半导体器件物理 课件 第二章.pdf

第二章 P-N结 1 引言  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 引言  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）。  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 引言  70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅 平面工艺包括以下主要的工艺技术：  1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley) 发明的离子注入工艺。  1956年美国人富勒（C.S.Fuller ）发明的扩散工艺。  1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森 (Christenson)发明的外延工艺。  1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼 (E.Castellani)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的 出现才使硅器件制造技术进入平面工艺技术时代， 才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。  上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封 装工艺等构成了硅平面工艺的主体。 4 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； （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： 5 热氧化和化学气相沉积方法。 • 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。 6 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