半导体器件物理CH2-1.ppt

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第二章 半导体接触 2.1 p - n 结二级管 主要内容 基本器件工艺介绍 耗尽区和耗尽电容 I-V特性 结的击穿 瞬变特性 端功能 主要内容 pn结 异质结 金属-半导体接触 半导体-氧化物接触, MIS 半导体器件的四种基础结构 在p型和n型半导体之间形成的“结”,具有整流特性,广泛用于电子电路的整流、开关及其他工作中。若再加一层p型半导体,两个p-n结构成p-n-p双极晶体管。 金属-半导体界面, 在金属和半导体之间形成的一种紧密接触。是第一个被研究的半导体器件。可作为整流接触-肖特基势垒,或用作欧姆接触。也可以得到其他许多器件,如MESFET。 p-n 结 Ef Ef EV EC EV EC Ef 即在两种不同的半导体之间形成的界面,可构成双异质结激光器等。 如果绝缘体用氧化物,即MOS结构, 可视为一个金属-氧化物界面和一个氧化物-半导体界面的结合,ULSL中最重要的MOSFET器件的基本结构。 异质结界面 ? EC EV EC Ef ?EV 金属-绝缘体-半导体结构 EV EC Ef Ef 1。基本器件工艺 介绍几种器件制备方法 合金法 得到的结的位置严格依赖于温度-时间合金过程,难以精确控制。 固态扩散法 1。基本器件工艺 能精确控制杂质分布 扩散台面结法 固态扩散法 1。基本器件工艺 采用绝缘层的方法 平面工艺—是制备半导体器件的主要方法 外延衬底 与扩散(10000C) 相比,是低温工艺,可在室温下进行。 离子注入-更精确地控制杂质的分布 1。基本器件工艺 在低于700度下退火,去除晶格损伤 平面工艺中的主要工序 外延生长 1。基本器件工艺 可用气相生长技术形成,例如: 热CVD MBE MOCVD 也可用液相技术形成, 化学气相沉积 物理气相沉积 精确控制组分和薄膜厚度-原子层生长 1。基本器件工艺 氧化--二氧化硅 干氧生长 水汽氧化 氧化--二氧化硅 1。基本器件工艺 1。基本器件工艺 杂质扩散 一维扩散方程,菲克定律 杂质总量为S的“有限源”情况: 高斯函数 表面浓度为Cs的“恒定表面浓度“情形: 余误差函数 扩散系数D依赖于温度和杂质浓度,在低浓度情况下,D与杂质无关。 杂质扩散系数D与杂质固溶度有关 1。基本器件工艺 离子注入:为改变衬底的电学、冶金学或化学性质而将带电高能原子引入衬底。 典型离子能量:10-400keV之间 典型离子剂量:1011-1016 离子数/cm2 优点: 精确控制总剂量,深度分布和面均匀性 低温工艺 注入结能与掩膜边缘自对准 激光处理: 用高强度的激光辐射可去除离子注入损伤,使半导体层再结晶。 缺点: 离子注入损伤 杂质分布描述 突变结—合金结、浅扩散结和离子注入结 1。基本器件工艺 突变结近似的杂质分布。 1。基本器件工艺 线性缓变结—深扩散结 线性缓变结近似的杂质分布。 1。基本器件工艺 通过绝缘层上的窗口向半导体本底扩散形成p-n结时,杂质要向下扩散,也要向侧向扩散:柱形边缘分布和球形角分布 在扩散掩膜边缘附近形成结弯曲的平面 扩散工艺。 通过矩形掩膜扩散形成近似的柱面和球面区。 p-n结 p-n 结理论是半导体器件物理的基础。 1。p-n 结的理想静态和动态特性。 2。讨论耗尽层内的产生和复合。 扩散势、耗尽区 电流-电压特性 结的击穿 瞬变特性 端功能 耗尽区电容 PN结两侧电子和空穴浓度相差悬殊 ?P区空穴和N区电子向对方扩散, ?空间电荷区 ?自建电场 N?P 2。耗尽区和耗尽电容- 突变结 当半导体的杂质浓度从受主杂质NA突变为施主杂质ND时,得到突变结. -xP xN 空间电荷分布 热平衡状态(无外电压,没有电流): 净电子和空穴电流为零,要求费米能级在整个样品中为常数。 根据电流密度方程: 同理 -xP xN 空间电荷区总宽度 空间电荷分布: 电场分布: 泊松方程+边界条件 根据泊松方程,得到: 积分,得到电场分布 X=0处的最大电场 两次积分,得到电势分布 电势,Vbi 为内建势 电势分布: 内建势 总的耗尽层宽度 能带: 平衡时, 结两侧空穴密度之间和电子密度之间的关系 能带图 内建势 Ge, Si, GaAs单边突变结的内建势 耗尽层的宽度 双边突变结 单边突变结 半导体的特征长度,德拜长度 考虑到多数载流子分布尾,经过修正的单边突变结的W:

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