衡PN结 泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系： 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。 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： 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。 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 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 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