半导体P-N结理论知识教材.doc

第一课 p-n结二极管 教学重点: p-n结能带如何和载流子的运动联系起来 非平衡状态下p-n结空间电荷区会发生什么样的改变 教学难点: p-n结能带的方向，一定要学生明白，能带是以电子作为研究对象的，所以方向与平常的有些不一样。 讲授主要内容: 在学生已经掌握了空间电荷区这个概念后，分析了能带的变化，从而推导电场的方向和大小，以及如何用泊松方程来推导电场的大小，用图表的形式进行解释。 推导了耗尽层的宽度和电场、掺杂浓度的关系，使学生明白，耗尽层宽度与势垒高度直接有关，p-n结的势垒高度和势垒宽度（耗尽层宽度）都由其中的电场分布来决定，势垒高度增加，势垒宽度也相应增厚。 另外，讨论了给pn结加上电压后，势垒高度和宽度会发生哪些变化。 第一章 p-n结二极管 p-n结就是由p型半导体和n型半导体紧密接触而构成的一个阻挡层体系，具有单向导电性能。p-n结几乎是所有微电子器件的基础或基本组成部分，由二个p-n结背靠背可以组成双极型晶体管（BJT），由三个p-n结串联可以组成晶闸管，甚至场效应晶体管（FET）也离不开p-n结。实际上，p-n结本身 (只要再加上两个电极) 就是一个二极管，它可以用作为整流、检波、开关、振荡、发光、检测光等。这一章我们将通过分析p-n结中载流子的分布与运动情况，来讲述p-n结的内部电荷及电势的分布、单向导电性、电容特性、开关特性和击穿特性等。旨在为学习后面各章内容打下一个良好的基础。 此外，我们还将介绍由两种不同种类的半导体所构成的阻挡层体系——异质结，以及异质结二极管。 在这一章的末尾我们将简单介绍另外一种具有单向导电性能的异质阻挡层体系——金属-半导体接触的系统及其相应的器件——Schottky二极管。并且由于金属-半导体接触是作为半导体器件电极系统的必备部分，所以顺便也将简单介绍Ohm接触的概念。 §1.1 p-n结及其空间电荷区 （1）p-n结的结构和制造概述 p-n结按照其形成的方法来区分大致有以下四种： ① 合金结 ~ 例如在n型半导体上放置Ⅲ族杂质金属In，先让其熔化成合金，然后冷却再结晶；在再结晶过程中将通过杂质分凝而形成p型再结晶层，从而得到p-n结。 [注] 杂质分凝的概念： 杂质在固体-液体界面上的分凝作用与杂质分别在固体和液体中的溶解度有关，用所谓分凝系数（杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比）来描述。再结晶层中杂质的含量即决定于该杂质在固相中的溶解度（固溶度）。杂质在固体-固体界面上也存在有分凝作用。例如，对Si/SiO2界面：硼的分凝系数为3/10，磷的分凝系数约为10/1；这就是说，掺硼的Si经过热氧化以后，Si表面的硼浓度将减小，而掺磷的Si经过热氧化以后，Si表面的磷浓度将增高。 ② 生长结 ~ 在拉制单晶、CVD（化学气相淀积）生长单晶和MBE（分子束外延）生长单晶等过程中改变掺杂型号来获得p-n结。 ③ 扩散或离子注入结 ~ 在衬底中掺入反型杂质，通过杂质补偿来实现p-n结。 [注] 高温扩散的概念：扩散机理有替位式扩散（例如硼、磷等在Si中的扩散）和间隙式扩散（如金在Si中的扩散）。杂质替位式扩散的速度慢，扩散温度高（8000C~12000C），可精确控制结深和浓度（需要控制温度精确至±10C）；杂质间隙式扩散的速度很快（在10000C下10分钟就可扩散200~300μm的深度），扩散温度较低一些（8000C~10500C）。 扩散杂质的浓度分布一般是余误差（erfc）分布（对于预淀积扩散）或Gauss分布（对于推进扩散或主扩散），表面浓度高，体内浓度低；但杂质金等的间隙式扩散，因扩散速度快，可假设浓度分布是均匀的（浓度大小由该温度下的固溶度决定）。 [注] 离子注入的概念：离子注入也就是在真空中、低温下，把杂质离子加速（加速电压≥105 V），使杂质离子获得很大的动能而直接进入晶体中的方法。晶体在注入离子之后必将同时在其中产生一些晶格缺陷，因此离子注入后需通过退火来消除这些缺陷；一般是采用低温退火或激光退火。注入离子的浓度分布，通常浓度最高处是在表面以内一定深度的地方（该处附近的浓度呈高斯分布）。离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性；而且是低温工艺，可防止原来杂质的再扩散等；同时可实现自对准技术。 ④场感应结~ 例如在半导体表面有反型层（表面沟道）时，在反型层与衬底之间即形成场感应的p-n结。 图1.1示意地给出了Si平面扩散p-n结的制作过程。主要的工艺步骤是：衬底制备 → 氧化 → 光刻出窗口 → 从窗口掺入杂质 (高温扩散或离子注入) → 形成p-n结。 由于制作方法的不同，所得到p-n结的型式也就有所不同。采用合金的方法可以得到杂质分布在界面处突然改变的p-n结（施主和受主的掺杂界线分明），称为突变结；特别