微电子器件原理与设计

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1、微电子器件原理与设计有机半导体光电池pn结双极型晶体管场效应晶体管双极型晶体管设计第1章pn结本章的主要内容：平衡pn结pn结的电流特性pn结的电容特性pn结的击穿特性pn结的开关特性第1节平衡pn结上段下段目录将一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，在二者的交界面处形成的结称为pn结。pn结是半导体器件，如绝大部分二极管、双极型晶体管、结型场效应晶体管的核心，在一个半导体集成电路中就包含了成千上万个pn结。因此，了解和掌握pn结的性质具有重要的实际意义。本节首先介绍pn结的结构和实现工艺，然后介绍pn结的能带和载流子分布规律。在一块n型(或p型)半导体上，用适当工艺把p型(或n型)杂

2、质掺入其中，使半导体的不同区域分别具有n型和p型导电类型，在二者的交界面处形成pn结。pnpn结的基本结构，如图所示。下面简单介绍形成pn结的典型工艺和杂质分布。一、pn结工艺和杂质分布1.pn结的结构n-Si合金法制造pn结的过程，如图所示。（1）合金法n-Sin-Si将一粒Al放在一块n型半导体片上，加热到一定温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型Si片上形成一个含有高浓度Al的p型Si薄层，它与n型Si衬底的交界面处即为pn结。用这种工艺方法形成的pn结，称为铝硅合金结。2.pn结的杂质分布合金结的杂质分布如图所示。由图可知合金结的杂质分布具有以下特点:在交界面

3、处，杂质由NA突变为ND。NANDN(x)xjxn型区中施主杂质浓度为ND，并且均匀分布;p型区中的受主杂质浓度为NA，也均匀分布。通常，将这种杂质分布具有突变规律的p-n结，称为突变结(AbruptJunction)。由图可知，突变结的杂质分布可以表示为在实际的突变结两边，杂质的浓度相差很多（约1000倍）。NANDN(x)xjx通常，将这种突变结称为单边突变结。n-Si扩散法制造pn结的过程，如图所示。（2）扩散法n-Sin-Si在一块n型半导体片上，通过氧化形成SiO2掩护膜；用紫外线暴光、并用氢氟酸腐蚀光刻，露出n-Si；通过硼气氛在高温下扩散，在n-Si衬底表面下形成深度为xj的

4、p-Si区，从而出现pn结。扩散结的杂质分布由扩散过程及杂质补偿决定。在扩散结中，杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结，如图所示。NANDN(x)xjx由图可知，缓变结的杂质分布可以表示为在扩散结中，若杂质分布可以用结处的切线近似表示，则称为线性缓变结(LineargradedJunction)，其杂质分布如图所示。NA-NDxjx线性缓变结的杂质分布可表示为式中αj是xj处切线的斜率，称为杂质浓度梯度，由扩散杂质的实际分布确定。若采用高浓度扩散源且扩散时间较短，则进入半导体的杂质大多在其表面附近，如图所示。NANDN(x)xjx这种由扩散形成的高表面浓度浅pn结，由于结处的杂

5、质浓度梯度很大，受主杂质浓度远高于施主杂质浓度，因此可以采用突变结近似。显然，通过控制扩散工艺参数既可以获得低表面浓度深扩散结——线性缓变结，也可以获得高表面浓度浅扩散结——单边突变结。n-Si离子注入法制造pn结的过程同扩散法类似，只是在形成p型区时采用了新的掺杂手段。（3）离子注入法n-Sin-Si离子注入技术是将（硼、磷、砷）的原子经过离子化变成带电的杂质离子，并用强电场加速获得约几万到几十万电子伏的高能量。然后，用高能离子束直接轰击到半导体基片内部，经过退火激活，在n-Si衬底表面下形成深度为xj的pn结。离子注入pn结的杂质浓度分布如图所示。在掩蔽膜窗口附近的横向方向杂质呈现余误

6、差分布，而纵向则是以平均投影射程Rp为中心的近似高斯分布。NSRpN(x)xjx综上所述，采用不同的制造工艺可以得到不同的杂质分布。pn结的杂质分布一般可以归纳为两种——突变结和缓变结。合金结和高表面浓度的浅扩散结，一般可以认为是突变结。低表面浓度的深扩散结，一般可以认为是线性缓变结。二、pn结的形成pn结的结构如图所示。1.空间电荷区空间电荷区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内建电场++++++++++++++++++++++++在n区电子为多子，空穴为少子；而在p区空穴为多子，电子为少子。当两块半导体结合形成pn结时，由于存在载流子浓度梯度，将导致空穴从p区到n区、电子

7、从n区到p区的扩散运动。空间电荷区－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－内建电场++++++++++++++++++++++++对于p区，空穴离开后留下了不可动的电离受主杂质，在pn结附近p区一侧出现了一个负电荷区。同理，在pn结附近n区一侧，也出现了一个由电离施主杂质构成的正电荷区。通常把在pn结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷，称为空间电荷。空间电荷所存在的区域，称为空间电荷区。由于在该区域没有载流子