PN结原理及制备工艺.ppt

PN结原理及其制备工艺 在物理学中 根据材料的导电能力 可以将他们划分为导体 绝缘体和半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 n型半导体 n 表示负电的意思 在这类半导体中 参与导电的主要是带负电的电子 这些电子来自半导体中的 施主 杂质 所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能 例如 半导体锗和硅中的五价元素砷 锑 磷等原子都是施主杂质 如果在某一半导体的杂质总量中 施主杂质的数量占多数 则这种半导体就是n型半导体 如果在硅单晶中掺入五价元素砷 磷 则在硅原子和砷 磷原子组成共价键之后 磷外层的五个电子中 四个电子组成共价键 多出的一个电子受原子核束缚很小 因此很容易成为自由电子 所以这种半导体中 电子载流子的数目很多 主要kao电子导电 叫做电子半导体 简称n型半导体 p型半导体 p 表示正电的意思 在这种半导体中 参与导电的主要是带正电的空穴 这些空穴来自于半导体中的 受主 杂质 所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半导体中的价电子 产生同数量的空穴 从而改变了半导体的导电性能 例如 半导体锗和硅中的三价元素硼 铟 镓等原子都是受主 如果某一半导体的杂质总量中 受主杂质的数量占多数 则这半导体是p型半导体 如果在单晶硅上掺入三价硼原子 则硼原子与硅原子组成共价键 由于硼原子数目比硅原子要少很多 因此整个晶体结构基本不变 只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替 硼是三价元素 外层只有三个价电子 所以当它与硅原子组成共价键时 就自然形成了一个空穴 这样 掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴 从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加 这种半导体内几乎没有自由电子 主要kao空穴导电 所以叫做空穴半导体 简称p型半导体 p n结 在一块半导体中 掺入施主杂质 使其中一部分成为n型半导体 其余部分掺入受主杂质而成为p型半导体 当p型半导体和n型半导体这两个区域共处一体时 这两个区域之间的交界层就是p n结 p n结很薄 结中电子和和空穴都很少 但在kao近n型一边有带正电荷的离子 kao近p型一边有带负电荷的离子 这是因为 在p型区中空穴的浓度大 在n型区中电子的浓度大 所以把它们结合在一起时 在它们交界的地方便要发生电子和空穴的扩散运动 由于p区有大量可以移动的空穴 n区几乎没有空穴 空穴就要由p区向n区扩散 同样n区有大量的自由电子 p区几乎没有电子 所以电子就要由n区向p区扩散 随着扩散的进行 p区空穴减少 出现了一层带负电的粒子区 n区电子减少 出现了一层带正电的粒子区 结果在p n结的边界附近形成了一个空间电荷区 p型区一边带负电荷的离子 n型区一边带正电荷的离子 因而在结中形成了很强的局部电场 方向由n区指向p区 当结上加正向电压 即p区加电源正极 n区加电源负极 时 这电场减弱 n区中的电子和p区中的空穴都容易通过 因而电流较大 当外加电压相反时 则这电场增强 只有原n区中的少数空穴和p区中的少数电子能够通过 因而电流很小 因此p n结具有整流作用 当具有p n结的半导体受到光照时 其中电子和空穴的数目增多 在结的局部电场作用下 p区的电子移到n区 n区的空穴移到p区 这样在结的两端就有电荷积累 形成电势差 这现象称为p n结的光生伏特效应 由于这些特性 用p n结可制成半导体二极管和光电池等器件 如果在p n结上加以反向电压 n区加在电源正极 p区加在电源负极 电压在一定范围内 p n结几乎不通过电流 但当加在p n结上的反向电压越过某一数值时 发生电流突然增大的现象 这时p n结被击穿 p n结被击穿后便失去其单向导电的性能 但结并不一定损坏 此时将反向电压降低 它的性能还可以恢复 根据其内在的物理过程 p n结击穿可分为雪崩击穿和隧道击穿两种 由于p n结具有这种特性 一方面可以用它制造半导体二极管 使之工作在一定电压范围之内作整流器等 另方面因击穿后并不损坏而可用来制造稳压管或开关管等器件 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 本征半导体 IntrinsicSemiconductor 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 这一现象称为本征激发 也称热激发 当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子 空穴 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 杂质半导体 N型半导体 杂质元素 磷 砷 正离子 多数载流子 少数载流子 在本征Si和Ge中掺入微量五价元素后形成的杂质半导体 多子 自由电子 少子 空穴 P型半导体 杂质元素 硼 铟 负离子 多数载流子 少数载流子 在本征Si和Ge中掺入微量三价元素后形成的杂质半导体 多子 空穴 少子 自由电子 杂质半导体 说明 杂质半导体呈电中性 任一空间的正负电荷数相等N型半导体 电子 正离子P型半导体 空穴 负离子 多子主要由掺杂形成 少子本征激发形成 PN结 PN结的形成 载流子的扩散运动 建立内电场 内电场对载流子的作用 扩散运动和漂移运动达到动态平衡 交界面形成稳定的空间电荷区 即 结 P区 N区 pn结的形成 形成PN结的原理 PN结及其形成过程在杂质半导体中 正负电荷数是相等的 它们的作用相互抵消 因此保持电中性 1 载流子的浓度差产生的多子的扩散运动在P型半导体和N型半导体结合后 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差 N型区内的电子很多而空穴很少 P型区内的空穴而电子很少 这样电子和空穴很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 因此 有些电子要从N型区向P型区扩散 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散 2 电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴带有相反的电荷 它们在扩散过程中要产生复合 中和 结果使P区和N区中原来的电中性被破坏 P区失去空穴留下带负电的离子 N区失去电子留下带正电的离子 这些离子因物质结构的关系 它们不能移动 因此称为空间电荷 它们集中在P区和N区的交界面附近 形成了一个很薄的空间电荷区 这就是所谓的PN结 3 空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动在空间电荷区后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区中形成一个电场 其方向从带正电的N区指向带负电的P区 由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的 故称为内电场 因为内电场的方向与电子的扩散方向相同 与空穴的扩散方向相反 所以它是阻止载流子的扩散运动的 首先是空穴的产生 当半导体内掺入硼原子后 相当于占据了一个硅原子 锗原子 的位置 因为硼原子最外层只有3个电子 当这些电子与周围硅原子 锗原子 形成共价键的时候 自然就空出一个位置 因此 周围的硅原子 锗原子 的电子很容易就可以跑到空出的位置上 从而形成空穴 所谓空穴的移动 其实是这些电子在移动 方向相反 我觉得这一点和导体内电流方向与自由电子移动相反差不多 其次是PN结正负电荷的产生 先要说明扩散运动和漂移运动的区别 扩散运动指的是由于浓度的差异而引起的运动 而漂移运动则是指在电场作用下载流子的运动 当在P型半导体部分区域掺入磷原子或在N型半导体部分区域掺入硼原子之后 由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合 磷原子失去电子变成正电荷 硼原子得到电子变成负电荷 形成内部电场阻止多子的扩散 当加上正向电压 正偏 且大于0 5V时 在外电场的作用下 多子向PN结运动 负电荷得到空穴中和 正电荷得到电子中和 因而PN结变窄 扩散运动较之前又会变强 同时 因为电源不断补充电子和空穴 使得多子的运动得以持续形成电流 当加上反向电压 反偏 时 与内部电场方向一致 多子向PN结反方向移动使PN结变宽 只有少子的漂移运动 因为数目很少 所以形成的反向电流近乎于0 可认为阻断 要注意的是 若反向电压过大 则会导致击穿 原因是电场强制性地将电子拉出变成自由电子 而且当反向电流很大时发热也会很厉害 而半导体受温度影响很大 当温度升高时导电性会急剧增加 综上所述 PN结中存在着两种载流子的运动 一种是多子克服电场的阻力的扩散运动 另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动 因此 只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时 空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定 由于两种运动产生的电流方向相反 因而在无外电场或其他因素激励时 PN结中无宏观电流 一 PN结正向偏置 在外电场作用下 多子将向 结移动 结果使空间电荷区变窄 内电场被削弱 有利于多子的扩散而不利于少子的漂移 扩散运动起主要作用 结果 区的多子空穴将源源不断的流向 区 而 区的多子自由电子亦不断流向 区 这两股载流子的流动就形成了 结的正向电流 PN结外加正向电压 P区接电源的正极 N区接电源的负极 或P区的电位高于N区电位 称为正向偏置 简称正偏 PN结的单向导电性 二 PN结反向偏置 在外电场作用下 多子将背离 结移动 结果使空间电荷区变宽 内电场被增强 有利于少子的漂移而不利于多子的扩散 漂移运动起主要作用 漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反 称为反向电流 因少子浓度很低 反向电流远小于正向电流 当温度一定时 少子浓度一定 反向电流几乎不随外加电压而变化 故称为反向饱和电流 PN结外加反向电压 P区接电源的负极 N区接电源的正极 或P区的电位低于N区电位 称为反向偏置 简称反偏 PN结正偏时呈导通状态 正向电阻很小 正向电流很大 PN结反偏时呈截止状态 反向电阻很大 反向电流很小 PN结的单向导电性 在一个PN结的两端 各引一根电极引线 并用外壳封装起来就构成了半导体二极管 或称晶体二极管 简称二极管 由P区引出的电极称为阳极 正极 由N区引出的电极称为阴极 负极 半导体二极管的结构和类型 1 正向特性 2 反向特性 半导体二极管的伏安特性 工艺流程图 晶片准备 平面工艺 封装测试 0 准备 准备 1 制备单晶硅片 平整 无缺陷 涉及到知识 单晶晶生长 晶圆切 磨 抛 在形成单晶的过程中已经进行了均匀的硼掺杂 2 硅片表面的化学清洗涉及到知识 去除硅片表面杂质的方法及化学原理 有机物 吸附的金属离子和金属原子的化学清洗 p Si 晶体生长 晶圆切 磨 抛 1 氧化 问题 1 二氧化硅薄膜作用及制备的方法有哪些 涉及到知识 薄膜生长2 此处的二氧化硅薄膜的作用是 涉及到知识 薄膜生长3 为什么要双面氧化 为后续的磷扩散做准备 热生长一层氧化层做为扩散的掩蔽膜 4 氧化层的厚度需要大于设计的厚度 为什么 2 涂胶 photoresist 问题 1 涂胶 avi过程2 光刻胶分类 作用 常用的光刻胶 聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶3 涂胶后 曝光前 有一个对光刻胶加固的过程叫做 烘烤 黑色部分都是不透光的 中间的白色部分是做扩散的位置 Mask Mask的剖面图 Mask1 3 曝光 问题 1 光刻的作用 在氧化层上刻出扩散窗口 这个窗口最终将成为pn结二极管的位置 2 图中使用的是正胶 如果用负胶如何修改工艺 4 显影 问题 1 什么是显影工艺 用显影液除去曝光后硅片上应去掉的那部分光致蚀剂的过程2 显影后有一步烘烤的工艺叫什么 作用是 坚膜 除去光刻胶3 显影液选择的注意事项 5 腐蚀 问题 1 腐蚀分为哪两种形式 各有什么特点2 选用腐蚀液要注意什么 3 上面的图片有错误 请指出 6 去胶 1 通常用什么方法去胶 7 杂质扩散 1 硅片要经过适当的清洗后2 应该扩散什么杂质3 杂质扩散源有哪些4 以液态扩散源简要说一下扩散的化学原理5 这只是杂质的预淀积 8 驱入 硅片经过适当的清洗后 进行杂质的再分布 在未被氧化层保护的区域形成了n p结 n 中的 号表示高掺杂 9 金属化 1 金属化的目的 是将器件与外部连接起来 2 淀积金属薄膜有几种方法 溅射或者蒸发Al都可以在整个硅片表面上形成很薄金属膜 3 通常还需要在低温下 低于或等于500oC 退火来改善金属层与硅之间的欧姆接触 10 涂胶 目的 通过光刻去除扩散结区域之外的多余的金属薄膜 黑色部分都是不透光的 四周的白色部分是刻蚀金属的位置 Mask Mask的剖面图 Mask2 问题 可不可以用Mask1 11 曝光mask2板 1 如果采用负胶 如何修改掩膜板Mask2 12 显影 问题 显影液的选择 13 腐蚀 1 此次腐蚀的目的 2 腐蚀液的选择 14 去胶 完成金属化接触之后 对器件进行塑封或者密封在金属管壳内 总体流程 1 学会画流程图2 会解释每一步工艺的作用 3 每步工艺所用的化学品 及化学反应原理