1、第一部分 PN结,微电子器件物理,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，所有结型器件都有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物理的基础。正因为如此， PN结一章在半导体器件物理课的64学时的教学中占有16学时，为总学时的四分之一。 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）.,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
2、）。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）。,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
3、）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。,引言,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膜的晶片,（f)腐蚀SiO2后的晶片,引言,(g)完成光刻后去胶的晶片
4、,(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结,(i)蒸发/溅射金属,（j） P-N 结制作完成,采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程,5.1 引言（pn结的基本概念） 5.2 定量的基本关系式,第5章 pn结的静电特性,1 p-n 结的形成和杂质分布,在一块n型半导体单晶上，用适当的方法（扩散或离子注入）把p型杂质掺入其中，使其在不同的区域形成P型和n型，在二者的交界面处形成了p-n结。,冶金结的位置,杂质浓度随位置的变化曲线,理想化的杂质分布近似,突变结,线性缓变结,杂质分布xxj, N(x)=ND,（x)=qax 0,2. pn 结的形成过程和电荷再分配,(a)孤立的p型和n型区域 （b）p
5、n结接触，p区空穴扩散到n 区，在p区边界剩下NA-;n区电 子扩散到p区 (c)NA-,ND+形成内建电场，方向从np (d) 内电场的作用下，漂移 （e)扩散流=漂移流，总电流为0，达到热平衡 （f)空间电荷区宽度一定，空间电荷的分布达到稳定。,3. pn结热平衡时的能带图,P减小，EF-Ev大，Ef,电场从n区指向p区，电势从n区到p区逐渐降低，电子的电势能增加，空间电荷区能带发生弯曲，正是空间电荷区中电势能变化的结果。,平衡p-n结中的电势和电势能,4. pn结中电荷、电场和电势分布,内建电势Vbi：热平衡条件下的耗尽区电压称为内建电势，它是一个非常重要的结常数。,势垒高度qVbi 势
6、垒宽度xD=xn+xp,5.耗尽近似,耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似，包含两个含义： （1）在冶金结附近区域，-xpxxn,与净杂质浓度相比，载流子浓度可忽略不计 （2）耗尽区以外的电荷密度处处为0。,5.2 定量的静电关系式,一. 假设和定义 （a) pn结被认为是“一维”的，即所有变量都是x的函数。 （b) x=0的位置位于pn结的分界处 （c) pn结两端的外部接触是“欧姆”接触，即外加 电压在欧姆接触上的压降可忽略。（d) VA为外加电压，Vbi内建电压。,二、泊松方程,电磁学中描述电场和电荷分布关系的重要方程,三维,一维,在半导体分析中，经常采用它作为分析的出发点,三、突变结的解
7、,1、VA=0条件下突变结的解第一步：写电荷分布：-qNA -xpx0= qND 0 xxn0 x -xp,和xxn,空间电荷层中的电荷分布,三、突变结的解,第二步：写出泊松方程求解电场分布,-xpx00 xxnx -xp,和xxn,p型一侧,n型一侧,均匀掺杂pn结空间电荷区的电场分布,三、突变结的解,第三步：利用E=- dV/dx 求解电势分布,x=-xp, V=0 x=Xn, V=Vbi,边界条件,-xpx00 xxn,三、突变结的解,第四步：求解耗尽层宽度 条件：在x=0处，E(0)n=E(0)pV(0)n=V(0)p,得,单边突变结,xn,-xp,eNd,p+n结,pn+结,5.1
8、热平衡PN结,小结 1 名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、 耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 2 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区的形成 。 3 介绍了热平衡PN 结的能带图及其画法。 4 利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式: 解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电 势差和耗尽层宽度,2。 加偏压（VA0）的突变结,（1）器件两端接触上的压降可忽略 （2）中性区域中电阻压降可忽略 （3）外加电压全部降到耗尽层上。耗尽层电压，也就是x=xn处的电势为 Vbi-VA,结果分
9、析,当有外加电压VA加到p-n结上时，由于耗尽区内载流子很少，电阻远大于势垒区之外，所以电压几乎都降落在耗尽区内，这一外加电压使平衡p-n结发生了一系列变化。 （1）外加电压附加在原来的内建电势Vbi上，使原来p-n结的势垒高度从+qVbi改变为+q（Vbi-VA），即正偏时使势垒降低，反偏时使势垒增高。,（2）外加电压使势垒区的宽度改变，正偏时，势垒高度降低，宽度变窄；反偏时，势垒高度增大，宽度变宽。 （3）外电压产生的外加电场叠加到原来的内建电场上，使势垒区的电场减弱（正偏）或增强（反偏）,（4）势垒区电场的改变破坏了平衡时载流子扩散流与漂移流的动态平衡。正偏时：扩散流大于漂移流，n区电子
10、扩散到p区（-xp)处积累成为p区的少子；p区的空穴扩散到n 区的（xn）处积累成为n区的少子。这一过程称为少子的电注入，注入的少子逐渐向其内部扩散，边扩散边复合，在一个扩散长度内全部复合。,正向偏置非平衡少子和电流的分布,（5）外加电压改变了势垒区和扩散区内载流子浓度的分布，因此也改变了电子、空穴的费米能级，两者不再有统一的费米能级，用准费米能级EFn和EFp表示 正偏时，p区扩散区有内有非平衡电子注入，浓度大于平衡浓度，EFn上移，由于逐渐扩散复合，到一个扩散长度之后，基本完全复合，此后，EFn=EFp; 同样，在n区扩散区内，非平衡空穴的注入使其浓度增加，EFp低于EF,随着边扩散边复合，在一个扩散长度Lp内，全部复合，使EFp=EFn在势垒区内，既有电子注入又有空穴注入，EFn与EFp分离最大，如不考虑势垒区内的复合，则EFn-EFP=qVA,正向偏置下p-n结费米能级,反向偏置下p-n结费米能级,4 线性缓变结,（x）= qax0xp=xn=W/2 利用泊松方程积分得,
