P-N结原理及制备.ppt

* * P-N结原理及制备 研究生： 王俊英 导师： 李 灿 研究员 2008,05,27 Seminar I 1949年，美国物理学家肖克莱预言了实现p-n结三极管的可能性，导出了p-n结中总电流密度的公式（肖克莱方程），并根据自己的p-n结理论，提出了p-n-p型晶体管。 1951年美国科学家生长出p-n结，制备出单晶锗电池。 雪崩光电探测器 半导体二极管 双极性晶体管 背景 鲁运庚 高立晟,肖克莱与半导体科学技术的发展. 返回 PN结的形成 PN结的定义： 在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。 黄昆，半导体物理基础 PN结具有单向导电性 PN结的伏安特性曲线 PN结的特性 黄昆，半导体物理基础 制造PN结的方法： 合金法; 扩散法; 离子注入法; 溶胶凝胶法； 磁控溅射法； 电化学沉积法； 外延生长法： 化学气相沉积 (CVD); 分子束外延 (MBE); 液相外延 (LPD); …… PN结的制备 杨德仁，太阳电池材料 郑伟滔，薄膜材料与薄膜技术 制备过程： 将一个含有受主型杂质（以此为例）的小球放在一个n 型半导体片子上。然后将它们一起加热到足够高的温度，使小球以融解或合金的形式掺入半导体片子，晶体冷却之后，小球下面形成一个受主型杂质饱和的再分布结晶区，这样就得到了一个P-N 结。 优点：操作简单； 局限性：结的位置难以控制。 合金结方法 概念： 使用气体、液体或固体作为杂质扩散源，并将单结晶基板（晶圆）放入扩散炉中加热（约1000℃），杂质就因扩散而掺入到硅结晶中。P 型掺杂物使用硼；而N型掺杂物为磷、砷等单结晶中的掺杂物浓度或浓度分布可由增减温度、时间、气体流量来加以控制。 扩散法 (a)表面形貌 (b)结特性 金刚石表面形貌与异质结伏-安特性的关系 王成新, 高春晓,等， 原子与分子物理学报17 (4):751-754 扩散法 离子注入 概念： 将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 。 优点： 掺杂的均匀性好； 温度低：小于600℃； 可以精确控制杂质分布； 可以注入各种各样的元素； 横向扩展比扩散要小得多； 可以对化合物半导体进行掺杂。 离子注入系统的原理示意图 在n型单晶硅中注入硼离子形成p-n结的过程： 通常利用静电场将硼离子加速，使之具有数万到几十万电子伏特的能量，注入n型单晶硅中，在表面形成p型硅半导体层，从而组成p-n结。 概念： 化学气相沉积是利用气态化合物或化合物的混合物在基体受热面上发生化学反应，从而在基体表面上生成不挥发的涂层。 化学气相沉积（CVD） 优点： ? 沉积层纯度高； ? 沉积层与基体的结合力强； ? 可以沉积各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜材料； ? 设备简单，操作方便，工艺上重现性好，适用于批 量生产和成本低廉。 C. Vahlas et al., Mater. Sci. Engineering R 53: 1–72 (2006) and references there in. S.-T. Lee et al., Mater. Sci. Engineering 25: 123-154 (1999) and references there in. 图3 同质结在显微镜下的图像 图1 实验装置图 图4 ZnO同质结I-V 特性曲线 Lli，et al.,Nanoelectronic Device Technology 11: 985-989 (2007). 化学气相沉积法 Scanning electron micrograph (SEM) of a representative diamond film. Current–voltage (I–V) characteristics of the n-Si/p-diamond heterojunction at different temperatures (B—300 K,C—310K, D—320K, E—330K, F—340K, G—350K, andH—360K). P. Saha et al.，Vacuum 72: 129–134 (2004) 化学气相沉积法 Raman spectrum of a typical diamond film deposited on an Si substrate. 在超高真空条件下（10-8Pa）,将组成化合物的各种元素（如Ga、As）和掺杂剂元素分别放入不同的喷射炉内加热，使它们的原子（或分子）以一定的热运动速度和比例喷射到加热的衬底表面上，与表面进行相互作用并进行晶体薄膜