半導(dǎo)體的n型和p型[高教課堂]

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1、,半導(dǎo)體的n型、p型摻雜,教 師：黃輝 辦公室：創(chuàng)新園大廈A1226,1,藤蔓課堂,本章內(nèi)容,2,1.半導(dǎo)體概述 2.本征半導(dǎo)體 3.雜質(zhì)半導(dǎo)體 4.摻雜工藝簡介,2,藤蔓課堂,1.半導(dǎo)體概述,3,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(109 cm)和半導(dǎo)體(10-1109cm)三大類。,半導(dǎo)體應(yīng)用極為廣泛，因為它具有熱敏性、光敏性、摻雜性等特殊性能。,3,藤蔓課堂,1.半導(dǎo)體概述,4,典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等，其都是4價元素（外層軌道上的電子通常稱為價電子），其原子結(jié)構(gòu)模型和簡化模型如圖所示。,4,藤蔓課堂,1.半導(dǎo)體概述,5,每個原子最外層的價電子，不僅

2、受到自身原子核的束縛，同時還受到相鄰原子核的吸引。因此，價電子不僅圍繞自身的原子核運動，同時也出現(xiàn)在圍繞相鄰原子核的軌道上。于是，兩個相鄰的原子共有一對共價電子，這一對價電子組成所謂的。硅、鍺原子的共價鍵結(jié)構(gòu)如圖所示。,5,藤蔓課堂,2.本征半導(dǎo)體,6,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)體共價鍵中的價電子獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，在原位留下一個空穴，這種產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,在熱力學(xué)溫度零度（即T=，相當(dāng)于-273）時，價電子的能量不足以掙脫共價鍵的束縛，因此，晶體中沒有自由電子。所以在T=時，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。,

3、6,藤蔓課堂,2.本征半導(dǎo)體,7,由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對。,本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負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。,7,藤蔓課堂,2.本征半導(dǎo)體,8,空穴、電子導(dǎo)電機理 由于共價鍵出現(xiàn)了空穴，在外加電場或其它的作用下，鄰近價電子就可填補到這個空位上，而在這個電子原來的位置上又留下新的 空位，以后其他電子又可轉(zhuǎn)移 到這個新的空位。這樣就使共 價鍵中出現(xiàn)一定的電荷遷移。 空穴的移動方向和電子移動方 向是相反的。,8,藤蔓課堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,9,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)

4、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)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷、砷）的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼、鎵）的半導(dǎo)體。,9,藤蔓課堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,10,因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電 子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的 價電子形成共價鍵，而多余的一 個價電子因無共價鍵束縛而很容 易形成自由電子。,n型半導(dǎo)體,在型半導(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。,10,藤蔓課堂,摻入少量五價雜質(zhì)元素磷,多出一個電子,出現(xiàn)了一個正離子,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,14,提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價雜

5、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電荷所平衡，以保持材料的電中性。,14,藤蔓課堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,15,應(yīng)當(dāng)注意，通過增加施主原子數(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 = ni2,15,藤蔓課

6、堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,16,p型半導(dǎo)體,因三價雜質(zhì)原子在與硅原子 形成共價鍵時，缺少一個價 電子而在共價鍵中留下一個 空穴。 在型半導(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)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。,16,藤蔓課堂,在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素硼,出現(xiàn)了一個空位,負離子,空穴,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,21,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 這是因為材料中的剩余電荷濃度必為零?；蛘哒f，離子化的受主原子的負電荷加上自由電子必與空穴的正電荷

7、相等。,21,藤蔓課堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,22,雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點,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，因為導(dǎo)體導(dǎo)電能力更強。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.,22,藤蔓課堂,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體,23,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖,少子空穴,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,23,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,24,雜質(zhì)摻雜的實際應(yīng)用主要是改

8、變半導(dǎo)體的電特性。擴散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。 高溫擴散：一直到20世紀70年代，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴散方式來完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴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散時間來決定。 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。 擴散和離子注入兩者都被用來制作分立器件與集成電路，因為二者互補不足，相得益彰。,24,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,25,擴散和離子注入的示意圖,25,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,26,雜質(zhì)擴散通常是在經(jīng)仔細控制

9、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。擴散進入半導(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)。 對硅而言，B、P和As分別是常用的p型和n型摻雜劑，它們在硅中都有極高的固溶度，可高于51020cm-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。,26,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,27,使用液態(tài)源的磷擴散的化學(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。,27,藤蔓課堂

10、,4.摻雜工藝簡介,28,對砷化鎵的擴散工藝而言，因砷的蒸汽壓高，所以需要特別的方式來防止砷的分解或蒸發(fā)所造成的損失。包括含過壓的封閉爐管中擴散及在含有摻雜氧化物覆蓋層（氮化硅）的開發(fā)爐管中擴散。p型擴散選用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或ZnAs2（封閉爐管法）或ZnO-SiO2（開放爐管法）。n型摻雜劑有硒和碲。,28,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,29,半導(dǎo)體中的擴散可以視作在晶格中通過空位或填隙原子形式進行的原子移動。下圖顯示了2種基本的原子擴散模型。,29,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,30,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程。注入能量介于1keV到1MeV之間，注入深度平均可達10nm10um，離子劑量變動范圍從用于閾值電壓調(diào)整的1012/cm3到形成絕緣層的1018/cm3。相對于擴散工藝，離子注入的主要好處在于能更準確地控制雜質(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而失去能量，最后停在晶格內(nèi)某一深度。平均深度由于調(diào)整加速能量來控制。雜質(zhì)劑量可由注入時監(jiān)控離子電流來控制。主要副作用是離子碰撞引起的半導(dǎo)體晶格斷裂或損傷。因此，后續(xù)的退化處理用來去除這些損傷。,離子注入的分布,30,藤蔓課堂,4.摻雜工藝簡介,中等電流離子注入機的示意圖,31,藤蔓課堂,謝謝,32,藤蔓課堂,