半導(dǎo)體的型和型

關(guān)于半導(dǎo)體的型和型第1頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

1.半導(dǎo)體概述2根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，物質(zhì)可分為導(dǎo)體(ρ<10-1Ω·cm)、絕緣體(ρ>109Ω·cm)和半導(dǎo)體(10-1Ω<ρ<109Ω·cm)三大類。半導(dǎo)體應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗哂袩崦粜浴⒐饷粜?、摻雜性等特殊性能。第2頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

1.半導(dǎo)體概述3典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等，其都是4價(jià)元素（外層軌道上的電子通常稱為價(jià)電子），其原子結(jié)構(gòu)模型和簡(jiǎn)化模型如圖所示。第3頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

1.半導(dǎo)體概述4每個(gè)原子最外層的價(jià)電子，不僅受到自身原子核的束縛，同時(shí)還受到相鄰原子核的吸引。因此，價(jià)電子不僅圍繞自身的原子核運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也出現(xiàn)在圍繞相鄰原子核的軌道上。于是，兩個(gè)相鄰的原子共有一對(duì)共價(jià)電子，這一對(duì)價(jià)電子組成所謂的。硅、鍺原子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖所示。第4頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.本征半導(dǎo)體5純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在室溫下，本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原位留下一個(gè)空穴，這種產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在熱力學(xué)溫度零度（即T=０Ｋ，相當(dāng)于-273℃）時(shí)，價(jià)電子的能量不足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，因此，晶體中沒(méi)有自由電子。所以在T=０Ｋ時(shí)，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。第5頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.本征半導(dǎo)體6由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。分別用n和p表示自由電子和空穴的濃度，有n=p。第6頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

2.本征半導(dǎo)體7空穴、電子導(dǎo)電機(jī)理 由于共價(jià)鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場(chǎng)或其它的作用下，鄰近價(jià)電子就可填補(bǔ)到這個(gè)空位上，而在這個(gè)電子原來(lái)的位置上又留下新的

空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移到這個(gè)新的空位。這樣就使共

價(jià)鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。

空穴的移動(dòng)方向和電子移動(dòng)方

向是相反的。第7頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體8本征半導(dǎo)體中雖有兩種載流子，但因本征載子濃度很低，導(dǎo)電能力很差。如在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定雜質(zhì)，成為雜質(zhì)半導(dǎo)體后，其導(dǎo)電性能將發(fā)生質(zhì)的變化。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼、鎵）的半導(dǎo)體。第8頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體9因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。n型半導(dǎo)體在Ｎ型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

第9頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷P第10頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4P第11頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三多出一個(gè)電子出現(xiàn)了一個(gè)正離子+4+4+4+4+4+4+4+4P第12頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體13提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì).若用ND表示施主原子的濃度，n表示總自由電子的濃度，p表示少子空穴的濃度，則有如下的濃度關(guān)系：n=p+ND上式表明，離子化的施主原子和空穴的正電荷必為自由電子的負(fù)電荷所平衡，以保持材料的電中性。第13頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體14應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)增加施主原子數(shù)可以提高半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子濃度，由此增加了電子與空穴的復(fù)合幾率，使本征激發(fā)產(chǎn)生的少子空穴的濃度降低。由于電子與空穴的復(fù)合，在一定溫度條件下，使空穴濃度與電子濃度的乘積為一常數(shù)，即pn

=pini式中pini分別為本征材料中的空穴濃度和電子濃度，可以得到如下關(guān)系式：pn

=ni2第14頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體15p型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在Ｐ型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

第15頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素硼B(yǎng)+4+4+4+4+4+4+4+4+4第16頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4B第17頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三出現(xiàn)了一個(gè)空位+4+4+4+4+4+4B+4+4第18頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4+4+4B+4+4負(fù)離子空穴第19頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體20若用NA表示受主原子的濃度，n表示少子電子的濃度，p表示總空穴的濃度，則有如下的濃度關(guān)系：NA+n=p這是因?yàn)椴牧现械氖Ｓ嚯姾蓾舛缺貫榱?。或者說(shuō)，離子化的受主原子的負(fù)電荷加上自由電子必與空穴的正電荷相等。第20頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體21雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；而小數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體，無(wú)論是N型還是P型，從總體上看，仍然保持著電中性。在純凈的半導(dǎo)體中摻雜后，導(dǎo)電性能大大改善。但提高導(dǎo)電能力不是其最終目的，因?yàn)閷?dǎo)體導(dǎo)電能力更強(qiáng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于,N、P型半導(dǎo)體可組合制造出各種各樣的半導(dǎo)體器件.第21頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.雜質(zhì)半導(dǎo)體22雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與雜質(zhì)濃度有關(guān)多子—電子第22頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介23雜質(zhì)摻雜的實(shí)際應(yīng)用主要是改變半導(dǎo)體的電特性。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。高溫?cái)U(kuò)散：一直到20世紀(jì)70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來(lái)完成，雜質(zhì)原子通過(guò)氣相源或摻雜過(guò)的氧化物擴(kuò)散或淀積到硅晶片的表面，這些雜質(zhì)濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫與擴(kuò)散時(shí)間來(lái)決定。離子注入：摻雜離子以離子束的形式注入半導(dǎo)體內(nèi)，雜質(zhì)濃度在半導(dǎo)體內(nèi)有個(gè)峰值分布，雜質(zhì)分布主要由離子質(zhì)量和注入能量決定。擴(kuò)散和離子注入兩者都被用來(lái)制作分立器件與集成電路，因?yàn)槎呋パa(bǔ)不足，相得益彰。第23頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介24擴(kuò)散和離子注入的示意圖第24頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介25雜質(zhì)擴(kuò)散通常是在經(jīng)仔細(xì)控制的石英高溫爐管中放入半導(dǎo)體硅晶片并通入含有所需摻雜劑的氣體混合物。硅的溫度在800-1200℃；砷化鎵的溫度在600-1000℃。擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)原子數(shù)量與氣體混合物中的雜質(zhì)分壓有關(guān)。對(duì)硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們?cè)诠柚卸加袠O高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固態(tài)源（BN、As2O3、P2O5）；液態(tài)源（BBr3、AsCl3、POCl3）；氣體源（B2H6、AsH3、PH3），其中液態(tài)源最常用。第25頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介26使用液態(tài)源的磷擴(kuò)散的化學(xué)反應(yīng)如下：P2O5在硅晶片上形成一層玻璃并由硅還原出磷，氯氣被帶走。第26頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介27對(duì)砷化鎵的擴(kuò)散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來(lái)防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過(guò)壓的封閉爐管中擴(kuò)散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開(kāi)發(fā)爐管中擴(kuò)散。p型擴(kuò)散選用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開(kāi)放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。電爐電爐O2N2液態(tài)雜質(zhì)源石英管排氣口硅晶片第27頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介28半導(dǎo)體中的擴(kuò)散可以視作在晶格中通過(guò)空位或填隙原子形式進(jìn)行的原子移動(dòng)。下圖顯示了2種基本的原子擴(kuò)散模型。第28頁(yè)，講稿共31頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.摻雜工藝簡(jiǎn)介29離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達(dá)10nm~10um，離子劑量變動(dòng)范圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對(duì)于擴(kuò)散工藝，離子注入的主要好處在于能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可重復(fù)性和較低的工藝溫度。高能的離子由于與襯底中電子和原子核的碰撞