半导体器件原理-中国科学技术大学.ppt

2018/3/22
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Principle of Semiconductor Devices
第二章 p-n结
§ pn结基本原理
§ 耗尽区和耗尽层电容
§ pn结的直流特性
§ pn结的瞬态特性
§ pn结的击穿特性
§ 异质结与高低结
§ 几种典型二极管的应用
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PN结简介
热平衡下的pn结
耗尽近似条件
§ pn结的基本原理
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PN结简介
pn结作为整流、开关及其他用途的器件,同时也是半导体微波器件及光电器件的基本结构,也是双极型晶体管、可控硅整流器和场效应晶体管的基本组成部分。
pn结最重要的性质是整流效应,即只允许电流一个方向通过。
典型的伏安特性:加正向偏置电压时,电流随偏压的增加而迅速增大,通常正向偏压<1V。加反向偏压时,开始时几乎没有电流,反向电压增加时,电流一直很小。当电压加到一个极限值时,电流突然增加,这种现象称为结击穿,反向击穿电压大约10V~10KV,与掺杂及器件其他参数有关。
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理想二极管
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PN结基本工艺制造方法
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平面工艺中主要工序
(1)晶体生长、外延
(2)氧化、薄膜淀积
(3)扩散
(4)离子注入
(5)光刻、刻蚀
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晶体生长与外延
—从熔体中生长单晶:直拉法(Si)和布里奇曼法(GaAs)
原材料:石英砂
SiC(固体)+SiO2(固体)Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体)
冶金级硅
电子级硅(ppb量级)
硅片成形:前处理切片双面研磨抛光
—外延:除常规外延工艺(如气相外延VPE)外,还有液相生长法(广泛应用于化合物半导体)及绝缘体上硅分子束外延等。
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氧化与薄膜淀积
—四大类薄膜:
热氧化膜、电介质膜、多晶硅膜和金属膜
—热氧化膜:如栅氧化层、场氧化层
—介质膜:如淀积的SiO2、Si3N4膜(绝缘层、掩蔽膜、覆盖在掺杂的薄膜上、钝化)
—多晶硅膜:MOS栅、多层金属化的导电材料、浅结器件的接触材料
—金属膜:如铝和硅化物(欧姆接触、整流、互连线)
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扩散与离子注入
用可控制数量的杂质掺入半导体
扩散:掺杂分布主要由扩散温度及扩散时间决定,用于形成深结:
扩散流密度F(单位时间通过单位面积的杂质原子数):
C为杂质浓度,D是扩散系数
扩散过程的基本起因是浓度梯度
扩散结果评价:结深(染色法)、薄层电阻(四探针法)、扩散层杂质分布(SIMS)
杂质再分布
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离子注入:掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量决定(典型的离子能量是30-300keV,注入剂量是在1011-1016离子数/cm2范围),用于形成浅结 由于离子注入形成损伤区和畸变团,为了激活注入的离子:退火