半导体器件物理课件：第二章 P-N结.pdf

【半导体器件物理：第二章 P-N结】 P-N结是半导体器件的核心组成部分，它在电子技术领域扮演着至关重要的角色。这一章节详细介绍了P-N结的定义、分类、形成过程以及相关的制造工艺技术。 P-N结是由P型半导体（富含空穴）和N型半导体（富含电子）接触形成的结构。P型半导体由于存在多于正常的空穴，而N型半导体则含有过剩的电子。当这两种类型的半导体结合在一起时，电子会从N型区域流向P型区域，而空穴则从P型区域流向N型区域，形成一个电子-空穴对的耗尽区，即P-N结的界面。这个界面具有阻止电流自由流动的特性，除非在外部施加适当的电压，使得电流只能单向流动，因此P-N结被广泛用作整流器。 P-N结的分类包括同质结（同种半导体材料构成）、异质结（不同半导体材料构成）、同型结（同种导电类型半导体）和异型结（不同导电类型半导体）。此外，金属-半导体接触也被视为一种特殊形式的异质结，即M-S结。 自20世纪70年代以来，硅平面工艺成为了制造P-N结的主要技术。这一工艺涉及多种关键步骤，如离子注入、扩散、外延和光刻。其中： 1. 离子注入工艺由奥尔和肖克莱于1950年发明，它利用离子化杂质原子，通过电场加速并植入半导体中，实现了精确控制掺杂浓度和深度。 2. 扩散工艺，如富勒在1956年提出的，利用热运动原理，将杂质从高浓度区域扩散到低浓度区域，形成掺杂层。液态源扩散是常见的扩散方法，通过将杂质源加热并让其蒸汽扩散到硅片上。 3. 外延工艺由卢尔和克里斯坦森于1960年提出，它在单晶衬底上生长出一层与衬底相同晶向的薄膜。外延层可以用来创建不同导电类型和杂质浓度的结构。 4. 光刻工艺是1970年由斯皮勒和卡斯特兰尼改进的，它利用光刻胶和光的曝光来定义半导体上的图案，用于选择性掺杂、电极制作和布线。光刻工艺对于集成电路的微型化至关重要。 在这些工艺中，氧化工艺也起着关键作用，特别是硅表面的二氧化硅层，它可以作为扩散掩蔽层、MOS器件的绝缘栅材料、表面钝化层、隔离介质和电容器的绝缘介质。二氧化硅层的生长可以通过热氧化和化学气相沉积方法实现。 P-N结的物理原理和制造工艺是半导体器件物理的核心，对于理解和设计现代电子设备如微处理器、太阳能电池和各种传感器等至关重要。掌握这些知识对于进一步探索微电子学和半导体技术的发展至关重要。