微電子器件原理與設計

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1、微電子器件原理與設計有機半導體光電池pn結雙極型晶體管場效應晶體管雙極型晶體管設計第1章pn結本章的主要內容：平衡pn結pn結的電流特性pn結的電容特性pn結的擊穿特性pn結的開關特性第1節(jié)平衡pn結上段下段目錄將一塊p型半導體和一塊n型半導體結合在一起，在二者的交界面處形成的結稱為pn結。pn結是半導體器件，如絕大部分二極管、雙極型晶體管、結型場效應晶體管的核心，在一個半導體集成電路中就包含了成千上萬個pn結。因此，了解和掌握pn結的性質具有重要的實際意義。本節(jié)首先介紹pn結的結構和實現工藝，然后介紹pn結的能帶和載流子分布規(guī)律。在一塊n型(或p型)半導體上，用適當工藝把p型(或n型)雜

2、質摻入其中，使半導體的不同區(qū)域分別具有n型和p型導電類型，在二者的交界面處形成pn結。pnpn結的基本結構，如圖所示。下面簡單介紹形成pn結的典型工藝和雜質分布。一、pn結工藝和雜質分布1.pn結的結構n-Si合金法制造pn結的過程，如圖所示。（1）合金法n-Sin-Si將一粒Al放在一塊n型半導體片上，加熱到一定溫度，形成鋁硅的熔融體，然后降低溫度，熔融體開始凝固，在n型Si片上形成一個含有高濃度Al的p型Si薄層，它與n型Si襯底的交界面處即為pn結。用這種工藝方法形成的pn結，稱為鋁硅合金結。2.pn結的雜質分布合金結的雜質分布如圖所示。由圖可知合金結的雜質分布具有以下特點:在交界面

3、處，雜質由NA突變?yōu)镹D。NANDN(x)xjxn型區(qū)中施主雜質濃度為ND，并且均勻分布;p型區(qū)中的受主雜質濃度為NA，也均勻分布。通常，將這種雜質分布具有突變規(guī)律的p-n結，稱為突變結(AbruptJunction)。由圖可知，突變結的雜質分布可以表示為在實際的突變結兩邊，雜質的濃度相差很多（約1000倍）。NANDN(x)xjx通常，將這種突變結稱為單邊突變結。n-Si擴散法制造pn結的過程，如圖所示。（2）擴散法n-Sin-Si在一塊n型半導體片上，通過氧化形成SiO2掩護膜；用紫外線暴光、并用氫氟酸腐蝕光刻，露出n-Si；通過硼氣氛在高溫下擴散，在n-Si襯底表面下形成深度為xj的

4、p-Si區(qū)，從而出現pn結。擴散結的雜質分布由擴散過程及雜質補償決定。在擴散結中，雜質濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱為緩變結，如圖所示。NANDN(x)xjx由圖可知，緩變結的雜質分布可以表示為在擴散結中，若雜質分布可以用結處的切線近似表示，則稱為線性緩變結(LineargradedJunction)，其雜質分布如圖所示。NA-NDxjx線性緩變結的雜質分布可表示為式中αj是xj處切線的斜率，稱為雜質濃度梯度，由擴散雜質的實際分布確定。若采用高濃度擴散源且擴散時間較短，則進入半導體的雜質大多在其表面附近，如圖所示。NANDN(x)xjx這種由擴散形成的高表面濃度淺pn結，由于結處的雜

5、質濃度梯度很大，受主雜質濃度遠高于施主雜質濃度，因此可以采用突變結近似。顯然，通過控制擴散工藝參數既可以獲得低表面濃度深擴散結——線性緩變結，也可以獲得高表面濃度淺擴散結——單邊突變結。n-Si離子注入法制造pn結的過程同擴散法類似，只是在形成p型區(qū)時采用了新的摻雜手段。（3）離子注入法n-Sin-Si離子注入技術是將（硼、磷、砷）的原子經過離子化變成帶電的雜質離子，并用強電場加速獲得約幾萬到幾十萬電子伏的高能量。然后，用高能離子束直接轟擊到半導體基片內部，經過退火激活，在n-Si襯底表面下形成深度為xj的pn結。離子注入pn結的雜質濃度分布如圖所示。在掩蔽膜窗口附近的橫向方向雜質呈現余誤

6、差分布，而縱向則是以平均投影射程Rp為中心的近似高斯分布。NSRpN(x)xjx綜上所述，采用不同的制造工藝可以得到不同的雜質分布。pn結的雜質分布一般可以歸納為兩種——突變結和緩變結。合金結和高表面濃度的淺擴散結，一般可以認為是突變結。低表面濃度的深擴散結，一般可以認為是線性緩變結。二、pn結的形成pn結的結構如圖所示。1.空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內建電場++++++++++++++++++++++++在n區(qū)電子為多子，空穴為少子；而在p區(qū)空穴為多子，電子為少子。當兩塊半導體結合形成pn結時，由于存在載流子濃度梯度，將導致空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子

7、從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動?？臻g電荷區(qū)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－內建電場++++++++++++++++++++++++對于p區(qū)，空穴離開后留下了不可動的電離受主雜質，在pn結附近p區(qū)一側出現了一個負電荷區(qū)。同理，在pn結附近n區(qū)一側，也出現了一個由電離施主雜質構成的正電荷區(qū)。通常把在pn結附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷，稱為空間電荷?？臻g電荷所存在的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。由于在該區(qū)域沒有載流子