2.2-2.3-半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)與PN結(jié)

12.1集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管2.5MOS晶體管第二章 IC制造材料結(jié)構(gòu)與理論2

2.2.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)固體材料分為兩類：晶體和非晶體。從外觀看晶體有一定的幾何外形，非晶體沒有一定的形狀。

用來制作集成電路的硅、鍺等都是晶體，而玻璃、橡膠等都是非晶體。32.2.2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。但是，當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照等外界因素的影響時(shí)，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)目是相同的。在外加電場(chǎng)作用下，電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向相反，但由于電子和空穴所帶電荷相反，因而形成的電流是相加的，即順著電場(chǎng)方向形成電子和空穴兩種漂移電流。4雜質(zhì)半導(dǎo)體根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。5P型半導(dǎo)體摻入少量的3價(jià)元素，如硼、鋁或銦，有3個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少1個(gè)電子，產(chǎn)生1個(gè)空位。空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價(jià)雜質(zhì)的原子很容易接受價(jià)電子，稱為“受主雜質(zhì)”。6N型半導(dǎo)體摻入少量的5價(jià)元素，如磷、砷或銻，有5個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵時(shí)，多余1個(gè)電子。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生多余的電子，稱為“施主雜質(zhì)”。72.1了解集成電路材料2.2半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2.3PN結(jié)與結(jié)型二極管2.4雙極型晶體管2.5MOS晶體管第二章 IC制造材料結(jié)構(gòu)與理論82.3.1PN結(jié)的擴(kuò)散與漂移由于兩種半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的正、負(fù)電荷相等，所以半導(dǎo)體內(nèi)呈電中性。圖2.2PN結(jié)的形成9擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由于PN結(jié)交界面兩邊的載流子濃度有很大的差別，載流子就要從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散。P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)中留下帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。在緊靠接觸面兩邊形成了數(shù)值相等、符號(hào)相反的一層很薄的空間電荷區(qū)，稱為耗盡層，這就是PN結(jié)。10圖2.3平衡狀態(tài)下的PN結(jié)在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個(gè)電場(chǎng)ε，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)的。這個(gè)電場(chǎng)一方面阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行；另一方面，將產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場(chǎng)ε作用下向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。

漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過PN結(jié)的總電流為零。擴(kuò)散電流漂移電流擴(kuò)散：濃度差漂移：電場(chǎng)

112.3.2PN結(jié)型二極管(a)圖2.4PN結(jié)二極管(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)(c)I-V特性曲線12PN結(jié)電學(xué)特性

具有單向?qū)щ娦裕凑蛲饧与妷鹤饔孟?，電流呈指?shù)規(guī)律急劇增加；在反向電壓作用下，最多只有一個(gè)很小的反向電流流通。132.3.3肖特基結(jié)二極管圖2.5

金屬與半導(dǎo)體接觸

加反向電壓時(shí)，金屬到半導(dǎo)體的電子流占優(yōu)勢(shì)，形成從半導(dǎo)體到金屬的反向電流。當(dāng)反向電壓提高，由于從金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的，反向電流將趨于飽和?？梢?，阻擋層具有類似于PN結(jié)的伏安特性。

金屬與半導(dǎo)體在交界處形成阻擋層。以N型半導(dǎo)體為例，當(dāng)在金屬端外加正電壓時(shí)，形成一股從金屬到半導(dǎo)體的正向電流，該電流是由N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子構(gòu)成的。14基于GaAs和InP的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于肖特基結(jié)。因此，它們的等效電路中通常至少包含柵-源和柵-漏兩個(gè)肖特基結(jié)二極管。152.3.4歐姆型接觸在半導(dǎo)體器件與集成電路制造過程中，半導(dǎo)體元器件引出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是一種金屬-半導(dǎo)體結(jié)。但是我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性，也就是說，這些結(jié)應(yīng)當(dāng)是歐姆型接觸，或者說，這里不應(yīng)存在阻擋載流子運(yùn)動(dòng)的“結(jié)”。工程中，這種歐