PN結(jié)原理及制備工藝

PN結(jié)原理及其制備工藝 在物理學中 根據(jù)材料的導電能力 可以將他們劃分為導體 絕緣體和半導體 典型的半導體是硅Si和鍺Ge 它們都是4價元素 硅原子 鍺原子 硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子 n型半導體 n 表示負電的意思 在這類半導體中 參與導電的主要是帶負電的電子 這些電子來自半導體中的 施主 雜質(zhì) 所謂施主雜質(zhì)就是摻入雜質(zhì)能夠提供導電電子而改變半導體的導電性能 例如 半導體鍺和硅中的五價元素砷 銻 磷等原子都是施主雜質(zhì) 如果在某一半導體的雜質(zhì)總量中 施主雜質(zhì)的數(shù)量占多數(shù) 則這種半導體就是n型半導體 如果在硅單晶中摻入五價元素砷 磷 則在硅原子和砷 磷原子組成共價鍵之后 磷外層的五個電子中 四個電子組成共價鍵 多出的一個電子受原子核束縛很小 因此很容易成為自由電子 所以這種半導體中 電子載流子的數(shù)目很多 主要kao電子導電 叫做電子半導體 簡稱n型半導體 p型半導體 p 表示正電的意思 在這種半導體中 參與導電的主要是帶正電的空穴 這些空穴來自于半導體中的 受主 雜質(zhì) 所謂受主雜質(zhì)就是摻入雜質(zhì)能夠接受半導體中的價電子 產(chǎn)生同數(shù)量的空穴 從而改變了半導體的導電性能 例如 半導體鍺和硅中的三價元素硼 銦 鎵等原子都是受主 如果某一半導體的雜質(zhì)總量中 受主雜質(zhì)的數(shù)量占多數(shù) 則這半導體是p型半導體 如果在單晶硅上摻入三價硼原子 則硼原子與硅原子組成共價鍵 由于硼原子數(shù)目比硅原子要少很多 因此整個晶體結(jié)構(gòu)基本不變 只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替 硼是三價元素 外層只有三個價電子 所以當它與硅原子組成共價鍵時 就自然形成了一個空穴 這樣 摻入的硼雜質(zhì)的每一個原子都可能提供一個空穴 從而使硅單晶中空穴載流子的數(shù)目大大增加 這種半導體內(nèi)幾乎沒有自由電子 主要kao空穴導電 所以叫做空穴半導體 簡稱p型半導體 p n結(jié) 在一塊半導體中 摻入施主雜質(zhì) 使其中一部分成為n型半導體 其余部分摻入受主雜質(zhì)而成為p型半導體 當p型半導體和n型半導體這兩個區(qū)域共處一體時 這兩個區(qū)域之間的交界層就是p n結(jié) p n結(jié)很薄 結(jié)中電子和和空穴都很少 但在kao近n型一邊有帶正電荷的離子 kao近p型一邊有帶負電荷的離子 這是因為 在p型區(qū)中空穴的濃度大 在n型區(qū)中電子的濃度大 所以把它們結(jié)合在一起時 在它們交界的地方便要發(fā)生電子和空穴的擴散運動 由于p區(qū)有大量可以移動的空穴 n區(qū)幾乎沒有空穴 空穴就要由p區(qū)向n區(qū)擴散 同樣n區(qū)有大量的自由電子 p區(qū)幾乎沒有電子 所以電子就要由n區(qū)向p區(qū)擴散 隨著擴散的進行 p區(qū)空穴減少 出現(xiàn)了一層帶負電的粒子區(qū) n區(qū)電子減少 出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū) 結(jié)果在p n結(jié)的邊界附近形成了一個空間電荷區(qū) p型區(qū)一邊帶負電荷的離子 n型區(qū)一邊帶正電荷的離子 因而在結(jié)中形成了很強的局部電場 方向由n區(qū)指向p區(qū) 當結(jié)上加正向電壓 即p區(qū)加電源正極 n區(qū)加電源負極 時 這電場減弱 n區(qū)中的電子和p區(qū)中的空穴都容易通過 因而電流較大 當外加電壓相反時 則這電場增強 只有原n區(qū)中的少數(shù)空穴和p區(qū)中的少數(shù)電子能夠通過 因而電流很小 因此p n結(jié)具有整流作用 當具有p n結(jié)的半導體受到光照時 其中電子和空穴的數(shù)目增多 在結(jié)的局部電場作用下 p區(qū)的電子移到n區(qū) n區(qū)的空穴移到p區(qū) 這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累 形成電勢差 這現(xiàn)象稱為p n結(jié)的光生伏特效應 由于這些特性 用p n結(jié)可制成半導體二極管和光電池等器件 如果在p n結(jié)上加以反向電壓 n區(qū)加在電源正極 p區(qū)加在電源負極 電壓在一定范圍內(nèi) p n結(jié)幾乎不通過電流 但當加在p n結(jié)上的反向電壓越過某一數(shù)值時 發(fā)生電流突然增大的現(xiàn)象 這時p n結(jié)被擊穿 p n結(jié)被擊穿后便失去其單向?qū)щ姷男阅?但結(jié)并不一定損壞 此時將反向電壓降低 它的性能還可以恢復 根據(jù)其內(nèi)在的物理過程 p n結(jié)擊穿可分為雪崩擊穿和隧道擊穿兩種 由于p n結(jié)具有這種特性 一方面可以用它制造半導體二極管 使之工作在一定電壓范圍之內(nèi)作整流器等 另方面因擊穿后并不損壞而可用來制造穩(wěn)壓管或開關(guān)管等器件 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu) 束縛電子 在絕對溫度T 0K時 所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中 不會成為自由電子 因此本征半導體的導電能力很弱 接近絕緣體 本征半導體 IntrinsicSemiconductor 完全純凈的 結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 也稱熱激發(fā) 當溫度升高或受到光的照射時 束縛電子能量增高 有的電子可以掙脫原子核的束縛 而參與導電 成為自由電子 自由電子 空穴 自由電子產(chǎn)生的同時 在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位 稱為空穴 雜質(zhì)半導體 N型半導體 雜質(zhì)元素 磷 砷 正離子 多數(shù)載流子 少數(shù)載流子 在本征Si和Ge中摻入微量五價元素后形成的雜質(zhì)半導體 多子 自由電子 少子 空穴 P型半導體 雜質(zhì)元素 硼 銦 負離子 多數(shù)載流子 少數(shù)載流子 在本征Si和Ge中摻入微量三價元素后形成的雜質(zhì)半導體 多子 空穴 少子 自由電子 雜質(zhì)半導體 說明 雜質(zhì)半導體呈電中性 任一空間的正負電荷數(shù)相等N型半導體 電子 正離子P型半導體 空穴 負離子 多子主要由摻雜形成 少子本征激發(fā)形成 PN結(jié) PN結(jié)的形成 載流子的擴散運動 建立內(nèi)電場 內(nèi)電場對載流子的作用 擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡 交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū) 即 結(jié) P區(qū) N區(qū) pn結(jié)的形成 形成PN結(jié)的原理 PN結(jié)及其形成過程在雜質(zhì)半導體中 正負電荷數(shù)是相等的 它們的作用相互抵消 因此保持電中性 1 載流子的濃度差產(chǎn)生的多子的擴散運動在P型半導體和N型半導體結(jié)合后 在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差 N型區(qū)內(nèi)的電子很多而空穴很少 P型區(qū)內(nèi)的空穴而電子很少 這樣電子和空穴很多都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散 因此 有些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴散 也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散 2 電子和空穴的復合形成了空間電荷區(qū)電子和空穴帶有相反的電荷 它們在擴散過程中要產(chǎn)生復合 中和 結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)中原來的電中性被破壞 P區(qū)失去空穴留下帶負電的離子 N區(qū)失去電子留下帶正電的離子 這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 它們不能移動 因此稱為空間電荷 它們集中在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近 形成了一個很薄的空間電荷區(qū) 這就是所謂的PN結(jié) 3 空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場E又阻止多子的擴散運動在空間電荷區(qū)后 由于正負電荷之間的相互作用 在空間電荷區(qū)中形成一個電場 其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū) 由于該電場是由載流子擴散后在半導體內(nèi)部形成的 故稱為內(nèi)電場 因為內(nèi)電場的方向與電子的擴散方向相同 與空穴的擴散方向相反 所以它是阻止載流子的擴散運動的 首先是空穴的產(chǎn)生 當半導體內(nèi)摻入硼原子后 相當于占據(jù)了一個硅原子 鍺原子 的位置 因為硼原子最外層只有3個電子 當這些電子與周圍硅原子 鍺原子 形成共價鍵的時候 自然就空出一個位置 因此 周圍的硅原子 鍺原子 的電子很容易就可以跑到空出的位置上 從而形成空穴 所謂空穴的移動 其實是這些電子在移動 方向相反 我覺得這一點和導體內(nèi)電流方向與自由電子移動相反差不多 其次是PN結(jié)正負電荷的產(chǎn)生 先要說明擴散運動和漂移運動的區(qū)別 擴散運動指的是由于濃度的差異而引起的運動 而漂移運動則是指在電場作用下載流子的運動 當在P型半導體部分區(qū)域摻入磷原子或在N型半導體部分區(qū)域摻入硼原子之后 由于擴散運動電子和空穴會在交界處復合 磷原子失去電子變成正電荷 硼原子得到電子變成負電荷 形成內(nèi)部電場阻止多子的擴散 當加上正向電壓 正偏 且大于0 5V時 在外電場的作用下 多子向PN結(jié)運動 負電荷得到空穴中和 正電荷得到電子中和 因而PN結(jié)變窄 擴散運動較之前又會變強 同時 因為電源不斷補充電子和空穴 使得多子的運動得以持續(xù)形成電流 當加上反向電壓 反偏 時 與內(nèi)部電場方向一致 多子向PN結(jié)反方向移動使PN結(jié)變寬 只有少子的漂移運動 因為數(shù)目很少 所以形成的反向電流近乎于0 可認為阻斷 要注意的是 若反向電壓過大 則會導致?lián)舸?原因是電場強制性地將電子拉出變成自由電子 而且當反向電流很大時發(fā)熱也會很厲害 而半導體受溫度影響很大 當溫度升高時導電性會急劇增加 綜上所述 PN結(jié)中存在著兩種載流子的運動 一種是多子克服電場的阻力的擴散運動 另一種是少子在內(nèi)電場的作用下產(chǎn)生的漂移運動 因此 只有當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時 空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場才能相對穩(wěn)定 由于兩種運動產(chǎn)生的電流方向相反 因而在無外電場或其他因素激勵時 PN結(jié)中無宏觀電流 一 PN結(jié)正向偏置 在外電場作用下 多子將向 結(jié)移動 結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄 內(nèi)電場被削弱 有利于多子的擴散而不利于少子的漂移 擴散運動起主要作用 結(jié)果 區(qū)的多子空穴將源源不斷的流向 區(qū) 而 區(qū)的多子自由電子亦不斷流向 區(qū) 這兩股載流子的流動就形成了 結(jié)的正向電流 PN結(jié)外加正向電壓 P區(qū)接電源的正極 N區(qū)接電源的負極 或P區(qū)的電位高于N區(qū)電位 稱為正向偏置 簡稱正偏 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二 PN結(jié)反向偏置 在外電場作用下 多子將背離 結(jié)移動 結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬 內(nèi)電場被增強 有利于少子的漂移而不利于多子的擴散 漂移運動起主要作用 漂移運動產(chǎn)生的漂移電流的方向與正向電流相反 稱為反向電流 因少子濃度很低 反向電流遠小于正向電流 當溫度一定時 少子濃度一定 反向電流幾乎不隨外加電壓而變化 故稱為反向飽和電流 PN結(jié)外加反向電壓 P區(qū)接電源的負極 N區(qū)接電源的正極 或P區(qū)的電位低于N區(qū)電位 稱為反向偏置 簡稱反偏 PN結(jié)正偏時呈導通狀態(tài) 正向電阻很小 正向電流很大 PN結(jié)反偏時呈截止狀態(tài) 反向電阻很大 反向電流很小 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?在一個PN結(jié)的兩端 各引一根電極引線 并用外殼封裝起來就構(gòu)成了半導體二極管 或稱晶體二極管 簡稱二極管 由P區(qū)引出的電極稱為陽極 正極 由N區(qū)引出的電極稱為陰極 負極 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型 1 正向特性 2 反向特性 半導體二極管的伏安特性 工藝流程圖 晶片準備 平面工藝 封裝測試 0 準備 準備 1 制備單晶硅片 平整 無缺陷 涉及到知識 單晶晶生長 晶圓切 磨 拋 在形成單晶的過程中已經(jīng)進行了均勻的硼摻雜 2 硅片表面的化學清洗涉及到知識 去除硅片表面雜質(zhì)的方法及化學原理 有機物 吸附的金屬離子和金屬原子的化學清洗 p Si 晶體生長 晶圓切 磨 拋 1 氧化 問題 1 二氧化硅薄膜作用及制備的方法有哪些 涉及到知識 薄膜生長2 此處的二氧化硅薄膜的作用是 涉及到知識 薄膜生長3 為什么要雙面氧化 為后續(xù)的磷擴散做準備 熱生長一層氧化層做為擴散的掩蔽膜 4 氧化層的厚度需要大于設(shè)計的厚度 為什么 2 涂膠 photoresist 問題 1 涂膠 avi過程2 光刻膠分類 作用 常用的光刻膠 聚乙烯醇肉桂酸酯光刻膠3 涂膠后 曝光前 有一個對光刻膠加固的過程叫做 烘烤 黑色部分都是不透光的 中間的白色部分是做擴散的位置 Mask Mask的剖面圖 Mask1 3 曝光 問題 1 光刻的作用 在氧化層上刻出擴散窗口 這個窗口最終將成為pn結(jié)二極管的位置 2 圖中使用的是正膠 如果用負膠如何修改工藝 4 顯影 問題 1 什么是顯影工藝 用顯影液除去曝光后硅片上應去掉的那部分光致蝕劑的過程2 顯影后有一步烘烤的工藝叫什么 作用是 堅膜 除去光刻膠3 顯影液選擇的注意事項 5 腐蝕 問題 1 腐蝕分為哪兩種形式 各有什么特點2 選用腐蝕液要注意什么 3 上面的圖片有錯誤 請指出 6 去膠 1 通常用什么方法去膠 7 雜質(zhì)擴散 1 硅片要經(jīng)過適當?shù)那逑春? 應該擴散什么雜質(zhì)3 雜質(zhì)擴散源有哪些4 以液態(tài)擴散源簡要說一下擴散的化學原理5 這只是雜質(zhì)的預淀積 8 驅(qū)入 硅片經(jīng)過適當?shù)那逑春?進行雜質(zhì)的再分布 在未被氧化層保護的區(qū)域形成了n p結(jié) n 中的 號表示高摻雜 9 金屬化 1 金屬化的目的 是將器件與外部連接起來 2 淀積金屬薄膜有幾種方法 濺射或者蒸發(fā)Al都可以在整個硅片表面上形成很薄金屬膜 3 通常還需要在低溫下 低于或等于500oC 退火來改