PN結二極管工作原理及制備工藝實用教案

1、 在物理學中，根據材料的導電能力，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(t men)都是4價元素。sisi硅原子Ge鍺原子Ge+4+4硅和鍺最外層軌道上的四個電子(dinz)稱為價電子(dinz)。第1頁/共33頁第一頁，共34頁。 本征半導體的共價鍵結構(jigu)束縛電子在絕對溫度在絕對溫度(juduwnd)T=0K時，所時，所有的價電子都被共價鍵緊有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。接近絕緣體。本征半導體（Intrinsi

2、c Semiconductor)完全純凈(chnjng)的、結構完整的半導體晶體。第2頁/共33頁第二頁，共34頁。 這一現(xiàn)象稱為(chn wi)本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。 當溫度升高(shn o)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(z yu din z)+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴 自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴空穴。第3頁/共33頁第三頁，共34頁。雜質(zzh)半導體N N型半導體：q雜質(zzh)元素：磷，砷正離子+多數(dush)載流子少數載流子在本征SiSi和GeGe中摻入微

3、量五價元素后形成的雜質半導體。q多子：自由電子q少子：空穴第4頁/共33頁第四頁，共34頁。-P P型半導體：q雜質(zzh)元素：硼，銦負離子多數(dush)載流子少數(shosh)載流子在本征SiSi和GeGe中摻入微量三價元素后形成的雜質半導體。q多子：空穴q少子：自由電子雜質半導體第5頁/共33頁第五頁，共34頁。說明(shumng)v雜質半導體呈電中性，任一空間的正負電荷數相等v N N型半導體：電子(dinz)+(dinz)+正離子v v P P型半導體：空穴+ +負離子v多子主要(zhyo)(zhyo)由摻雜形成, ,少子本征激發(fā)形成第6頁/共33頁第六頁，共34頁。PN結：PN

4、結的形成(xngchng)+-載流子的擴散(kusn)運動建立(jinl)內電場內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P區(qū)N區(qū)第7頁/共33頁第七頁，共34頁。一、PNPN結正向(zhn xin)(zhn xin)偏置 在外電場作用下，多子將向結移動，結果使空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，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。結果，區(qū)的多子空穴(kn xu)(kn xu)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的正向電流。 PN結外加正向電壓（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

5、高于N區(qū)電位），稱為正向偏置(pin zh)，簡稱正偏。PN結的單向導電性第8頁/共33頁第八頁，共34頁。二、PNPN結反向(fn xin)(fn xin)偏置 在外電場(din chng)(din chng)作用下，多子將背離結移動，結果使空間電荷區(qū)變寬，內電場(din chng)(din chng)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。v當溫度一定時，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨外加電壓(diny)(diny)而變化，故稱為 反向飽和電流 。 PN PN結外加反

6、向電壓（P P區(qū)接電源的負極，N N區(qū)接電源的正極，或P P區(qū)的電位低于N N區(qū)電位），稱為反向偏置，簡稱反偏。第9頁/共33頁第九頁，共34頁。 PN PN結正偏時呈導通結正偏時呈導通狀態(tài)，正向電阻很小，狀態(tài)，正向電阻很小，正向電流正向電流(dinli)(dinli)很很大；大； PN PN結反偏時呈截止結反偏時呈截止狀態(tài)，反向電阻很大，狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流反向電流(dinli)(dinli)很很小。小。 PN PN結的單向導電性結的單向導電性第10頁/共33頁第十頁，共34頁。在一個PN結的兩端，各引一根電極引線，并用外殼封裝起來就構成(guchng)了半導體二極管，（或稱晶體二極

7、管，簡稱二極管。由P區(qū)引出的電極稱為(chn wi)陽極（正極）由N區(qū)引出的電極稱為陰極(ynj)（負極）半導體二極管的結構和類型第11頁/共33頁第十一頁，共34頁。UFIF0URIR0反向電擊穿區(qū)(1) (1) 正向(zhn xin)(zhn xin)特性(2) (2) 反向(fn xin)(fn xin)特性半導體二極管的伏安(f n)特性第12頁/共33頁第十二頁，共34頁。工藝流程(n y li chn)圖晶片準備(zhnbi)平面工藝封裝測試(csh)第13頁/共33頁第十三頁，共34頁。（0）準備(zhnbi)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

8、切、磨、拋。 （ 在形成(xngchng)單晶的過程中已經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第14頁/共33頁第十四頁，共34頁。晶體生長，晶圓切、磨、拋第15頁/共33頁第十五頁，共34頁。p-SiSiO2(1) 氧化(ynghu) 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(kusn)做準備。熱生長一層氧化層 做為擴散(kusn)的掩蔽膜。 4、氧化層的厚度

9、需要大于設計的厚度，為什么？ 第16頁/共33頁第十六頁，共34頁。(2) 涂膠photoresist問題問題(wnt)：1、涂膠、涂膠.avi過程過程2、光刻膠分類，作用，常用的光刻膠？、光刻膠分類，作用，常用的光刻膠？ 聚乙烯醇肉桂酸酯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？、涂膠后，曝光前，有一個對光刻膠加固的過程叫做？ 烘烤烘烤第17頁/共33頁第十七頁，共34頁。黑色部分都是不透光的，中間的白色部分是做擴散(kusn)的位置。MaskMask的剖面圖Mask 1第18頁/共33頁第十八頁，共34頁。（3）曝光(bo gung)問題：1、光刻的作用

10、(zuyng)？在氧化層上刻出擴散窗口，這個窗口最終將成為pn結二極管的位置。2、圖中使用的是正膠，如果用負膠如何修改工藝？第19頁/共33頁第十九頁，共34頁。（4）顯影(xin yng)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(zuyng)是？ 堅膜，除去光刻膠 3、顯影液選擇的注意事項。第20頁/共33頁第二十頁，共34頁。（5）腐蝕）腐蝕(fsh)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(zh y)什么？ 3、上面的圖片有錯誤，請指出。第21頁/共33頁第二十一頁，共34頁。（6）

11、去膠1、通常(tngchng)用什么方法去膠？第22頁/共33頁第二十二頁，共34頁。（7）雜質擴散1、硅片要經過適當的清洗后2、應該擴散什么雜質3、雜質擴散源有哪些4、以液態(tài)(yti)擴散源簡要說一下擴散的化學原理5、這只是雜質的預淀積。第23頁/共33頁第二十三頁，共34頁。(8)驅入硅片經過適當的清洗后，進行雜質的再分布。在未被氧化層保護(boh)的區(qū)域形成了n+-p結。n+中的“+”號表示高摻雜。第24頁/共33頁第二十四頁，共34頁。（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)(zhngf)Al都可以在整個硅片表面上形成很薄金屬膜

12、。3、通常還需要在低溫下（低于或等于500oC）退火來改善金屬層與硅之間的歐姆接觸。第25頁/共33頁第二十五頁，共34頁。(10)涂膠目的(md)：通過光刻去除擴散結區(qū)域之外的多余的金屬薄膜。第26頁/共33頁第二十六頁，共34頁。黑色部分都是不透光的，四周的白色部分是刻蝕金屬(jnsh)的位置。MaskMask的剖面圖Mask 2問題(wnt)：可不可以用Mask1？第27頁/共33頁第二十七頁，共34頁。(11)曝光(bo gung)mask2板1、如果采用負膠，如何(rh)修改掩膜板Mask2？第28頁/共33頁第二十八頁，共34頁。(12)顯影(xin yng) 問題(wnt)：顯影液的選擇第29頁/共33頁第二十九頁，共34頁。(13)腐蝕(fsh)1、此次腐蝕的目的(md)？2、腐蝕液的選擇。第30頁/共33頁第三十頁，共34頁。（14）去膠 完成金屬化接觸(jich)之后，對器件進行塑封或者密封在金屬管殼內。第31頁/共33頁第三十一頁，共34頁?？傮w總體(zngt)流程流程1、學會畫流程圖2、會解釋每一步 工藝的作用(zuyng)？3、每步工藝所用 的化學品，及 化學反應原理。第32頁/共33頁第三十二頁，共34頁。感謝您的觀看(gunkn)！第33頁/共33頁第三十三頁，共34頁。NoImage內容(nirng)總結在物理學中，根據材料的導電能力，可以