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  • 学习笔记(4):《微电子器件》陈星粥(第四版)第2章 PN结2.1PN结的平衡状态 PN结:指一块半导体单晶,其中一部分是P型区,其余部分是N型区。 冶金结面:P型区和N型区的交接界面。 单边突变结::当突变结中某一侧...

    PN结: 指一块半导体单晶,其中一部分是P型区,其余部分是N型区。
    冶金结面: P型区和N型区的交接界面。

    在这里插入图片描述
    单边突变结: 当突变结中某一侧的掺杂浓度远大于另一侧时,称为单边突变结。对于 N A ≫ N D 和 N A ≪ N D N_{A} \gg N_{D}和N_{A} \ll N_{D} NANDNAND这两种情况,分别称为 P + N P^{+}N P+N单边突变结 和 P N + 和PN^{+} PN+单边突变结。
    一般相差 1 0 2 10^2 102数量级可理解为突变结。

    线性缓变结: 冶金结面两侧的杂质浓度随距离作线性变化,杂质浓度梯度 a a a 为常数。 a = d ( N D − N A ) d x a=\frac{d(N_{D}-N_{A})}{dx} a=dxd(NDNA)

    2.1PN结的平衡状态

    定义:指PN结内温度均匀、稳定,没有外加电压、外加磁场、光照核辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的状态。

    这本书涉及的平衡状态基本由是否外加电压影响。

    2.1.1 空间电荷区的形成

    在这里插入图片描述

    • N A − N_{A}^- NA:带负电的受主杂质离子浓度,3价元素。
    • p p 0 p_{p0} pp0 P P P区平衡状态下,空穴的浓度。(记法为从左到右依次: 物质名称→下标:表示区域 →下标 :状态;例如 p p 0 p_{p0} pp0:从左到右依次含义为:空穴 P P P区 平衡状态)
    • n p 0 n_{p0} np0 P P P区平衡状态下,电子的浓度。
    • N D + N_{D}^+ ND+:带正电的施主杂质离子浓度,5价元素。
    • n n 0 n_{n0} nn0 N N N区平衡状态下,电子的浓度。
    • p n 0 p_{n0} pn0 N N N区平衡状态下,空穴的浓度。
    • n i n_i ni:本征激发载流子浓度。
    • 下角标“0”:代表平衡状态

    (非常重要)整个过程:

    平 衡 多 子 = { P 区 : p p 0 = N A ≫ n i N 区 : n n 0 = N D ≫ n i 平衡多子=\left\{ \begin{aligned} P区:p_{p0}=N_{A} \gg n_{i}\\ N区:n_{n0}=N_{D} \gg n_{i} \end{aligned} \right. ={Ppp0=NAniNnn0=NDni

    利用 n 0 p 0 = n i 2 n_{0}p_{0}=n_{i}^2 n0p0=ni2(质量作用定律,半导体物理中可查),可得
    f ( x ) = { P 区 : n p 0 = n i 2 p p 0 = n i 2 N A ≪ n i N 区 : p n 0 = n i 2 n n 0 = n i 2 N D ≪ n i f(x)=\left\{ \begin{aligned} P区:n_{p0}=\frac{n_{i}^2}{p_{p0}} =\frac{n_{i}^2}{N_{A}} \ll n_{i}\\ N区:p_{n0}=\frac{n_{i}^2}{n_{n0}}=\frac{n_{i}^2}{N_{D}} \ll n_{i} \end{aligned} \right. f(x)=Pnp0=pp0ni2=NAni2niNpn0=nn0ni2=NDni2ni
    *(为什么 n i 2 N A ≪ n i \frac{n_{i}^2}{N_{A}} \ll n_{i} NAni2ni n i 2 N D ≪ n i \frac{n_{i}^2}{N_{D}} \ll n_{i} NDni2ni,因为 n i n_i ni一般浓度为 1.5 × 1 0 10 1.5 \times 10^{10} 1.5×1010,掺杂浓度一般为 1 × 1 0 15 1 \times 10^{15} 1×1015,经过简单的估算即可理解)
    可见:
    { p p 0 ≫ n i ≫ p n 0 n n 0 ≫ n i ≫ n p 0 \left\{ \begin{aligned} p_{p0}\gg n_{i}\gg p_{n0} \\ n_{n0}\gg n_{i}\gg n_{p0} \end{aligned} \right. {pp0nipn0nn0ninp0

    表示 P P P区空穴浓度大于 N N N区, N N N区电子浓度大于 P P P区。

    因为有浓度差,所以载流子由浓度高向浓度低的一侧转移。

    则发生漂移运动
    { 空 穴 : P → N , 空 穴 带 正 电 , 扩 散 电 流 方 向 : P → N 。 电 子 : N → P , 电 子 带 负 电 , 扩 散 电 流 方 向 : P → N 。 \left\{ \begin{aligned} 空穴:P→N,空穴带正电,扩散电流方向:P→N。 \\ 电子:N→P,电子带负电,扩散电流方向:P→N。 \end{aligned} \right. {PNPNNPPN

    浓度差存在会引起扩散电流,方向为由 P P P 区指向 N N N 区。

    P P P 区留下 N A − N_{A}^{-} NA N N N区留下 N D + N_{D}^{+} ND+,形成空间电荷区。

    空间电荷区产生的电场称为 内建电场,方向为由 N N N区指向 P P P 区。

    { 空 穴 : 空 穴 带 正 电 , 受 电 场 方 向 N → P , 漂 移 电 流 方 向 : N → P 。 电 子 : 电 子 带 负 电 , 受 电 场 方 向 P → N , 漂 移 电 流 方 向 : N → P 。 \left\{ \begin{aligned} 空穴:空穴带正电,受电场方向N→P,漂移电流方向:N→P。 \\ 电子:电子带负电,受电场方向P→N,漂移电流方向:N→P。 \end{aligned} \right. {NPNPPNNP
    电场的存在会引起漂移电流,方向为由 N N N 区指向 P P P 区。

    达到平衡时,净电流 = 0 。于是就形成一个稳定的有一定宽度的空间电荷区。
    注意一下,此时的平衡为多子扩散和少子漂移的平衡。

    2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度

    1. 耗尽近似与中性近似

    耗尽近似: 假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉,即完全耗尽,空间电荷完全由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。
    中性近似: 假设耗尽区以外多子浓度等于电离杂质浓度 ,因而保持电中性。这时这部分区域又可称为“中性区”。

    在这里插入图片描述

    2. 内建电场

    由泊松方程可以得到(证明略):
    { N 区 耗 尽 区 : E ⃗ ( x ⃗ ) = q ε s ( x ⃗ − x ⃗ n ) N D P 区 耗 尽 区 : E ⃗ ( x ⃗ ) = q ε s ( x ⃗ + x ⃗ p ) N A \left\{ \begin{aligned} N区耗尽区:\vec E(\vec x)= \frac{q}{\varepsilon_s}(\vec x-\vec x_n)N_D \\ P区耗尽区:\vec E(\vec x)= \frac{q}{\varepsilon_s}(\vec x+\vec x_p)N_A \end{aligned} \right. NE x =εsq(x x n)NDPE x =εsq(x +x p)NA

    • x ⃗ p \vec x_p x p P P P区耗尽层宽度。
    • x ⃗ n \vec x_n x n N N N区耗尽层宽度。
    • ε s \varepsilon_s εs:半导体电容率
      在这里插入图片描述

    可以看出,载流子浓度决定斜率,浓度不变斜率不变。

    ∣ E ( x ) ∣ \vert E(x)\vert E(x)是为纵坐标了方便看,没啥特殊意义。

    3. 耗尽区宽度

    由上面的电场强度表达式可以得到 x n 、 x p x_n、x_{p} xnxp,设耗尽区宽度为 x d x_{d} xd,则:
    x n = ε s q N D ∣ E ∣ m a x x p = ε s q N A ∣ E ∣ m a x x d = x n + x p = ε s q ⋅ N A + N D N A N D ∣ E ∣ m a x = ε s q N 0 ∣ E ∣ m a x x_n=\frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}\\ x_p=\frac{\varepsilon_s}{qN_A}\vert E\vert_{max} \\ x_d=x_n + x_{p}= \frac{\varepsilon_s}{q} \cdot \frac{N_A+N_D}{N_AN_D}\vert E\vert_{max}= \frac{\varepsilon_s}{qN_0}\vert E\vert_{max} xn=qNDεsEmaxxp=qNAεsEmaxxd=xn+xp=qεsNANDNA+NDEmax=qN0εsEmax

    • N 0 N_0 N0约化浓度 N 0 = N A N D N A + N D N_0=\frac{N_AN_D}{N_A+N_D} N0=NA+NDNAND

    可以看出,掺杂浓度越高,耗尽区越窄。

    4. 内建电势

    对内建立电场求积分可得内建电势,可以用数学方法也可以用图像法。数学方法用牛顿莱布尼兹公式,图像法是求电场的三角形面积。

    积分得:
    V b i = ε s 2 q N 0 ∣ E ∣ m a x 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ① V_{bi}=\frac{\varepsilon_s}{2qN_0} \vert E \vert_{max}^2 \cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot ① Vbi=2qN0εsEmax2
    然而,有四个未知量 V b i 、 x n 、 x p 、 ∣ E ∣ m a x V_{bi}、x_n、x_p、\vert E \vert{max} VbixnxpEmax,一个方程解一个未知量,上面有了一个方程,所以还得3个方程。由前面已知:

    { x n = ε s q N D ∣ E ∣ m a x ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ② x p = ε s q N A ∣ E ∣ m a x ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ③ \left\{ \begin{aligned} x_n = \frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot②\\ x_p = \frac{\varepsilon_s}{qN_A}\vert E\vert_{max}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot③ \end{aligned} \right. xn=qNDεsEmaxxp=qNAεsEmax
    还差一个方程,已知在平衡 P N PN PN结中,净的空穴电流和净的电子电流均为0,则有:
    J p = q μ p p E − q D P d p d x = 0 J_p=q\mu_ppE-qD_P \frac{dp}{dx}=0 Jp=qμppEqDPdxdp=0
    积分得:
    E ( x ) = D p μ p ⋅ 1 p ⋅ d p d x = k T q ⋅ d l n p d x E(x)=\frac{D_p}{\mu_p}\cdot\frac{1}{p}\cdot\frac{dp}{dx}= \frac{kT}{q} \cdot \frac{dlnp}{dx} E(x)=μpDpp1dxdp=qkTdxdlnp
    (爱因斯坦关系: D p μ p = k T q \frac{D_p}{\mu_p}=\frac{kT}{q} μpDp=qkT k k k代表玻尔兹曼常数, T T T代表热力学温度。)
    V b i = k T q l n p p 0 p n 0 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ④ V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{p_{p0}}{p_{n0}}\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot\cdot④ Vbi=qkTlnpn0pp0
    联立①②③④,得 V b i V_{bi} Vbi
    V b i = k T q l n N A N D n i 2 V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{N_AN_D}{n_i^2} Vbi=qkTlnni2NAND

    由该式子可以得到 V b i V_{bi} Vbi N D 、 N A 、 n i N_D、N_A、n_i NDNAni有关。

    • n i n_i ni由禁带宽度( E g E_g Eg)决定, E g E_g Eg越宽 n i n_i ni越小。
    • P N PN PN结的 V b i V_{bi} Vbi一般在0.8V左右,锗 P N PN PN结的 V b i V_{bi} Vbi一般在0.35V左右。

    一般解题思路:
    先求 V b i V_{bi} Vbi ∣ E ∣ m a x \vert E \vert{max} Emax x n 、 x p x_n、x_p xnxp x d x_d xd

    5. 单边突变结的情形

    对于 P + N P^+N P+N单边突变结:
    ∵ N A ≫ N D , N 0 = N A N D N A + N D ≈ N A N D N A ≈ N D \because N_A \gg N_D,N_0=\frac{N_AN_D}{N_A+N_D} \approx\frac{N_AN_D}{N_A} \approx N_D NAND,N0=NA+NDNANDNANANDND
    ∴ x d ≈ x n ≈ ε s q N D ∣ E ∣ m a x , ∣ E ∣ m a x = ( 2 q N D ε s V b i ) \therefore x_d\approx x_n \approx \frac{\varepsilon_s}{qN_D}\vert E\vert_{max}, \vert E\vert_{max}=(\frac{2qN_D}{\varepsilon_s}V_{bi}) xdxnqNDεsEmax,Emax=(εs2qNDVbi)
    在这里插入图片描述
    对于 P N + PN^+ PN+单边突变结:
    ∵ N D ≫ N A , N 0 ≈ N A \because N_D \gg N_A,N_0 \approx N_A NDNA,N0NA
    ∴ x d ≈ x p ≈ ε s q N A ∣ E ∣ m a x , ∣ E ∣ m a x = ( 2 q N A ε s V b i ) \therefore x_d\approx x_p \approx \frac{\varepsilon_s}{qN_A}\vert E\vert_{max}, \vert E\vert_{max}=(\frac{2qN_A}{\varepsilon_s}V_{bi}) xdxpqNAεsEmax,Emax=(εs2qNAVbi)
    对
    可见,耗尽区主要分布在低掺杂的一侧,耗尽区宽度与电场强度也主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度。

    2.1.3 能带图

    1.能带图

    已知突变结耗尽区内的电场分布 E ( x ) E(x) E(x) 后 ,对 E ( x ) E(x) E(x)作一次积分就可以求出耗尽区内的 电位分布 Ψ ( x ) \Psi(x) Ψ(x) 以及电子的电位能 − q Ψ ( x ) -q\Psi(x) qΨ(x) 分布。
    在平衡状态下 P N PN PN 结能带图中的费米能级 E F E_F EF 是水平的 ,而耗尽区中的导带底 E C E_C EC、价带顶 E V E_V EV 与本征费米能级 E i E_i Ei 则均与电子电位能分布 − q Ψ ( x ) -q\Psi(x) qΨ(x)有相同的形状,因此平衡 P N PN PN 结的能带图如下图所示。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在能带图中,对空穴而言,越向下其电位能越高;对电子而言,越向下电位能越低。

    2. 载流子的浓度分布

    根据半导体物理知识(记住就行),在非简并条件下,载流子浓度虽随能量的分布遵守玻尔兹曼分布,表示为:

    { n = n i e x p ( − E i − E F k T ) p = n i e x p ( − E F − E i k T ) \left\{ \begin{aligned} n=n_i exp(-\frac{E_i-E_F}{kT}) \\ p=n_i exp(-\frac{E_F-E_i}{kT}) \end{aligned} \right. n=niexp(kTEiEF)p=niexp(kTEFEi)
    根据能带图:
    E i ( x ) = E i ( x n ) − q Ψ ( x ) E_i(x)=E_i(x_n)-q\Psi(x) Ei(x)=Ei(xn)qΨ(x)

    • E i ( x n ) E_i(x_n) Ei(xn) N N N区边界处的本征费米能级,等于 N N N区中性区的。

    对电子可得:
    n ( x ) = n i e x p ( − E i − E F k T ) = n i e x p ( − E i ( x n ) − q Ψ ( x ) − E F k T ) = n i e x p [ − E i ( x n ) − E F k T ] e x p [ q Ψ ( x ) k T ] = n n 0 e x p [ q Ψ ( x ) k T ] \begin{aligned} n(x) & =n_iexp(-\frac{E_i-E_F}{kT})\\ & =n_iexp(-\frac{E_i(x_n)-q\Psi(x)-E_F}{kT})\\ & = n_iexp[-\frac{E_i(x_n)-E_F}{kT}]exp[\frac{q\Psi(x)}{kT}]\\ & = n_{n0}exp[\frac{q\Psi(x)}{kT}] \end{aligned} n(x)=niexp(kTEiEF)=niexp(kTEi(xn)qΨ(x)EF)=niexp[kTEi(xn)EF]exp[kTqΨ(x)]=nn0exp[kTqΨ(x)]

    同理,对空穴可得:
    p ( x ) = n i e x p ( − E F − E i ( x n ) + q Ψ ( x ) k T ) = n i e x p ( − E F − E i ( x n ) − q V b i + q V b i + q Ψ ( x ) k T ) = n i e x p [ − E F − E i ( − x p ) k T ] e x p [ − q Ψ ( x ) + q V b i k T ] = p p 0 e x p [ − q Ψ ( x ) + q V b i k T ] \begin{aligned} p(x) & =n_iexp(-\frac{E_F-E_i(x_n)+q\Psi(x)}{kT})\\ & =n_iexp(-\frac{E_F-E_i(x_n)-qV_{bi}+qV_{bi}+q\Psi(x)}{kT})\\ & =n_iexp[-\frac{E_F-E_i(-x_p)}{kT}]exp[-\frac{q\Psi(x)+qV_{bi}}{kT}]\\ & =p_{p0}exp[-\frac{q\Psi(x)+qV_{bi}}{kT}] \end{aligned} p(x)=niexp(kTEFEi(xn)+qΨ(x))=niexp(kTEFEi(xn)qVbi+qVbi+qΨ(x))=niexp[kTEFEi(xp)]exp[kTqΨ(x)+qVbi]=pp0exp[kTqΨ(x)+qVbi]

    结合 V b i V_{bi} Vbi表达式,得到结定律边界条件:
    { x = − x p 处 , Ψ ( x ) = − V b i , n ( − x p ) = n n 0 e x p [ − V b i k T ] , p ( − x p ) = p p 0 x = x n 处 , Ψ ( x ) = 0 , n ( x n ) = n n 0 , p ( x n ) = p p 0 e x p [ − V b i k T ] \left\{ \begin{aligned} x & =-x_p处,\Psi(x)=-V_{bi},n(-x_p)= n_{n0}exp[-\frac{V_{bi}}{kT}],p(-x_p)=p_{p0} \\ x&=x_n处,\Psi(x)=0,n(x_n)= n_{n0},p(x_n)=p_{p0}exp[-\frac{V_{bi}}{kT}] \end{aligned} \right. xx=xpΨ(x)=Vbin(xp)=nn0exp[kTVbi]p(xp)=pp0=xnΨ(x)=0n(xn)=nn0p(xn)=pp0exp[kTVbi]

    这里不是特别重要,主要后面要用到结定律。

    2.1.4 线性缓变结

    线性缓变结中: N ( x ) = N D − N A = a x N(x)=N_D-N_A=ax N(x)=NDNA=ax
    在这里插入图片描述
    由泊松方程可得: d E d x = q ε s ( N D − N A ) = q a x x \frac{dE}{dx}=\frac{q}{\varepsilon_s}(N_D-N_A)=\frac{qa}{x}x dxdE=εsq(NDNA)=xqax

    积分可得: ∣ E ∣ = ∣ E ∣ m a x ⋅ [ 1 − ( 2 x x d ) 2 ] \vert E \vert=\vert E \vert_{max}\cdot[1-(\frac{2x}{x_d})^2] E=Emax[1(xd2x)2]

    边界条件为: E ( − x d 2 ) = E ( x d 2 ) = 0 E(-\frac{x_d}{2})=E(\frac{x_d}{2})=0 E(2xd)=E(2xd)=0

    由上述条件可得: ∣ E ∣ m a x = a q x d 2 8 ε s \vert E \vert_{max}=\frac{aqx_d^2}{8\varepsilon_s} Emax=8εsaqxd2

    在这里插入图片描述

    内建电势由对 ∣ E ∣ \vert E \vert E积分可得:
    V b i = ∫ − x d 2 x d 2 ∣ E ∣ d x = 2 3 ∣ E ∣ m a x x d x d = ( 12 ε s V b i a q ) 1 3 ∣ E ∣ m a x = 1 8 ( a q ε s ) 1 3 ( 12 V b i ) 2 3 V_{bi}=\int_{-\frac{x_d}{2}}^{\frac{x_d}{2}} \vert E \vert dx=\frac{2}{3}\vert E \vert_{max}x_d \\ x_d=(\frac{12\varepsilon_sV_{bi}}{aq})^{\frac{1}{3}}\\ \vert E \vert_{max}=\frac{1}{8}(\frac{aq}{\varepsilon_s})^{\frac{1}{3}}(12V_{bi})^{\frac{2}{3}} Vbi=2xd2xdEdx=32Emaxxdxd=(aq12εsVbi)31Emax=81(εsaq)31(12Vbi)32

    在线性缓变结中, N A 和 N D N_A和N_D NAND分别为耗尽区边界杂质浓度,即:
    N ( − x d 2 ) = N ( x d 2 ) = a x d 2 N(-\frac{x_d}{2})=N(\frac{x_d}{2})=\frac{ax_d}{2} N(2xd)=N(2xd)=2axd

    所以 V b i = k T q l n N A N D n i 2 = k T q l n ( a x d 2 n i ) 2 V_{bi}=\frac{kT}{q}ln\frac{N_AN_D}{n_i^2}=\frac{kT}{q}ln(\frac{ax_d}{2n_i})^2 Vbi=qkTlnni2NAND=qkTln(2niaxd)2

    以上关于平衡 P N PN PN结的各公式,都可推广到有外加电压时的情形 。 如果设外加电压全部降落在耗尽区上,则只需将各公式中的 V b i V_{bi} Vbi ( V b i − V ) (V_{bi}-V) (VbiV)代替即可。注意外加电压的参考极性与 V b i V_{bi} Vbi 相反。

    2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性

    以上在求解泊松方程时采用了耗尽近似和中性近似。实际上载流子在所谓的耗尽区内并未严格耗尽,这从 n ( x ) n(x) n(x) p ( x ) p(x) p(x)的表达式也可看出来。载流子浓度在耗尽区和中性区的边界附近也是逐渐过渡的,在中性区中靠近耗尽区的地方,载流子浓度已开始减少。然而严格的计算表明,精确结果与采用耗尽近似所得到的结果是相当接近的,采用耗尽近似不致引入太大的误差,但却可使计算大为简化。所以耗尽近似在分析半导体器件时得到了广泛的应用。

    此内容为非考试内容,了解即可。

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  • 选用半导体作为微电子领域的主要材料的原因2. 能带理论3. 费米分布与玻尔兹曼分布4. 本征半导体 (intrinsic semiconductor) 的分析5.杂质半导体的分析6.半导体中的电流7. 半导体方程 第二章 集成器件物理基础 2.1 ...

    第二章 集成器件物理基础


    2.1 理论基础

    1. 选用半导体作为微电子领域的主要材料的原因

    • 宏观原因:

      • 在其中加入微量的其它元素可以显著改变半导体的导电能力。
      • 在温度、光照、压力等外界因素的影响下,半导体的材料特性会发生很大变化。
    • 微观原因:

      • 禁带宽度较低,同时存在电子空穴两种载流子。相比之下绝缘体的禁带宽度高,金属没有禁带。

    2. 能带理论

    根据量子力学原理,原子中的每个能级 (与所在层数n相关) 都会产生分裂,形成一系列的能带,即把原子在第n层分裂后的能级集合看作是第n个能带。由于同一能带之间能量间隔很小,所以将能带看作是连续的。
    价带:最外层价电子能级对应的能带。
    导带:即价带上面的没有电子的空能带,价带的电子跃迁到导带后可以参与导电。
    禁带:导带与价带之间的带隙。禁带宽度记为 Eg能带模型
    位于价带的电子受激跃迁到导带,在价带中产生空穴,价带中的空穴和导带中的电子参与导电。
    禁带宽度越小,电子跃迁概率越大,空穴和导带电子越多,导电性越强,据此可以按照禁带宽度将材料分为绝缘体 ( E g > 4 e V E_g>4eV Eg>4eV),半导体 ( 0 < E g < 4 e V 0<E_g<4eV 0<Eg<4eV),导体 ( E g < 0 E_g<0 Eg<0,,即不存在禁带)。

    3. 费米分布与玻尔兹曼分布

    根据统计物理,晶体中的电子按能量分布的规律服从费米分布,能量为 E E E的能态被电子占据的概率为:

    f ( E ) = 1 1 + e ( E − E F ) / k T (2.1) \tag{2.1} f(E) = \frac{1}{1+e^{(E-E_F)/kT}} f(E)=1+e(EEF)/kT1(2.1)

    f ( E ) f(E) f(E): 能量为 E E E的能态被电子占据的概率;
    E F E_F EF: 费米能级,能量等于 E F E_F EF的能态上被电子占据的概率是 1/2;
    E E E: 该能态的能量;
    k k k: 玻尔兹曼常数 (Boltzmann constant);
    T T T: 热力学温度;

    E − E F > 4 k T E-E_F>4kT EEF>4kT时, e ( E − E F ) / k T ≫ 1 e^{(E-E_F)/kT} \gg 1 e(EEF)/kT1,费米分布简化为:

    f ( E ) = e − ( E − E F ) / k T (2.2) \tag{2.2} f(E) = e^{-(E-E_F)/kT} f(E)=e(EEF)/kT(2.2)
    玻尔兹曼分布,可以看出当能量较大时,随着能量的上升, f ( E ) f(E) f(E)指数型下降。

    4. 本征半导体 (intrinsic semiconductor) 的分析

    根据半导体中是否含有杂质可以将半导体分为本征半导体和杂质半导体。
    本征半导体达到平衡时,载流子浓度满足:

    n i = p i = A T 3 / 2 ⋅ e − E g / 2 k T (2.3) \tag{2.3} n_i=p_i=AT^{3/2} \cdot e^{-E_g/2kT} ni=pi=AT3/2eEg/2kT(2.3)

    n i n_i ni: 平衡时自由电子浓度,自由电子带负电 (negetive),用 n n n表示, i i i表示本征 (intrinsic);
    p i p_i pi: 平衡时空穴浓度,空穴带正电 (positive),用 p p p表示;
    A A A: 与材料类型有关的常数,对于 Si, A = 3.87 × 1 0 16 A = 3.87\times10^{16} A=3.87×1016;
    E g E_g Eg: 禁带宽度;

    容易看出随着温度升高,载流子浓度指数性增大,导电性变强。

    5.杂质半导体的分析

    根据掺杂的杂质类型可以分为 n型半导体 和 p型半导体

    • n型半导体
      一般掺杂的杂质为Ⅴ价元素,第5个价电子不在共价键上,容易跃迁到导带,提供带负电的电子载流子,称为施主杂质或n型杂质。
    • p型半导体
      一般掺杂的杂质为Ⅲ价元素,外层只有3个价电子,第四个共价键上出现一个空位,相当于提供带正电的空穴载流子,称为受主杂质或p型杂质。

    大部分杂质半导体一般同时包含两类杂质,半导体的类型取决于杂质浓度的强弱。
    杂质提供载流子后本身成为带电原子,但是该原子位置被共价键所固定,无法参与导电,但是会使半导体整体呈电中性。

    ※ 质量作用定律
    热平衡时,半导体中的电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征载流子浓度的平方,结合式 (2.3) 可知乘积只与温度相关。

    n 0 ⋅ p 0 = A 2 T 3 e − E g / k T (2.4) \tag{2.4} n_0 \cdot p_0 = A^2T^3e^{-E_g/kT} n0p0=A2T3eEg/kT(2.4)

    n 0 n_0 n0: 热平衡时的自由电子浓度;
    p 0 p_0 p0: 热平衡时的空穴浓度;
    n i n_i ni: 该材料不掺杂时的本征载流子浓度,符合式 (2.3);

    ※ 电中性条件
    总的正电荷数目等于负电荷数目

    N D + p 0 = N A + n 0 (2.5) \tag{2.5} N_D + p_0 = N_A + n_0 ND+p0=NA+n0(2.5)

    N D N_D ND: 掺杂的施主 (Donor) 杂质浓度,认为每个施主杂质提供一个自由电子;
    N A N_A NA: 掺杂的受主 (Acceptor) 杂质浓度,认为每个受主杂质提供一个空穴;
    p 0 p_0 p0: 空穴浓度;
    n 0 n_0 n0: 自由电子浓度;

    ※ 载流子浓度计算的一般公式
    平衡状态下载流子浓度和半导体费米能级的关系如下:

    n 0 = n i ⋅ e x p ( E F − E i k T ) p 0 = p i ⋅ e x p ( E i − E F k T ) (2.6) \tag{2.6} \begin{alignedat}{2} n_0 = n_i \cdot exp(\frac{E_F-E_i}{kT}) \\ p_0 = p_i \cdot exp(\frac{E_i-E_F}{kT}) \end{alignedat} n0=niexp(kTEFEi)p0=piexp(kTEiEF)(2.6)

    E i E_i Ei: 禁带中心对应的能量;
    E F E_F EF: 费米能级;
    p 0 p_0 p0: 平衡状态下空穴浓度;
    n 0 n_0 n0: 平衡状态下自由电子浓度;

    掺杂改变了费米能级
    当无掺杂时, E F = E i E_F=E_i EF=Ei
    p型掺杂时,空穴浓度增加,加将与导带电子的复合,导带电子减少,费米能级下移, E F < E i E_F<E_i EF<Ei
    n型掺杂时,自由浓度增加,导电电子增加,费米能级上移, E F < E i E_F<E_i EF<Ei

    6.半导体中的电流

    漂移电流
    带电粒子在电场作用下的平均漂移速度为

    v ˉ = μ E \bar{v} = \mu E vˉ=μE

    μ \mu μ: 载流子的迁移率,电子和空穴的迁移率不同,与材料相关。
    需要注意由于电子与原子核的碰撞,存在饱和漂移速度

    由于漂移产生的电流为:

    I = A q ( μ n n + μ p p ) E I = Aq(\mu_n n + \mu_p p)E I=Aq(μnn+μpp)E

    A A A: 材料的横截面积;
    q q q: 单个载流子的电荷量;
    μ n \mu_n μn: 材料中自由电子的迁移率;
    μ p \mu_p μp: 材料中空穴的迁移率;
    n n n: 自由电子浓度;
    p p p: 空穴浓度;

    扩散电流
    由于载流子分布不均匀(存在梯度)产生的扩散运动,从而产生扩散电流:

    I = A q ( D n d n ( x ) d x − D p d p ( x ) d x ) I = Aq(D_n \frac{dn(x)}{dx} - D_p \frac{dp(x)}{dx}) I=Aq(Dndxdn(x)Dpdxdp(x))

    A A A: 材料的横截面积;;
    D n 、 D p D_n、D_p DnDp: 自由电子、空穴的扩散系数;
    d n ( x ) d x 、 d p ( x ) d x \frac{dn(x)}{dx}、\frac{dp(x)}{dx} dxdn(x)dxdp(x): 自由电子,空穴的浓度梯度;

    7. 半导体方程

    • 连续性方程(一维情况)
      单位时间内载流子的增加率等于 流进该处的绝对载流子流 与 该处载流子的净产生率 之和。

    ∂ p ( x , t ) ∂ t = − 1 q ⋅ J p x + G p ∂ n ( x , t ) ∂ t = 1 q ⋅ J n x + G n (2.7) \tag{2.7} \begin{alignedat}{2} \frac{\partial p(x,t)}{\partial t} = -\frac{1}{q} \cdot \frac{J_p}{x} + G_p \\ \frac{\partial n(x,t)}{\partial t} = \frac{1}{q} \cdot \frac{J_n}{x} + G_n \end{alignedat} tp(x,t)=q1xJp+Gptn(x,t)=q1xJn+Gn(2.7)

    • 电流密度方程(一维情况)

    I n = A [ q n ( x ) μ n E + q D n d n ( x ) d x ] I p = A [ q p ( x ) μ p E − q D p d p ( x ) d x ] (2.8) \tag{2.8} \begin{alignedat}{2} I_n = A[qn(x)\mu_n E + qD_n \frac{dn(x)}{dx}] \\ I_p = A[qp(x)\mu_p E - qD_p \frac{dp(x)}{dx}] \end{alignedat} In=A[qn(x)μnE+qDndxdn(x)]Ip=A[qp(x)μpEqDpdxdp(x)](2.8)

    • 泊松方程
      任一闭合曲面的电通量与该闭合曲面所包围电荷满足:

    d 2 V ( x ) d x 2 = − ρ ( x ) ϵ \frac{d^2 V(x)}{dx^2} = - \frac{\rho(x)}{\epsilon} dx2d2V(x)=ϵρ(x)

    V ( x ) V(x) V(x): 半导体中的电势;
    ρ ( x ) \rho(x) ρ(x): 电荷密度;
    ϵ \epsilon ϵ: 介电常数;

    参考书目:郝跃 贾新章等, 微电子概论(第2版), 电子工业出版社, 2011

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  • 针对传统光学元件在红外波段色差校正方面存在系统结构复杂、光能损失严重、质量大等问题,以红外...利用平行光位置色差测试原理测得两个红外波位置色差减小到30%,从而验证了槽栅型结构器件对红外色差的校正作用
  •   在高频条件下,电阻器变为一个直流电阻(RO)与分布电感串联,然后再与分布电容并联的等效电路,非线绕电阻器的LR =0.01 ~0.05亨,CR =0.1 ~5皮法,线绕电阻器的IR达几十亨,CR达几十皮法,即使是无感绕法的线绕电阻...

    说明:
      本文章旨在总结备份、方便以后查询,由于是个人总结,如有不对,欢迎指正;另外,内容大部分来自网络、书籍、和各类手册,如若侵权请告知,马上删帖致歉。
      QQ 群 号:513683159 【相互学习】
      

    简述:

      电阻器通常叫做电阻,是导体的一种基本性质,与导体的尺寸、材料、温度有关。
      电阻在电路中一般用“R”表示,英文名resistance。
      1️⃣特性
        ①不分直流或交流,阻隔电流(耗能发热),让电流减小。
        ②串联电阻,阻值变大,电流处处相等。
        ③并联电阻,阻值变小,电压处处相等。
        ④损坏则阻值无限大(断路)
        ⑤根据欧姆定律:I=U/R,电阻越大电流越小。
      2️⃣作用
        ①用于稳定调节电路中电流和电
        ②分流器分压器负载使用。

    电阻的分类:

      1️⃣结构
        固定式电阻:电阻值是固定不变的,阻值大小就是它的标称阻值。
        可变电阻器(电位器):电阻值的大小可以人为调节,标称值为最大的电阻阻值。
        特种电阻器:与普通电阻不一样的特别电阻
          如:热敏电阻、压敏电阻、热敏电阻、保险电阻等。
      2️⃣按材料和工艺的不同固定式电阻器):
        膜式电阻(碳膜RT、金属膜RJ、合成膜RH和氧化膜RY)
        实芯电阻(有机RS、无机RN)
        金属线绕电阻(RX)
        特殊电阻(MG型光敏电阻和MF型热敏电阻)
      3️⃣标称功率(最高工作电压)
        1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W等。

    常用类型 特点 应用
    贴片电阻 体积小,功率低。 手机,平板
    水泥电阻 体积大,功率高 空调,电动机,测试负载。
    限制电流冲击。
    可调电阻 电阻值可调 伺服电机,发电机测试负载。
    电源分压调节时使用
    排阻 多个电阻合成,体积小。 手机,平板。信号线
    热敏电阻 电阻值随温度变化。
    自恢复保险丝、温度测量
    手机,平板。国六保护和温度检测
    压敏电阻 电阻值随电压变化 手机,平板,浪涌脉冲保护

    图片置于文末

    参数识别

    1.额定功率

      在规定的环境温度和湿度下,假定周围空气不流通,且长期连续负载而不损坏或基本不改变性能,电阻器上允许消耗的最大功率即为额定功率
      为保证安全使用,电阻器的额定功率一般比在电路中消耗的实际功率高1~2倍
    额定功率分19个等级,常用的有0.05W、0.125W,0.25W,0.5W 1W,2W,3W,5W ,7W、10W。电路图中非线绕电阻器的符号表示:
    在这里插入图片描述

    2.标称阻值

      电阻上标识的阻值就是电阻的标称阻值,如表1-2所示。电阻的标称阻值,往往和它的实际阻值不完全相符。有的实际阻值大一些,有的实际阻值小一些。电阻的实际阻值和标称阻值的偏差,除以标称阻值所得的百分数,叫做电阻的误差。表1-3是常用电阻允许误差的等级。
      电阻阻值单位为:欧姆(Ω),倍率单位有千欧(kΩ),兆欧(MΩ)等,换算关系是:1MΩ =1000kΩ = 1000000Ω。
    标称阻值都应符合表1 -2所列数值乘以 1 0 N 10^N 10NΩ,其中N为正整数。
    在这里插入图片描述

    3.允许误差

      电阻器和电位器实际阻值对于标称阻值的最大允许偏差范围即为允许误差,它表示产品的精度,国家规定出一系列的阻值允许误差作为产品的标准。不同误差等级的电阻有不同数目的标称值。误差越小的电阻,标称值越多。常用电阻允许误差的等级如表1-3所示。
    在这里插入图片描述

    4.标识方法

      电阻的阻值参数标注方法有3种,即直标法色标法数标法
      直标法是将电阻值直接用文字标识在电阻体上,允许误差用百分比表示;
      数标法主要用于贴片等小体积的电路,例如阻值472表示为47×100Ω(即4.7kΩ);
      色环标注法使用最多,色环所代表的意义如表1-4所示。普通电阻器用四色环标注,精密电阻则用五色环标注。紧靠电阻体一端头的色环为第一环,露着电阻体本色较多的另一端则为末端,如图1-3-所示。
    在这里插入图片描述
    举例:
      四色环电阻,:碳质电阻,色环顺序为红(2)、紫(7)、黄(4/倍数)、银(10%),这个电阻的阻值则为270000Ω,误差为±10%
      五色环电阻(精密度电阻器):色环顺序为棕(1)、紫(7)、绿(5)、金(0.1)、紫(1%)则电阻的阻值为17.5,误差为±1%

    5.最高工作电压

    最高工作电压即指电阻器长期工作不发生过热或电击穿损坏时的电压。如果电压超过规定值,电阻器内部产生火花,引起噪声,甚至损坏。表1-5是碳膜电阻的最高工作电压。
    在这里插入图片描述

    6.其他参数

      稳定性则是衡量电阻器在外界条件(温度、湿度、电压、时间、负荷性质等)作用下电阻值变化的程度
      噪声电动势在一般电路中可以不考虑,但在弱信号系统中不可忽视。
      线绕电阻器的噪声只取决于热噪声(分子扰动引起),仅与阻值、温度和外界电压的频带有关。薄膜电阻除了热噪声外,还有电流噪声,这种噪声近似地与外加电压成正比。
      高频特性是指在高频条件下,要考虑固有电感和固有电容对阻值的影响
      在高频条件下,电阻器变为一个直流电阻(RO)与分布电感串联,然后再与分布电容并联的等效电路,非线绕电阻器的LR =0.01 ~0.05微亨,CR =0.1 ~5皮法,线绕电阻器的IR达几十微亨,CR达几十皮法,即使是无感绕法的线绕电阻器,LR仍有零点几微亨。

    命名方法

      标准SJ—73规定,电阻器、电位器的命名由下列四部分组成:部分:主称;部分:材料;部分:分类特征;部分:序号。它们的型号及意义如表1-6所示。
    在这里插入图片描述举例:
      RJ71~0.125 ~5.1kI型,
    R表示为电阻器;J表示为金属膜;7是指精密;1是序号;0.125是额定功率;5.1k是标称阻值;I表示误差为5%
    肌中

    电阻的选用

      在实际应用中,要根据电子设备的技术指标和电路的具体要求来选用电阻的型号和误差等级。所选电阻额定功率一般应大于实际消耗功率的1.5~2倍;电阻装接前还要测量核对,尤其是在要求较高时,还要进行人工老化处理,以提高其稳定性;另外,还要根据电路工作频率选择不同类型的电阻。

    电阻的检测

    1.固定电阻器的检测

      (1)将两表笔(不分正负)分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。
      (2)根据被测电阻标称值的大小来选择量程,这样可提高测量精度。由于机械表欧姆挡刻度的非线性关系,中间一段刻度分度较为精细,因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置,即全刻度起始的20% ~80%弧度范围,以使测量更准确。数字表则可直接得到数值。
      (3)读出电阻阻值。根据电阻误差等级不同,读数与标称阻值之间分别允许有±5%、±10%或±20%的误差。如不相符,超出误差范围,则说明该电阻值变值了
      注意:
        ①测试时,特别是在测几十kΩ阻值的电阻时,手不要触及表笔和电阻的导电部分;
        ②被检测的电阻要从电路中断开,至少要断开一侧,以免电路中的其他元件对测试产生影响,造成测量误差;
        ③色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定,但在使用时最好是用万用表测试确定实际阻值;
        ④检测水泥电阻的方法及注意事项与检测普通固定电阻完全相同。

    2.熔断电阻器的检测

      (1)若熔断电阻器表面发黑或烧焦,可判定其负荷过重,通过的电流远超过额定值。
      (2)如果其表面无任何痕迹而开路,则表明流过的电流刚好等于或稍大于其额定熔断值。对于表面无任何痕迹的熔断电阻器好坏的判断,可借助万用表Rx1k 挡来测量,为保证测量准确,应将熔断电阻器一端从电路上断开。若测得的阻值为无穷大,则说明此熔断电阻器已失效开路;若测得的阻值与标称值相差甚远,表明电阻变值,也不宜再使用。
      (3)实践中发现,少数熔断电阻器会在电路中被击穿短路,检测时也应予以注意。

    3.电位器的检测

      (1)转动旋柄,看转动是否平滑,开关是否灵活,开关通、断时“喀哒”声是否清脆,并听一听电位器内部接触点和电阻体摩擦的声音,如有“沙沙”声,说明质量不好。用万用表测试时,先根据被测电位器阻值的大小,选择万用表合适电阻挡位。
      (2)用万用表的欧姆挡测“1”、“2”两端,其读数应为电位器的标称阻值。如果万用表的指针不动或阻值相差很多,则表明该电位器已损坏。
      (3)检测电位器的活动臂与电阻片的接触是否良好。用万用表的欧姆挡测“1”、“2”(或“2”、“3”)两端,将电位器的转轴按逆时针方向旋至接近“关”的位置,这时电阻值越小越好。再顺时针慢慢旋转轴柄,电阻值应逐渐增大,表头中的指针(或数值变动)应平稳。当轴柄旋至极端位置“3”时,阻值应接近电位器的标称值。如果万用表的指针(或数值)在电位器的轴柄转动过程中有跳动现象,说明活动触点有接触不良的故障。

    4.正温度系数热敏电阻(PTC)的检测

    检测时,用万用表Rx1k挡,具体可分两步操作。通,能滚,合蹀
      (1)常温检测(室内温度接近25℃):将两表笔接触PTC热敏电阻的两引脚测出其实际阻值,并与标称阻值相对比,二者相差在±2Q内即为正常。实际阻值若与标称阻值相差过大,则说明其性能不良或已损坏。敏啡备轶解济F朗甲间中琳敞猢酿金兴因
      (2)加温检测:在常温测试正常的基础上,将热源(例如电烙铁)靠近PTC热敏电阻对其加热,同时用万用表监测其电阻值是否随温度的升高而增大。如果阻值增大,说明热敏电阻正常;若阻值无变化,说明其性能变劣,不能继续使用。
      注意:不要使热源与PTC热敏电阻靠得过近或直接接触热敏电阻,以防止将其烫坏。

    5.负温度系数热敏电阻(NTC)的检测

      (1)测量标称电阻值R,。用万用表测量NTC热敏电阻的方法与测量普通固定电阻的方法相同,即根据NTC热敏电阻的标称阻值选择合适的电阻挡可直接测出R的实际值。由于NTC热敏电阻对温度很敏感,故测试时应注意以下3点:①应在接近生产厂家设定的环境温度25℃时进行,以保证测试的可信度;②测量功率不得超过规定值,以免电流热效应引起测量误差;③测试时,不要用手捏住热敏电阻体,以防止人体温度对测试产生影响。
    徐廓排能啪容建界数
      (2)估测温度系数α,。先在室温t下测得电阻值R,再用电烙铁作热源,靠近热敏电阻RT,测出电阻值Ra,同时用温度计测出此时热敏电阻RT表面的平均温度t,再进行计算。

    6.压敏电阻的检测

      用万用表的R×1k挡测量压敏电阻两引脚之间的正、反向电阻值,应均为无穷大;否则,说明漏电流大。若所测电阻很小,说明压敏电阻已损坏,不能使用。

    7.光敏电阻的检测

    测试步骤如下:
      (1)用黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住。阿金就家紧,
      (2)选择万用表的挡位测试电阻。若指针基本保持不动(数字表无读数),其阻值接近无穷大。数值越大说明光敏电阻性能越好。若数值很小或接近为零,说明光敏电阻已烧穿损坏,不能再继续使用。
      (3)拿开黑纸,将光源对准光敏电阻的透光窗口,此时万用表的指针或读数)应有较大幅度的变动,阻值会明显减小。数值越小说明光敏电阻性能越好。若数值很大甚至无穷大,表明光敏电阻内部开路损坏,也不能再继续使用。
      (4)将光敏电阻透光窗口对准人射光线,用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动,使其间断受光,此时万用表指针(或读数)应随黑纸片的晃动而左右(上下)摆动。如果万用表指针(或读数)始终不随纸片晃动而摆动,说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。

    文末

    在这里插入图片描述

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  • 微电子复习专用

    千次阅读 2019-10-29 22:22:09
    它的发展遵循了一条业界著名的定律,请说出是什么定律?  答:经历了小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路、巨大规模集成电路。 1965年,戈登摩尔——摩尔定律...

    集成电路制造工艺

    芯片:在晶片上经制备出的晶体管或电路。

    1957年,发现SiO2具有阻止施主杂质或受主杂质向硅内扩散的作用,掩蔽作用。
    把不需要扩散的区域用一定厚度的SiO2保护起来。

    3.1 硅平面工艺

    3.2 氧化工艺

    SiO2在集成电路中的作用

    • 对扩散杂质起掩蔽作用
    • 可作为MOS器件的绝缘层,栅极氧化层
    • 用作集成电路中的隔离介质和绝缘介质
    • 作为集成电路中的电容器介质
    • 对器件表面起保护钝化作用

    SiO2薄膜生长方法
    (1)热氧化:硅片表面与水、氧或其他含氧物质在高温下进行氧化反应应而生成SiO2薄膜的方法

    • 氧气氧化(分为干法氧化、湿法氧化)
    • 氢氧合成氧化
    • 高压氧化

    (2)化学气相沉积(CVD):把一种或几种元素的气体供给基片,利用某种方式激活后,在衬底表面处发生化学反应,沉积所需的固体薄膜

    • 常压化学气相沉积
    • 等离子化学气相沉积
    • 低压化学气相沉积

    SiO2薄膜的要求:表面:厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾

    氧化技术的发展趋势和面临问题

    • 随着集成度提高,器件尺寸不断减小,使MOS器件的氧化层厚度不断减小
    • 栅氧化层越博,漏电和击穿越严重,故需要开发高介质的栅氧化层材料
    • 随着继承电路尺寸不断减小,布线间距缩小电容明显增大,使器件的延迟增大速度变慢

    3.3 扩散掺杂工艺

    目的:通过补偿或掺杂,制作N型或P型区域

    扩散定律:由于浓度不均匀而导致载流子从高浓度向低浓度逐渐运动的过程
    点击查看扩散原理PPT

    杂志分布特点
    扩散工艺形式不同,但总体可分为恒定源扩散、限定源扩散

    • 恒定源扩散:硅片表面处杂质浓度不随时间变化而变
    • 限定源扩散:硅中杂质总量不变,随时间增加表面杂质浓度不断下降,杂质扩入硅片的深度增大

    常用扩散方法
    (固态、液态、气态)
    一、在平面扩散工艺中最常用的是液态源扩散

    特点:控制扩散T(温度),扩散t(时间),气体流量,来控制掺杂量。
    均匀、重复性好、设备简单、容易操作等。
    N2 大部分直接进入管中,小部分进入源瓶携带杂质源形成npn双极晶体管的发射区掺杂杂质磷

    二、气态片状源扩散
    三、固固扩散
    预沉积→高温扩散炉→再分布

    在硅片表面用化学气相淀积法生产薄膜 (薄膜可以是氧化物、多晶硅和氮化物)
    在生长薄膜的同时,在膜内掺杂磷、硼、砷等杂质,这些薄膜内的杂质作为扩散源在高温下向硅片内部扩散

    预沉积

    • 预扩散:形成表面恒定源的扩散过程
    • 控制硅片表面源的杂质总量

    再分布

    • 表面限定源扩散过程
    • 主要用来控制结深

    扩散层质量检测方法
    扩散目的:掺杂
    主要检测:(1)掺入杂质的多少(2)扩散形成的PN结深(3)杂质的具体分布
    点击查看方块电阻

    3.4离子注入掺杂方法

    离子注入:将杂质电离成离子并聚焦成离子束,在电磁场作用下加速轰击进入硅片从而实现掺杂(适用于结深小于1微米的平面工艺

    离子注入掺杂分两步:(1)离子注入(2)退火再分布

    离子注入深度较浅,浓度较大,必须热处理使杂质向半导体体内重新分布。
    由于高能粒子的撞击,使硅的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤,离子注入后要进行退火处理。

    离子掺杂的优点:注入的离子是通过质量分析器选出的,纯度高,能量单一, 掺杂纯度不受杂质源纯度的影响

    3.5掩模制版技术

    掩膜:是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片,表面上涂一层600800nm厚的Cr层,使其表面光洁度更高,称之为铬版(Cr mask)
    电子书制版三部曲

    1. 涂抗蚀剂(PMMA)
    2. 电子书曝光
    3. 显影(二甲苯)

    光刻的基本原理
    利用光敏的扛蚀涂层(光刻胶(对光敏感的有机薄膜))发生化学反应,结合刻蚀方法在各种薄膜上生成合乎要求的图形,实现选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的

    光刻
    利用光(和光刻胶)的作用把掩模版(光刻板)上的图形转换到晶片上的过程

    点击查看光刻的基本流程

    涂胶、煎烘→对准曝光→显定影→坚膜(后烘)→腐蚀→去胶

    采用旋转涂胶技术对晶片进行涂胶
    光刻胶分为(1)正性光刻胶(2)负性光刻胶

    3.6外延生长工艺

    3.7金属层制备工艺

    3.8隔离工艺技术

    3.9 CMOS集成电路工艺流程

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